Thermally-driven mesoscale flows and their interaction with atmospheric boundary layer turbulence

Resumen

Los movimientos atmosféricos se clasifican en función de su escala temporal y espacial en macroescalares (de mayor escala), mesoescalares (de escala intermedia) y microescalares (de menor escala). Entre los mesoescalares encontramos las circulaciones térmicas, formadas por contrastes de temperatura horizontales en escalas espaciales entre 1 y 100-200 km aproximadamente. Como ejemplo de estas circulaciones, en esta tesis se investigan las brisas marinas y de montaña. Estas brisas juegan un papel muy relevante en el complejo decaimiento de la turbulencia que tiene lugar en la baja atmósfera tras las horas centrales del día. Sin embargo, todavía no se conoce con precisión la forma en la que ocurre dicha interacción, y los modelos numéricos mesoescalares, los cuales se emplean también para pronóstico meteorológico, no reproducen correctamente dicho decaimiento de la turbulencia. Como consecuencia, variables tales como la velocidad del viento y temperatura del aire no son correctamente pronosticadas. Por otro lado, la concentración de gases de efecto invernadero como el CO2 puede verse significativamente alterada por el establecimiento de las brisas y su impacto en la dinámica de la baja atmósfera. El objetivo principal de la tesis es por tanto el análisis de los forzamientos que influyen en la formación de las brisas, su interconexión con la turbulencia durante la transición vespertina y su impacto en la variabilidad de ciertos gases. Para llevar a cabo este objetivo se sigue una estrategia de investigación que combina el análisis de bases de datos observacionales y la realización de simulaciones numéricas mediante el modelo numérico WRF. La investigación se lleva a cabo en tres emplazamientos: la costa vasca (España), CESAR (Países Bajos) y La Herrería (España); los tres presentan escenarios distintos para la formación de brisas. Por otro lado, uno de los aspectos clave de la tesis es el desarrollo de un algoritmo objetivo y sistemático para seleccionar los eventos de brisa de una forma consistente y robusta. Primero analizamos las brisas marinas y su impacto en las características de la baja atmósfera en la costa vasca, empleando para ello observaciones meteorológicas durante un verano y simulaciones numéricas de varios eventos mediante el modelo WRF. La investigación de brisas marinas se profundiza con un análisis observacional exhaustivo de 10 años en un área llana relativamente alejada de la costa (CESAR), la cual permite estudiar el impacto de la brisa en la turbulencia durante la transición vespertina. Las observaciones disponibles permiten además analizar la contribución de la brisa al transporte de gases como el CO2 y 222Rn. El estudio observacional se complementa con simulaciones numéricas abarcando el mismo periodo temporal, con el objetivo de analizar la representación de las principales características de la brisa en el modelo y su impacto en la turbulencia durante la transición vespertina. Finalmente, analizamos las brisas de montaña en el emplazamiento de La Herrería durante un periodo de verano. Estudiamos mediante observaciones la relación entre la intensidad de la brisa nocturna, las características térmicas y dinámicas de la capa límite atmosférica nocturna y la variabilidad del CO2. Tras la investigación llevada a cabo podemos concluir que la interacción entre las brisas y la turbulencia ocurre de forma bidireccional, y distinta dependiendo del régimen turbulento en el que se encuentra la capa límite atmosférica. La llegada de la brisa altera la turbulencia superficial, así como la variabilidad de gases como el CO2 y 222Rn. En cuanto al modelo WRF, reproduce perturbaciones frontales más intensas y como consecuencia, una transición más rápida hacia condiciones nocturnas estables. Todo ello repercute en un pronóstico más impreciso de ciertas variables meteorológicas y fenómenos atmosféricos asociados a condiciones más estables.