Investigating the dynamics of the Marine Atmospheric Boundary Layer and the wave field coupled system

Abstract

The research aim of this thesis focuses on the development of the Marine Atmospheric Boundary Layer (MABL) as a function of turbulent surface fluxes. In particular, the effect of waves on the turbulent momentum flux and the effect of sea spray on heat and moisture flux are investigated.Initially, near-surface turbulent momentum flux estimates are made over the Aegean Sea, using two different approaches regarding the drag coefficient formulation, with a wave boundary layer model (referred here as KCM) and the Coupled Ocean–Atmosphere Response Experiment (COARE) flux algorithm. The KCM model incorporates modifications in the energy-containing wave spectrum to account for the wave conditions of the Aegean Sea, and surface similarity to account for the stratification effects. Airborne turbulence data from the Aegean-GAME field campaign performed during an Etesian outbreak over the Aegean Sea are processed to evaluate the simulations. The modified KCM version near-surface turbulent momentum flux estimates, found up to 10% higher than COARE ones, indicating that the wave-induced momentum flux may be insufficiently parameterized in COARE. Under unstable stratification and low to moderate wind conditions the residuals between estimates from KCMmod and measurements are less than 40% while under stable stratification and strong winds the residuals are more than 40%. This discrepancy is associated with the relatively high measurement level, shallow boundary layer and the presence of a low level jet.Following this, high resolution Large Eddy Simulations (LES) with water phase transitions effects are performed to study the influence of sea spray on the MABL structure and clouds, under severe wind conditions. We employ the MISU MIT Cloud and Aerosol (MIMICA) LES model for cloudy ABL and incorporate the air-sea interaction mechanism through two bulk air-sea flux algorithms, COARE and Andreas' that accounts for the spray-mediated fluxes. The CBLAST-Hurricane experiment supplies the initial conditions as well as turbulence measurements for the simulations assessment. When the spray-mediated contribution is considered, the simulated moisture flux increases by up to 45% and agrees better with observations. The spray-mediated sensible heat flux is opposite to the interfacial flux and accounts for up to 60% of its magnitude. Spray arranges small scale stream-wise velocity streaks into large scale structures where the scalars tend to concentrate, while the vertical velocity structure below mid-MABL is not significantly affected as the buoyancy forces localized within these structures are negligible. Spray-mediated contribution result in more extended cloud decks in the form of marine stratocumulus with increased liquid water content. The visually thicker clouds reduce the total surface radiation by up to 30Wm^(-2).

Ο ερευνητικός στόχος της παρούσας διατριβής επικεντρώνεται στην ανάπτυξη του Θαλάσσιου Ατμοσφαιρικού Οριακού Στρώματος (ΘΑΟΣ) ως συνάρτηση των τυρβωδών επιφανειακών ροών. Συγκεκριμένα, διερευνάται η επίδραση των κυμάτων στη ροή τυρβώδους ορμής και η επίδραση του θαλάσσιου σπρέι στη ροή θερμότητας και υγρασίας.Αρχικά, δύο διαφορετικές προσεγγίσεις για τον υπολογισμό του συντελεστή αντίστασης χρησιμοποιήθηκαν προκειμένου να υπολογιστεί η επιφανειακή τυρβώδης ροη ορμής στο Αιγαίο Πέλαγος. Συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκαν ο αλγόριθμος COARE και ένα μοντέλο περιγραφής του Κυματικού Ατμοσφαιρικού Οριακού Στρώματος, που ονομάζεται KCM, το οποίο έχει τροποποιηθεί, ώστε να λαμβάνει υπόψη την ατμοσφαιρική διαστρωμάτωση, αλλά και τις ιδιαίτερες κυματικές συνθήκες του Αιγαίου Πελάγους (KCMmod). Για την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων χρησιμοποιούνται πειραματικές τυρβώδεις ροές από πτήσεις που πραγματοποιήθηκαν στα πλαίσια του Aegean-GAME που διεξήχθη κατά τη διάρκεια Ετησίων. Οι εκτιμήσεις της επιφανειακής ροής ορμής της τροποποιημένης έκδοσης KCM βρέθηκαν έως και 10% υψηλότερες από αυτές του COARE, υποδεικνύοντας ότι η ροή ορμής λόγω κυμάτων μπορεί να είναι ανεπαρκώς παραμετροποιημένη στο COARE. Σε συνθήκες ασταθούς διαστρωμάτωσης και χαμηλότερου ανέμου οι διαφορές μεταξύ των εκτιμήσεων του KCMmod και των μετρήσεων είναι κάτω από 40%, ενώ σε συνθήκες ευσταθούς διαστρωμάτωσης και ισχυρότερου ανέμου οι διαφορές είναι μεγαλύτερες από 40%. Η απόκλιση αυτή συνδέεται με το μεγάλο ύψος μέτρησης από την επιφάνεια της θάλασσας, το ρηχό ΘΑΟΣ και την παρουσία ενός αεροχειμάρου.Στη συνέχεια, για τη μελέτη της επίδραση του θαλάσσιου σπρέι τόσο στη δομή του ΘΑΟΣ όσο και στη δημιουργία χαμηλών νεφών πραγματοποιήθηκαν υψηλής ανάλυσης προσομοιώσεις μεγάλων στροβίλων (LES), υπό συνθήκες έντονου ανέμου, που συμπεριλαμβάνουν τις αλλαγές φάσης του νερού. Χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο LES του MISU MIT Cloud and Aerosol (MIMICA) και ο μηχανισμός αλληλεπίδρασης θάλασσας-ατμόσφαιρας ενσωματώθηκε μέσω δύο αλγορίθμων υπολογισμού των επιφανειακών τυρβωδών ροών, του COARE και του Andreas που περιλαμβάνει τις ροές λόγω του θαλάσσιου σπρέι. Το σενάριο προσομοίωσης βασίζεται σε δεδομένα από το πείραμα CBLAST-Hurricane, ενώ διαγράμματα οπτικοποίησης της ροής, στατιστική ανάλυση (πρώτης και δεύτερης τάξης) και το ενεργειακό φάσμα της τύρβης χρησιμοποιήθηκαν για την ανάλυση των διαφορών μεταξύ των προσομοιώσεων. Στις προσομοιώσεις όπου συμπεριλαμβάνεται η συνεισφορά του θαλασσιού σπρέι οι εκτιμήσεις της ροής υγρασίας αυξάνονται έως και 45% και συμφωνούν καλύτερα με τις μετρήσεις. Η ροή αισθητής θερμότητας λόγω του θαλασσιού σπρέι είναι αντίθετη από τη ροή διεπιφάνειας και αντιπροσωπεύει έως και το 60% του μεγέθους της. Όταν συμπεριλαμβάνονται οι ροές λόγω σπρέι η οριζόντια συνιστώσα της ταχύτητας (παράλληλη στην επικρατούσα ροη), η θερμοκρασία και η υγρασία δημιουργούν δομές μεγάλης κλίμακας. Παρόλα αυτά η δομή της κατακόρυφης συνιστώσας της ταχύτητας δεν εμφανίζει σημαντικές διαφοροποιήσεις ανάμεσα στις προσομοιώσεις κάτω από το μέσο του ΘΑΟΣ, ενώ κάποιες διαφορές παρατηρούνται ψηλότερα. Η αυξημένη ροη υγρασίας λόγω της συνεισφοράς του σπρέι δημιουργεί πιο εκτεταμένη νέφωση με την μορφή θαλάσσιου στρωματοσωρείτη. Τα οπτικά παχύτερα σύννεφα έχουν σαν αποτέλεσμα την μείωση της συνολικής επιφανειακής ακτινοβολίας έως και 30Wm^(-2).