Urban parameterizations development and city-atmosphere coupling optimization

Resumen

Las ciudades generan un aumento de la temperatura con respecto al medio rural circundante (Isla de calor) y una disminución del viento, lo que puede reducir el confort térmico y la calidad de aire. Para mejorar la vida en las ciudades y la comprensión y caracterización del clima urbano, se hace uso de la modelización atmósferica. Para ello se desarrollan parametrizaciones urbanas, que representan, de forma promediada, el comportamiento de las variables meteorologicas dentro de la ciudad. Los objetivos de esta tesis son la mejora de la parametrización urbana BEP (Martilli et al. 2002) y la optimizacion de su acoplamiento en el modelo de mesoescala WRF (Skamarock et al. 2008). En la primera parte se propone una parametrización del coeficiente de arrastre, definido para calcular la fuerza de arrastre de los edificios sobre el viento, en función de las distancias entre edificios, en las direcciones paralela y perpendicular al viento, para configuraciones alineadas de edificios. Así mismo, se extiende la fórmula presentada en Santiago y Martilli (2010) para las longitudes de escala para el transporte turbulento y la disipación de la turbulencia. Ambas fórmulas para estratificación térmica neutra. Además, se proponen fórmulas para los parametros anteriores y se estudia el flujo dispersivo, parametrizándolo, junto al turbulento, mediante una extensión de la teoría K de Monin ¿ Obukhov, en caso de inestabilidad térmica. En la segunda parte se optimiza el acoplamiento del modelo de mesoescala y la parametrización urbana, permitiendo un aumento de la resolución urbana, permitiendo así mismo disminuir la resolucion vertical del modelo atmosférico y el tiempo de computación. Metodología Para la primera parte se utiliza la metodología de Santiago et al. (2008) y Santiago y Martilli (2010), que se basa en el uso de modelos de microescala para extraer las propiedades del flujo. Los resultados se promedian espacial y temporalmente, considerandose el estado estacionario del fluído en una región equivalente a la de una celda mesoescalar. Este promedio se parametriza e incluye en una versión 1D del esquema urbano. La parametrización se compara después con los resultados promedio del modelo de microescala para implementarlos en una versión 3D. Resultados y conclusiones En una atmósfera con estratificación neutra, el coeficiente de arrastre depende de la distancia entre edificios en las direcciones paralela y perpendicular a la dirección del viento. Se presenta una parametrización que diferencia entre tipos de barrio en cuanto a su interacción con el viento. Una buena caracterización de este coeficiente mejora la estimación del viento en la subcapa inercial. Las longitudes de escala muestran dependen de la densidad de edificios, sin ser afectadas por su configuración. Con inestabilidad térmica, hay un aumento del coeficiente de arrastre y las longitudes de escala. Se presentan funciones para caracterizar las variaciones en función de la razón entre las fuerzas de flotabilidad e inerciales, distinguiendo el comportamiento del flujo en función de la hora del día. Los flujos de calor desde las superficies urbanas incrementan los flujos dispersivos de calor y momento, mostrando valores equivalentes a los turbulentos y la necesidad de ser parametrizados. La suma de ambos se parametriza mediante una extensión de la teoría K, variando el valor del coeficiente de difusión, que, dentro del cañón urbano, toma valores diferentes para el momento y el calor. Se presenta una técnica para acoplar esquema urbano en el modelo meteorológico. Ésta permite aumentar la resolución en la subcapa rugosa, independientemente de la resolución vertical del modelo meteorológico, permitiendo disminuir el número de niveles del segundo y el tiempo de