Investigation of the physical processes in the development of turbulent flow inside the atmospheric boundary layer: a large eddy simulation modelling study

Abstract

The research aim of this thesis is to investigate the physical processes that define the development of the atmospheric boundary layer (ABL), over heterogeneous surface conditions. Land atmosphere interactions are studied by utilizing a state of the art regional atmospheric model under real conditions, and boundary layer and land surface parameterizations are evaluated. A more in-depth approach is carried out by designing an idealized experiment of a convective boundary layer that develops over realistic surface conditions, characterized by a large-scale heterogeneity. For this idealized experiment and for a detailed analysis of the resulting turbulent flows, the Large Eddy Simulation (LES) technique is applied. Furthermore, in order to dynamically link the land-surface to the atmosphere, a coupled system is developed, in the framework of this research, that consists of an advanced LES code and a state-of-the-art land surface model (LSM). The arid region of the Saharan Desert (SD) is chosen as our main study area, as it encompasses challenging aspects of convective conditions. It presents a unique ABL vertical structure and extent and it is the main source of mineral dust aerosols which play an important role on global climate. Extreme atmospheric and surface conditions over the vast Saharan desert result in the development of one of the deepest atmospheric boundary layers (SABL) on the planet. The land cover in the Sahara mainly consists of wide interchanging areas of stony and sandy desert intercepted by narrower bare rock formations. The convective boundary layer (CBL) that develops over the heterogeneous Saharan surface is simulated with a two-way LES-LSM coupled system in order to account for the dynamical interaction between land and atmosphere. Initial and boundary conditions are provided by airborne observations and mesoscale atmospheric simulations. First, a qualitative comparison between simulations and observations is carried out, which shows that the LES-LSM accuracy is mainly hindered by the lack of in situ soil and vegetation input data and their respective radiative properties. In order to investigate the effect of surface heterogeneity on the vertical structure of the SABL, a large scale (> 10 km) idealized warm surface anomaly, which is representative of the actual conditions over the SD, is simulated and analyzed. This is configured as a land strip with a surface albedo value halved, compared to the surrounding brighter surfaces, resulting in a warm anomaly that produces almost doubled fluxes in density and stronger convergence near the ground. First and second order turbulence statistics reveal that strong thermals penetrate the inversion layer of the CBL, producing a vigorous exchange between unstable and overlying stable air. Furthermore, a convective internal boundary layer (CIBL) is formed over the interchange of surfaces with large differences in sensible heat flux density. By analyzing the development of the CIBL, formulas from bibliography that calculate the CIBL depth are revised and new formulations are proposed which give better results under the specific conditions. The turbulent structure of the SABL reveals significant flow changes locally and downwind of the surface heterogeneity (strip), which may also have an important effect on processes such as dust uplift and its long-range transport that influence weather and climate globally.

Στην παρούσα μελέτη ερευνώνται οι φυσικές διεργασίες που καθορίζουν την ανάπτυξη του ατμοσφαιρικού οριακού στρώματος (ΑΟΣ-ABL) πάνω από ετερογενείς εδαφικές επιφάνειες. Μελετώνται οι διαδράσεις ατμόσφαιρας-εδαφικής επιφάνειας με τη χρήση ενός προηγμένου, περιοχικού ατμοσφαιρικού μοντέλου, το οποίο εφαρμόζεται σε ρεαλιστικές συνθήκες. Παράλληλα, έγινε αξιολόγηση των παραμετροποιήσεων που επιλύουν το ατμοσφαιρικό οριακό στρώμα καθώς και την επιφάνεια του εδάφους, τις οποίες ενσωματώνει το εν λόγω μοντέλο. Οι διεργασίες αυτές, προσεγγίστηκαν σε βάθος μέσω του σχεδιασμού ενός ιδεατού αριθμητικού πειράματος. Κατά το πείραμα αυτό, ένα ασταθές οριακό στρώμα (Convective Boundary Layer, CBL) αναπτύχθηκε πάνω από ρεαλιστικές εδαφικές επιφάνειες, οι οποίες χαρακτηρίζονται από μεγάλης κλίμακας ετερογένεια. Για αυτό το ιδεατό πείραμα και για τη λεπτομερή ανάλυση της παραγόμενης τυρβώδους ροής, εφαρμόστηκε η τεχνική προσομοίωσης μεγάλων στροβίλων (Large Eddy Simulation, LES). Σε συνδυασμό με αυτήν, αναπτύχθηκε ένα σύστημα δυναμικής σύζευξης της γήινης εδαφικής επιφάνειας με την ατμόσφαιρα, το οποίο αποτελείται από έναν προηγμένο αριθμητικό κώδικα LES και ένα σύγχρονο μοντέλο επιφανείας (Land-Surface Model, LSM).Την περιοχή μελέτης αποτελεί η άνυδρη περιοχή της ερήμου Σαχάρας (Saharan Desert, SD), η οποία, εξαιτίας της ιδιαίτερης κλιματολογίας και εδαφικής της κάλυψη, ενδείκνυται για την διερεύνηση των συνθηκών έντονης ατμοσφαιρικής αστάθειας. Στην περιοχή αυτή, αναπτύσσεται μια χαρακτηριστική κατακόρυφη δομή και έκταση του ΑΟΣ και επίσης αποτελεί την κύρια πηγή σωματιδίων σκόνης τα οποία επηρεάζουν σημαντικά τις παγκόσμιες κλιματικές συνθήκες. Τα τοπικά εδαφικά χαρακτηριστικά και το ακραίο κλίμα της ερήμου Σαχάρας διαμορφώνουν τις συνθήκες για ένα από τα βαθύτερα ΑΟΣ του πλανήτη (Saharan ABL, SABL). Η εδαφική κάλυψη στη Σαχάρα χαρακτηρίζεται κυρίως από εναλλασσόμενες λωρίδες αμμώδους και πετρώδους ερήμου, διακοπτόμενες από μικρούς γυμνούς βραχώδεις σχηματισμούς. Το αμφίδρομα συζευγμένο μοντέλο LES-LSM εφαρμόστηκε πάνω από αυτήν την ετερογενή επιφάνεια της Σαχάρας, ώστε να προσομοιωθεί τo CBL και οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ εδάφους και ατμόσφαιρας. Οι αρχικές και οριακές συνθήκες για τις προσομοιώσεις αυτές ελήφθησαν από παρατηρήσεις αεροσκαφών και από ατμοσφαιρικές προσομοιώσεις μέσης κλίμακας. Η ποιοτική σύγκριση που έγινε μεταξύ των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων και των παρατηρήσεων έδειξε πως η απόδοση του μοντέλου LES-LSM εξαρτάται από τη διαθεσιμότητα (και έλλειψη) πειραματικών δεδομένων εδάφους και βλάστησης, συμπεριλαμβανομένων των ανακλαστικών τους ιδιοτήτων. Για τη διερεύνηση της επίδρασης της ετερογένειας των επιφανειών στην κατακόρυφη δομή του SABL, προσομοιώθηκε και μελετήθηκε μια ιδεατή θερμή επιφανειακή ανωμαλία μεγάλης κλίμακας (> 10 χλμ), αντιπροσωπευτική των πραγματικών συνθηκών που επικρατούν στην έρημο Σαχάρα. Η ανωμαλία αυτή επιτεύχθηκε ορίζοντας δύο επιφάνειες υψηλής λευκαύγειας και παρεμβάλλοντας μεταξύ τους μια λωρίδα γης με υποδιπλασιασμένη τιμή λευκαύγειας. Η διάταξη αυτή δημιουργεί μια θερμή ανωμαλία η οποία παράγει διπλάσια ροή θερμότητας και ισχυρή σύγκλιση κοντά στην επιφάνεια. Η στατιστική ανάλυση (πρώτης και δεύτερης τάξης) της τύρβης έδειξε ότι ισχυρά θερμικά ανοδικά ρεύματα εισβάλουν στο στρώμα αναστροφής του CBL, προκαλώντας μια διαρκή ανταλλαγή μαζών μεταξύ του ασταθούς και του υπεράνω ευσταθούς στρώματος αέρα. Επιπρόσθετα, δημιουργείται ένα εσωτερικό ασταθές οριακό στρώμα (CIBL) πάνω από την περιοχή εναλλαγής των επιφανειών, εντός του οποίου οι διαφορές στην πυκνότητα ροής αισθητής θερμότητας είναι μεγάλες. Μέσω της ανάλυσης του εν λόγω CIBL, αναθεωρούνται εξισώσεις υπολογισμού του CIBL της βιβλιογραφίας και προτείνονται νέες εξισώσεις οι οποίες δίνουν καλύτερα αποτελέσματα υπό αυτές τις χαρακτηριστικές συνθήκες, πάνω από την περιοχή μελέτης. Η δομή της τύρβης του SABL αποκαλύπτει σημαντικές μεταβολές ροής τόσο τοπικά όσο και κατάντι της επιφανειακής ετερογένειας (λωρίδας), οι οποίες πιθανώς να επηρεάζουν και άλλες διεργασίες, όπως τη δημιουργία εδαφικής σκόνης και τη μακρινή μεταφορά της, σημαντικοί παράγοντες στη διαμόρφωση του καιρού και του κλίματος σε παγκόσμια κλίμακα.