Study the air-sea interaction processes with the development of a coupled modeling system

Abstract

Dynamics of atmosphere and oceans enclose a myriad of complex interactive processes regulating the weather and climatic events. The impact of air-sea interaction extends to all spatiotemporal scales. Processes such as the exchange of momentum, heat and moisture influence plenty of meteorological phenomena. The complexity of air-ocean interactive mechanisms and the plethora of parameters involved, suggest that many aspects require further analysis. Additionally, in wave/ocean and atmospheric models, a more accurate representation of the atmospheric and oceanic surface conditions and interactions is essential for better weather forecasting. The main objective of this thesis is to better understand the role of certain atmospheric-ocean feedback mechanisms participating in the air-sea interface. More precisely, this work intends to examine (a) the mechanical processes expressed as momentum transfer between the lower atmosphere and the ocean and (b) the thermodynamical processes related to the effects in heat fluxes from the sea surface temperature (SST) forcing and the sea spray generated from wave breaking. The wind-wave momentum exchange is assessed with the introduction of wave effects in the lower atmospheric layers. The impact of wave state conditions is considered on the sea surface roughness calculation influencing also the atmospheric and wave fields. Moreover, air-ocean heat exchanges are approached based on the thermodynamic disequilibrium between the ocean surface and the upper air. This is pursued by analyzing the impact and uncertainty of different SST forcing on Mediterranean Cyclones. The role of sea spray in the boundary layer is also investigated along with its relation to micro-physical processes such as condensation/evaporation of water droplets. To study the aforementioned atmospheric-ocean processes, a coupled modeling tool has been developed including the atmospheric modeling system RAMS/ICLAMS, the wave model WAM and the coupler OASIS. Within this system, a numerical description of sea spray thermodynamics is implemented. To test and analyze the impact of these air-ocean feedback mechanisms, several cyclonic events were simulated in two regions with different geomorphological and climatic characteristics, the North Sea and the Mediterranean Basin. Wind-wave momentum exchange revealed that information stemming from wave properties employed in the expression of the ocean drag, has a detectable impact on the atmospheric model. Smaller errors appear close to the surface and vertically both for wind speed and temperature. Likewise, the ongoing wind-wave effect was also evident in the derived wave heights. Spatiotemporal deviations in the SST forcing seem to mainly contribute in the differences between the model results, mostly in the resulting heat fluxes and in precipitation. Implementation of sea spray fluxes in model physics, induced alterations both in horizontal and vertical scale. Effects were evident in the stability conditions with height in the atmospheric layers close to the ocean surface. Near-surface temperature and water vapor profiles were modified, leading to a non-linear feedback that also influenced wind patterns. Most noticeably, the impact on the marine layer structure found in a layer ranging from a few tens up to a few hundreds of meters depending on the storm characteristics. The present work intends to contribute to the multi-parametric issue of air-sea interaction processes that affect marine forecasts and plenty of offshore activities and applications.

Το σύστημα θάλασσας-ατμόσφαιρας περιλαμβάνει μια πληθώρα από σημαντικούς και ταυτόχρονα πολύπλοκους μηχανισμούς αλληλεπίδρασης. Η επίδραση των ανταλλαγών που λαμβάνουν χώρα στη διεπιφάνεια θάλασσας-ατμόσφαιρας καλύπτει όλα τα φάσματα χωρικής και χρονικής κλίμακας επηρεάζοντας σε μεγάλο βαθμό τις κλιματικές και καιρικές συνθήκες. Οι ροές ορμής, θερμότητας και υγρασίας που αναπτύσσονται μεταξύ της θαλάσσιας και ατμοσφαιρικής επιφάνειας έχουν αντίκτυπο σε ένα μεγάλο εύρος μετεωρολογικών φαινομένων όπως στον σχηματισμό νεφών και βροχόπτωσης και στη δημιουργία και εξέλιξη κυκλώνων.H χρήση αριθμητικών μοντέλων πρόγνωσης, παρέχει τη δυνατότητα μελέτης των δυναμικών διεργασιών και ανταλλαγών που αναπτύσσονται στο θαλάσσιο και ατμοσφαιρικό περιβάλλον. Επιπρόσθετα, η βελτίωση της υπάρχουσας φυσικής περιγραφής των ανταλλαγών νερού και αέρα στα αριθμητικά μοντέλα θα οδηγούσε στην καλύτερη προσομοίωση και πρόγνωση συστημάτων καιρού που αναπτύσσονται στο υδάτινο περιβάλλον.Στα πλαίσια αυτής της διατριβής οι μηχανισμοί αλληλεπίδρασης θάλασσας-ατμόσφαιρας προσεγγίζονται μέσα από την ανάπτυξη ενός συζευγμένου ατμοσφαιρικού και κυματικού μοντέλου με τη χρήση σχημάτων παραμετροποίησης που στοχεύουν σε μια πιο ρεαλιστική περιγραφή των διεργασιών ανταλλαγής. Πιο συγκεκριμένα, μελετώνται δύο βασικές κατηγορίες, οι μηχανικές διεργασίες που συνδέονται με τη μεταφορά ορμής από την ατμόσφαιρα στη θάλασσα και αντίστροφα και οι θερμοδυναμικές διεργασίες που σχετίζονται με τη μεταφορά θερμότητας και υδρατμών. Οι τελευταίες σχετίζονται με τις διαφορές θερμοκρασίας και υγρασίας ανάμεσα στην θαλάσσια και ατμοσφαιρική επιφάνεια καθώς και στην παρουσία υδροσταγόνων στα κατώτερα ατμοσφαιρικά στρώματα που προέρχονται από το σπάσιμο των κυμάτων.Οι ανταλλαγές ορμής μεταξύ ανέμου και κύματος, προσεγγίζονται με την εισαγωγή της επίδρασης των κυματικών χαρακτηριστικών στα κατώτερα ατμοσφαιρικά στρώματα. Με τη βοήθεια μιας συνδυασμένης μεθοδολογίας μοντελοποίησης λαμβάνονται υπόψιν οι επιπτώσεις των διαφόρων κυματικών παραμέτρων στον υπολογισμό της θαλάσσιας επιφανειακής τραχύτητας και τα επερχόμενα αποτελέσματα στο ανεμολογικό πεδίο και συνολικά στο θαλάσσιο οριακό στρώμα.Οι ανταλλαγές θερμότητας μεταξύ ατμόσφαιρας και ωκεανών εξετάζονται με βάση τις θερμοδυναμικές αποκλίσεις μεταξύ της θαλάσσιας επιφάνειας και του περιβάλλοντα αέρα. Αυτό επιδιώκεται μέσω της ανάλυσης της επίδρασης και της αβεβαιότητας που προκύπτει από τη χρήση διαφορετικών πεδίων θαλάσσιας επιφανειακής θερμοκρασίας στη δημιουργία και εξέλιξη κυκλώνων. Για τον σκοπό αυτό, χρησιμοποιείται ένα συζευγμένο σύστημα μοντελοποίησης, το οποίο αποτελείται από ατμοσφαιρικά, κυματικά και ωκεάνια υπο-μοντέλα. Στο εν λόγω σύστημα εισάγονται, διαφορετικά πεδία θαλάσσιας επιφανειακής θερμοκρασίας, προερχόμενα από προσομοιώσεις και επιτόπιες μετρήσεις εμπλουτισμένα με πλήθος δορυφορικών παρατηρήσεων. Σκοπός είναι να διερευνηθεί η επίδραση των διάφορων πηγών επιφανειακής θερμοκρασίας στην προσομοίωση Μεσογειακών Τροπικών Κυκλώνων.Η διατριβή επικεντρώνεται επίσης στο ρόλο των υδροσταγόνων (sea spray) που δημιουργούνται στην επιφάνεια της θάλασσας και μεταφέρονται στην ατμόσφαιρα από τo σπάσιμο των κυμάτων στη διεπιφάνεια ατμόσφαιρας-ωκεανού. Σε αυτό το πλαίσιο, εξετάζονται οι επιπτώσεις από τη ροή των υδροσταγόνων στην ανάπτυξη των θαλάσσιων καταιγίδων διαμέσου ενός συζευγμένου αριθμητικού μοντέλου ατμόσφαιρας-κύματος-υδροσταγόνων. Πιο συγκεκριμένα, αξιολογείται ο θερμοδυναμικός ρόλος των υδροσταγόνων στο θαλάσσιο οριακό στρώμα και οι συναφείς μικροφυσικές διεργασίες όπως συμπύκνωση/εξάτμιση υδρατμών μαζί με την περαιτέρω επίπτωση στις ροές θερμότητας και υγρασίας.Για τη διερεύνηση των προαναφερθέντων διαδικασιών, πραγματοποιήθηκε μια σειρά αριθμητικών προσομοιώσεων που σχετίζονται με περιπτώσεις κυκλώνων στο Βόρειο Ατλαντικό και την Μεσόγειο Θάλασσα. Η ενσωμάτωση στο ατμοσφαιρικό μοντέλο της θαλάσσιας επιφανειακής τραχύτητας προερχόμενης από το κυματικό μοντέλο παρουσιάζει θετικά αποτελέσματα. Χαμηλότερα σφάλματα εμφανίζονται κοντά στην επιφάνεια αλλά και κατακόρυφα τόσο στην ταχύτητα του ανέμου όσο και στη θερμοκρασία στις υπό μελέτη προσομοιώσεις. Αντίστοιχα, προέκυψε βελτίωση στην εκτίμηση του σημαντικού ύψους κύματος για ένα αξιόλογο αριθμό περιπτώσεων.Οι χωροχρονικές αποκλίσεις που παρουσιάζονται σε διαφορετικά πεδία επιφανειακής θερμοκρασίας της θάλασσας, έχουν τη μέγιστη συμβολή στις διαφορές που εμφανίζονται μεταξύ των διαφορετικών αριθμητικών προσομοιώσεων, με πιο σημαντικές τις διαφορές στις ροές θερμότητας και τη βροχόπτωση. Η εισαγωγή του μηχανισμού μεταφοράς υδροσταγόνων από την επιφάνεια της θάλασσας στην ατμόσφαιρα, οδήγησε σε αλλαγές τόσο σε οριζόντια όσο και κατακόρυφα κλίμακα, σε ορισμένες χαρακτηριστικές ατμοσφαιρικές παραμέτρους. Τα αποτελέσματα ήταν επίσης εμφανή στις συνθήκες ευστάθειας καθ’ ύψος, στα κατώτερα ατμοσφαιρικά στρώματα. Τα προφίλ θερμοκρασίας και υδρατμών κοντά στην επιφάνεια τροποποιήθηκαν οδηγώντας σε μια μη γραμμική ανάδραση που επηρέασε επίσης τα προφίλ του ανέμου. Οι πιο σημαντικές επιδράσεις παρουσιάστηκαν στα πρώτα εκατό μέτρα του θαλάσσιου οριακού στρώματος.Η ανάλυση και τα αποτελέσματα που περιέχονται σε αυτήν τη διατριβή στοχεύουν σε μια πληρέστερη περιγραφή του συστήματος θάλασσας-ατμόσφαιρας και των αντίστοιχων αλληλεπιδράσεων μέσω της ανταλλαγής πληροφοριών μεταξύ διαφορετικών μοντέλων και την εφαρμογή κατάλληλων παραμετροποιήσεων. Η παρούσα εργασία σκοπεύει να συμβάλει στο πολύ-παραμετρικό πρόβλημα των διεργασιών αλληλεπίδρασης θάλασσας-ατμόσφαιρας που επηρεάζουν τις ατμοσφαιρικές και θαλάσσιες προγνώσεις και κατ’επέκταση ένα πλήθος παράκτιων δραστηριοτήτων και εφαρμογών.