Effect of the surface thermal heterogeneities on the atmospheric boundary layer

Resumen

Català: La Capa Límit Atmosfèrica és la capa de l'atmosfera que es troba més pròxima a la superfície terrestre. En aquesta capa hi ha un intercanvi constant d'energia i matèria que es pot descriure amb l'equació de balanç d'energia superficial, on la radiació neta de la superfície s'assumeix igual a la suma dels fluxos de calor sensible, latent i calor de sòl que tenen lloc en ella. Però des dels anys 80, els científics s'han adonat que els termes d'aquesta equació de no es cancel·len quan es fan mesures observacionals. Des d'aleshores, s'estan fent molts estudis per tal de veure a què és degut aquest problema. En aquest treball hem estudiat quin és el paper que juguen les heterogeneïtats superficials en aquests processos. Per tal de dur-ho a terme, ens hem endinsat en els mons de la teledetecció i la meteorologia mitjançant estudis duts a terme en superfícies heterogènies. Primerament, hem estudiat la variabilitat espacial de la temperatura superficial (LST) a escala hectomètrica en el Campus de la Universitat de les Illes Balears. Hem trobat diferències significatives en els valors de LST entre els diferents terrenys, tant en els mesos freds com en els càlids (sent superiors en aquests últims). A més, hem pogut comprovar que els satèl·lits amb resolució espacial menor que la mida de les heterogeneïtats no són capaços d'observar aquestes diferències. En segon lloc, hem estudiat la variabilitat temporal de la relació entre la temperatura de l'aire i superficial mesurades en un punt d'aquesta superfície, així com la seva dependència amb altres variables. Hem observat que de dia els valors estan ben correlacionats amb la intensitat del flux de flotabilitat, amb valors màxims en sòls molt càlids i secs, però de nit no hem trobat correlacions destacades amb cap magnitud. Aquest fet ens indica que el sistema atmosfera-sòl 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. També hem analitzat la variabilitat espacial d'algunes variables importants: temperatura de l'aire i la del sòl, humitat de l'aire i la del sòl i el vent en aquesta mateixa zona. Els principals resultats d'aquest estudi han estat que durant el dia la variabilitat horitzontal és pràcticament nul·la i predomina la variabilitat vertical i durant la nit predomina la variabilitat horitzontal, però també hi ha variabilitat vertical encara que molt més petita. Així mateix, mitjançant aquestes dades hem estimat els valors de l'advecció horitzontal i hem vist que en nits clares amb vents dèbils, aquestes poden ser majors que els fluxos de calor turbulents. Pel que fa a l'estudi d'heterogeneïtats a escales quilomètriques hem analitzat un cas de transició matutina entre el terral i la brisa a Mallorca mitjançant dades mesurades 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 diferència de temperatura entre el terra i la mar. També hem comprovat que el model reprodueix l'organització dels fluxos en les capes baixes però té dificultats en capturar l'acumulació d'aire fred que es forma al centre de la conca, fet relacionat amb que els models no són capaços de representar correctament els processos que tenen lloc en la capa superficial, especialment de nit. Aquesta tesi ens ha permès comprovar que les heterogeneïtats superficials: (i) afecten directament a les principals variables atmosfèriques, superficials i de sòl; (ii) juguen un paper molt important en les circulacions que ocorren en aquestes zones, tant si són a petita o a gran escala; (iii) intervenen en els processos d'intercanvi d'energia que tenen lloc en la interfície atmosfera-sòl. English: The Atmospheric Boundary Layer is the layer of the atmosphere that is closest to the Earth's surface. In this layer there is a constant exchange of energy and matter that can be described by the Surface Energy Balance Equation, where the net radiation of the surface is the same to the sum of the fluxes of sensible heat, latent heat and heat of the ground. But since the 80s, scientists have realised that the terms of this equation do not cancel out when they are measured experimentally. Since then, many studies are being conducted to see what this problem is due to. 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. 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 (LST) measured at one point of this surface, as well as its dependence on other variables. 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. Thirdly, we have analysed the spatial variability of some important variables: air and 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 and 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 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.