Effect of the surface thermal heterogeneities on the Atmospheric Boundary Layer

Abstract

[cat] La Capa L´ımit Atmosf`erica ´es la capa de l’atmosfera que es troba m´es pr`oxima a la superf´ıcie terrestre. En aquesta capa, el gruix de la qual pot variar entre un centenar de metres i un parell de quil`ometres, hi ha un intercanvi constant d’energia i mat`eria. Aquests processos d’intercanvi d’energia que tenen lloc en la Capa L´ımit Atmosf`erica poden ser descrits per l’equaci´o de balan¸c d’energia superficial, on la radiaci´o neta total de la superf´ıcie s’assumeix igual a la suma dels fluxos de calor sensible, calor latent i calor de s`ol que tenen lloc en ella. Per`o des dels anys 80, els cient´ıfics s’han adonat que els termes d’aquesta equaci´o de balan¸c d’energia no es cancel·len quan es fan mesures observacionals. Des d’aleshores, s’estan fent molts estudis per tal de veure a qu`e ´es degut aquest problema: alguns ho atribueixen a errors de mesura, d’altres al fet que no s’identifiquen b´e els fluxos de calor sensible i/o latent, o b´e que hi ha m´es a tenir en compte a banda dels fluxos esmentats anteriorment. En aquest treball hem estudiat quin ´es el paper que juguen les heterogene¨ıtats superficials en aquests processos. Per tal de dur-ho a terme, ens hem endinsat en els mons de la teledetecci´o i la meteorologia mitjan¸cant estudis duts a terme en superf´ıcies heterog`enies tant a escala hectom`etrica com quilom`etrica. Primerament, hem estudiat la variabilitat espacial de la temperatura superficial a escala hectom`etrica en el Campus de la Universitat de les Illes Balears. Hem trobat difer`encies significatives en els valors de la temperatura superficial entre les diferents zones del Campus, tant en els mesos freds com en els c`alids (sent superiors en aquests ´ultims). A m´es, hem pogut comprovar que els sat`el·lits amb resoluci´o espacial menor que la mida de les heterogene¨ıtats no s´on capa¸cos d’observar aquestes difer`encies. En segon lloc, hem estudiat la variabilitat temporal de la relaci´o entre la temperatura de l’aire i la temperatura superficial mesurades in situ en un punt d’aquesta superf´ıcie heterog`enia, aix´ı com la seva depend`encia amb altres variables. Hem observat que durant el dia els valors estan ben correlacionats amb la intensitat del flux de flotabilitat, amb valors m`axims en s`ols molt c`alids i secs. De nit en canvi, no hem trobat correlacions destacades amb cap magnitud. Aquest fet ens indica que el sistema atmosfera-s`ol en conjunt respon a la demanda d’energia de la capa superficial i no permet l’establiment de forts gradients de temperatura en els primers 2 metres m´es pr`oxims a la superf´ıcie. Per tal de fer aquest estudi, hem fet una an`alisi pr`evia sobre els diferents m`etodes i instruments dels que dispos`avem per tal d’obtenir la temperatura superficial. En tercer lloc, hem analitzat la variabilitat espacial d’algunes variables importants com s´on la temperatura de l’aire i del s`ol, la humitat de l’aire i la del s`ol i el vent en aquesta mateixa zona. Els principals resultats d’aquest estudi han estat que durant el dia la variabilitat horitzontal ´es pr`acticament nul·la i predomina la variabilitat vertical i durant la nit predomina la variabilitat horitzontal, per`o tamb´e hi ha variabilitat vertical encara que molt m´es petita. Aix´ı mateix, mitjan¸cant aquestes dades hem estimat els valors de l’advecci´o horitzontal i hem vist que en nits clares amb vents d`ebils, aquestes poden ser majors que els fluxos de calor turbulents. Pel que fa a l’estudi d’heterogene¨ıtats a escales quilom`etriques hem analitzat un cas de transici´o matutina entre el terral i la brisa a Mallorca mitjan¸cant dades mesurades in situ i resultats obtinguts amb el model Meso-NH. D’aquesta manera hem estudiat com es formen i es desenvolupen aquests vents generats degut a una difer`encia de temperatura entre el terra i la mar. Aix´ı mateix, hem comprovat que el model reprodueix realisticament l’organitzaci´o dels fluxos en les capes baixes per`o t´e dificultats en capturar l’acumulaci´o d’aire fred que es forma al centre de la conca. Aquest fet pot estar relacionat amb que els models no s´on capa¸cos de representar correctament els processos que tenen lloc en la capa superficial, especialment de nit. Per acabar, hem analitzat la relaci´o entre la temperatura superficial i els components de l’equaci´o de balan¸c d’energia, on hem obtingut que de dia aquesta temperatura ´es proporcional a la radiaci´o neta, mentre que de nit, dep`en de les condicions en les que es trobe el s`ol. A m´es, hem observat que la temperatura superficial respon m´es bruscament en s`ols secs que en humits. Tamb´e hem vist quan ens trobem en temperatures pr`oximes a les temperatures on es produeixen els canvis de fase, la temperatura superficial t´e un comportament diferent ja que est`a rebent el calor produ¨ıt per aquests canvis de fase. Aquesta tesi ens ha perm`es comprovar que les heterogene¨ıtats superficials: (i) afecten directament a les principals variables atmosf`eriques, superficials i de s`ol; (ii) juguen un paper molt important en les circulacions que ocorren en aquestes zones, tant si s´on a petita o a gran escala; (iii) intervenen en els processos d’intercanvi d’energia que tenen lloc en la interf´ıcie atmosfera-s`ol. Els resultats m´es destacables han estat que les heterogene¨ıtats a petita escala s´on capaces de generar circulacions que poden afectar el sistema s`ol-atmosfera. Per tal de caracteritzar una `area d’estudi, es necessita mesurar en els diferents tipus de superf´ıcies que hi ha, ja que podem trobar difer`encies en la temperatura superficial superiors als 10 ◦C en una mateixa zona, una variabilitat vertical en la temperatura de l’aire en els primers 2 m durant el dia que pot arribar a 5 ◦C i una variabilitat horitzontal en la temperatura de l’aire durant la nit major a 5 ◦C. A m´es, es necessiten instruments que enregistren a freq¨u`encies altes, de manera que puguin percebre els canvis que es produeixen en intervals temporals curts. Amb aquestes mesures, tamb´e hem pogut comprovar en diferents `arees d’estudi, que la temperatura superficial durant la nit no dep´en de la turbul`encia, sin´o dels termes de l’equaci´o de balan¸c d’energia superficial, concretament de la radiaci´o neta i del flux de calor del s`ol.

[spa] La Capa L´ımite Atmosf´erica es la capa de la atm´osfera m´as cercana a la superficie terrestre. En esta capa, la altura de la cual puede variar entre un centenar y un par de kil´ometros, hay un intercambio constante de energ´ıa y de materia. Estos procesos de intercambio de energ´ıa que tienen lugar en la Capa L´ımite Atmosf´erica, pueden ser descritos por la ecuaci´on de balance de energ´ıa superficial, donde la radiaci´on neta total de la superficie se asume igual a la suma de los flujos de calor sensible, calor latente y calor de suelo que tienen lugar en la misma. Pero desde los a˜nos 80, los cient´ıficos se han percatado que los t´erminos de esta ecuaci´on de balance de energ´ıa superficial no se cancelan cuando se miden experimentalmente. Desde entonces, se est´an realizando muchos estudios para ver a que es debido este problema: algunos lo atribuyen a errores de medida, otros al hecho de que no se identifican bien los flujos de calor sensible y/o latente, o bien que hay m´as a tener en cuenta a parte de estos flujos. En este trabajo hemos estudiado cual es el papel que juegan las heterogeneidades superficiales en estos procesos. Por tal de llevarlo a cabo, hemos utilizado y relacionado conceptos de teledetecci´on y de meteorolog´ıa, mediante estudios llevados a cabo en superficies heterog´eneas a escala hectom´etrica. Primero hemos obtenido la variabilidad espacial de la temperatura superficial a escala hectom´etrica en el Campus de la Universitat de les Illes Balears. Donde hemos encontrado diferencias significativas en los valores de la temperatura superficial entre las diferentes zonas del Campus, tanto en los meses fr´ıos como en los c´alidos (siendo superiores en estos ´ultimos). Adem´as, hemos podido comprobar que los sat´elites con resoluci´on espacial menor que el del tama˜no de las heterogeneidades, no son capaces de observar estas diferencias. En segundo lugar, hemos estudiado la variabilidad temporal de la relaci´on entre la temperatura del aire y la temperatura superficial medidas in situ en un punto de esta superficie heterog´enea, as´ı como su dependencia con otras variables. Adem´as hemos observado que durante el d´ıa los valores est´an bien correlacionados con la intensidad del flujo de flotabilidad, siendo estas correlaciones mayores en suelos muy c´alidos y secos. De noche en cambio, no hemos encontrado correlaciones destacables con ninguna magnitud. Este hecho nos indica que el sistema atmosf´era-suelo responde en conjunto a la demanda de energ´ıa de la capa superficial y no permite el establecimiento de fuertes gradientes de temperatura en los primeros 2 metros de altura m´as cercanos a la superficie. Para llevar a cabo este estudio, hemos realizado un an´alisis previo sobre los diferentes m´etodos y instrumentos de los que dispon´ıamos para obtener la temperatura superficial. En tercer lugar, hemos analizado la variabilidad espacial de algunas variables importantes como son la temperatura del aire y la del suelo, la humedad del aire y la del suelo y el viento en esta misma zona de estudio (el Campus de la Universitat de les Illes Balears). Los resultados principales de este estudio han sido, que durante el d´ıa la variabilidad horizontal es pr´acticamente nula y predomina la variabilidad vertical, y durante la noche en cambio, la variabilidad horizontal predomina pero la vertical no es nula. As´ı mismo, mediante estos datos hemos podido estimar los valores de la advecci´on horizontal, y hemos visto que en noches claras con vientos d´ebiles, estas pueden ser mayores que los flujos turbulentos. En cuanto al estudio de las heterogeneidades a escalas kilom´etricas, hemos analizado un caso de transici´on matutina entre la brisa de tierra y la de mar en Mallorca, mediante datos medidos in situ y con resultados obtenidos con el modelo Meson-NH. De esta forma, hemos estudiado como se forman y se desarrollan estos vientos generados debido a una diferencia de temperatura entre la tierra y el mar. As´ı mismo, se ha comprobado que el modelo reproduce real´ısticamente la organizaci´on de los flujos en las capas bajas, pero tiene dificultades para capturar la acumulaci´on de aire fr´ıo que se forma en el centro de la cuenca. Este hecho puede estar relacionado con que los modelos no son capaces de representar correctamente los procesos que tienen lugar en la capa superficial, especialmente de noche. Para terminar, hemos analizado la relaci´on entre la temperatura superficial y las componentes de la ecuaci´on de balance de energ´ıa superficial, donde hemos obtenido que durante el d´ıa esta temperatura es proporcional a la radiaci´on neta, mientras que por la noche, depende de las condiciones en las que se encuentre el suelo. Adem´as hemos observado que la temperatura superficial responde m´as bruscamente en suelos secos que en los h´umedos. Tambi´en hemos visto, que cuando nos encontramos a temperaturas que son cercanas a las temperaturas en las que se producen los cambios de fase, la temperatura superficial tiene un comportamiento diferente, ya que est´a recibiendo el calor producido por estos cambios de fase. Esta tesis nos ha permitido comprobar que las heterogeneidades superficiales: (i) afectan directamente a las principales variables atmosf´ericas, superficiales y de suelo; (ii) juegan un papel muy importante en las circulaciones que ocurren en estas zonas, tanto si son a peque˜na o a gran escala; (iii) intervienen en los procesos de intercambio de energ´ıa que tienen lugar en la interfaz atmosf´era-suelo. Los resultados m´as destacables han sido que las heterogeneidades a peque˜na escala son capaces de generar circulaciones que pueden afectar el sistema suelo-atm´osfera. Para caracterizar una ´area de estudio, se necesita medir en los diferentes tipos de superficies que hay, puesto que podemos encontrar diferencias en la temperatura superficial superiores a los 10 ◦C en una misma zona, una variabilidad vertical en la temperatura del aire en los primeros 2 m durante el d´ıa que puede llegar a 5 ◦C y una variabilidad horizontal en la temperatura del aire durante la noche mayor que 5 ◦C. Adem´as, se necesitan instrumentos que registren a frecuencias altas, de forma que puedan percibir los cambios que se producen en intervalos temporales cortos. Con estas medidas, tambi´en hemos podido comprobar en diferentes ´areas de estudio, que la temperatura superficial durante la noche no depende de la turbulencia, sino de los t´erminos de la ecuaci´on de balance de energ´ıa superficial, concretamente de la radiaci´on neta y del flujo de calor del suelo.

[eng] The Atmospheric BoundaryLayer is the layer of the atmosphere that is closest to the Earth’s surface. In this layer, which height can vary between a hundred and a couple of kilometers, there is a constant exchange of energy and matter. These energy exchange processes can be described by the Surface Energy Balance Equation, where the total net radiation of the surface is the same to the sum of the fluxes of sensible heat, latent heat and heat of the ground. Since the 80s, different experimental studies have shown that the terms of the surface energy balance do not cancel out due to several reasons: some attribute it to measurement errors, others to the fact that sensible and/or latent heat fluxes are not well identified, others that there are more to take into account apart from these fluxes. In this work, we have studied which is the role of the superficial heterogeneities in these processes. In order to carry it out, we have used and related concepts of remote sensing and meteorology, through studies carried out on heterogeneous surfaces at hectometric scale. First we have obtained the spatial variability of the surface temperature at the hectometric scale in the Campus of the University of the Balearic Islands. We have found significant differences in the values of the surface temperature between the different areas of the Campus, in the cold months and in the warm ones (being higher in the latter). In addition, we have been able to verify that the satellites with lower spatial resolution than the size of the heterogeneities, are not able to observe these differences. Secondly, we have studied the temporal variability of the relation between the air temperature and the Land Surface Temperature measured in situ at one point of this heterogeneous surface, as well as its dependence on other variables. We have observed that during the day the values are well correlated with the intensity of the buoyancy flow, with larger correlations in very hot and dry soils. At night, we have not found remarkable correlations with any magnitude. This fact indicates that the atmosphere-soil system responds together with the energy demand of the surface layer and does not allow the establishment of strong temperature gradients in the first 2 meters above ground level. To carry out this study, we have realised a preliminary analysis on the different methods and instruments that were available to obtain the Land Surface Temperature. Thirdly, we have analysed the spatial variability of some important variables such as air temperature, soil temperature, air and soil humidity, and wind in this same area of study. The main results of this study have been that during the day the horizontal variability is practically null and the vertical variability predominates, and during the night instead, the horizontal variability predominates but the vertical variability is not null. Likewise, by analysing these data we have been able to estimate the values of the horizontal advection, and we have seen that on clear nights with weak winds, these may be larger than the turbulent fluxes. Regarding the study of the heterogeneities at the kilometric scales, we have analysed a case of Morning Transition between the Land and the Sea-Breeze in Mallorca, using in situ data together with results obtained with the Meson-NH model. In this way, we have studied how these generated winds are formed and developed due to a temperature difference between the land and the sea. Likewise, it has been verified that the model reproduces the organization of the flows in the lower layers but it has difficulties in capturing the accumulation of cold air that was formed in the center of the basin. This fact can be related to the fact that the models are not able to correctly represent the processes that take place in the Surface Layer, specially at night. To finish, we have analysed the relation between the Land Surface Temperature and the components of the Surface Energy Balance Equation, where we have obtained that during the day this temperature is proportional to the net radiation, while at night, it depends on the conditions of the soil. In addition, we have observed that the Land Surface Temperature responds more sharply in dry soils than in wet soils. We have also seen that if the temperatures are close to the temperatures at which the phase changes occur, the Land Surface Temperature has a different behaviour, since it is receiving the heat produced by these phase changes. This thesis has allowed us to verify that superficial heterogeneities: (i) directly affect the main atmospheric, surface and soil variables; (ii) play a very important role in the circulations that occur in these zones, whether they are small or large scale; (iii) intervene in the processes of energy exchange that take place in the atmosphere-soil exchanges. The most remarkable results have been that small-scale heterogeneities are capable of generating circulations that can affect the soil-atmosphere system. To characterize a study area, it is necessary to make measurements in the different types of surfaces that there are, since we can find differences in land surface temperature higher than 10 ◦C in the same area, a vertical variability in the air temperature in the first 2 m during the day that can reach 5 ◦C and a horizontal variability in the air temperature during the night greater than 5 ◦C. In addition, instruments that record at high frequencies are needed, so that they can perceive the changes that occur in short time intervals. With these measurements, we have also been able to verify in different areas of study, that the Land Surface Temperature during the night does not depend on the turbulence, but depends on the terms of the surface energy balance equation, specifically of net radiation and the heat flux of the ground.