Ponencia presentada en: I Congreso de la Asociación Española de Climatología “La climatología española en los albores del siglo XXI”, celebrado en Barcelona del 1 al 3 de diciembre de 1999.[ES]Dada la relación existente entre la capa límite atmosférica y el clima, se presenta un estudio de los diversos estados que puede presentar la capa límite atmosférica nocturna. Se analiza mediante la observación directa y remota y la simulación, el comportamiento de los distintos flujos turbulentos de calor y de momento que van a representar la interacción entre la micro y la macroescala.[EN]Knowing the relation between the atmospheric boundary layer and the climate, in this work we present a study of the different behaviour that the nocturnal atmospheric boundary layer shows.
We have analyzed by means of simulation, and directly and remote measurements its different fluxes of heat and momentum in the ABL, since these fluxes are going to represent the relationship between the micro and the macroscale.Los datos de este estudio se han obtenido a partir de la campaña SABLES 98, financiada por la “Comisión Interministerial de ciencia y tecnología (CICYT), programa Clima”, proyecto CLI97-0343

Conangla Triviño, Laura

Espinalt Gamisans, Anna

Ferreres, E.

Soler, María Rosa

Spanish

Ferreres Soler, Enriqueta

Agencia Estatal de Meteorología

147 ANÁLISIS DE LA CAPA LÍMITE ATMOSFÉRICA YSU RELACIÓN CON EL CLIMALaura CONANGLA TRIVIÑO*,  Anna ESPINALT GAMISANS **,Enriqueta FERRERES SOLER*  y  M.Rosa SOLER DUFFOUR***  Dept.  de Física Aplicada. Universitat Politècnica de Catalunya**  Dept.  d’Astronomia i Meteorologia. Universitat de BarcelonaRESUMENDada la relación existente entre la capa límite atmosférica y el clima, se presenta un estudio de losdiversos estados que puede presentar la capa límite atmosférica nocturna. Se analiza mediante laobservación directa y remota y la simulación, el comportamiento de los distintos flujos turbulentosde calor y de momento que van a representar la interacción entre la micro y la  macroescala.Palabras clave: Capa límite atmosférica, clima, análisis estadístico, sodar, simulación.ABSTRACTKnowing the relation between the atmospheric boundary layer and the climate, in this work wepresent a study of the different behaviour that the nocturnal atmospheric boundary layer shows.We have analyzed by means of simulation, and directly and remote measurements its different fluxesof heat and momentum in the ABL, since these fluxes are going to represent the relationshipbetween the micro and the macroscale.Key words: Atmospheric Boundary Layer, climate, statistic analysis, acoustic sounder, simulation.1. INTRODUCCIÓN1.1  La capa límite atmosférica (Atmospheric Boundary Layer - ABL)La influencia de la superficie terrestre en las primeras capas de atmósfera, (1-2 km), forma la denomi-nada capa límite atmosférica, (ABL), muy distinta del resto de la atmósfera. Su evolución estádirectamente afectada por las características de la superficie, la transferencia de calor, la evapora-ción, la emisión de contaminantes, ... Cúmulos y estratocúmulos se encuentran en esta capa yafectan a su comportamiento. Una de las características que distingue esta capa del resto de laatmósfera es la turbulencia, como proceso de transporte más importante.La estructura de la capa límite está intensamente influenciada por la variación del ciclo diurno decalentamiento y enfriamiento de la superficie. Durante el día, en condiciones de cielo despejado, elL. CONANGLA TRIVIÑO,  A. ESPINALT GAMISANS , E. FERRERES SOLER y  M.R. SOLER DUFFOUR148grosor de esta capa puede crecer hasta unos 1000-2000m; su turbulencia es intensa y conducidafundamentalmente por el calentamiento de la superficie, provocando fuerte mezcla vertical. Cerca dela puesta de sol, la radiación solar que llega a la superficie decrece y se hace cero, momento en quela superficie empieza a enfriarse, desaparece la alimentación de los movimientos convectivos y laturbulencia decae; respondiendo a este enfriamiento se va formando una capa con estratificaciónestable “capa estable nocturna”, cuyo espesor alcanza los 100-300m, con una turbulencia muchomenos difusiva, de modo que los contaminantes permanecen cerca de la superficie. Al salir el sol lanueva convección destruye la capa estable y el ciclo se repite.1.2  La importancia de la capa límite en el climaAl relacionar el clima con la capa límite, nos formulamos las siguientes preguntas: ¿puede afectar lacapa límite en el clima?, ¿los cambios climáticos influyen en la capa límite ?.En lo que se refiere a la primera pregunta deberíamos considerar dos aspectos:En primer lugar, el forzamiento radiativo del sistema climático está determinado, en parte, por ladistribución de nubes. La capa límite es la que controla la evaporación y redistribución turbulentadel agua en la atmósfera, afectando la distribución global de cúmulos y estratocúmulos.En segundo lugar, la circulación atmosférica tiene como fuente importante de energía los flujosturbulentos de calor sensible y latente en la superficie, y además, la fricción en la ABL contribuyeeficazmente a la generación de energía cinética turbulenta. Esta capa es la que controla directamentela interacción de la atmósfera con la superficie de la tierra y los océanos; si cambia la naturaleza dela superficie de la tierra los flujos variarán, y en consecuencia la atmósfera y el clima.Como respuesta a la segunda pregunta, también consideraremos dos aspectos:En primer lugar, un incremento en la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera afectaríaa la radiación de onda larga y por tanto al papel que ejerce en el enfriamiento turbulento de la capanocturna.En segundo lugar, a consecuencia del aumento en las concentraciones de gases de efecto inverna-dero se predice un aumento en las temperaturas. La temperatura de la superficie puede afectar a losflujos superficiales de calor sensible y calor latente en superficies húmedas modificando el balanceenergético y la estructura de esta capa.Finalmente, remarcar que el conocimiento de la ABL tiene una trascendencia importante en lamodelización del clima, cuyo problema principal es el de describir los efectos de los fenómenos quesuceden en escalas más pequeñas de las utilizadas. La interacción entre escalas no es lineal, impli-cando un deterioro en la simulación. Podríamos considerar que la capa límite diurna está lo suficien-temente estudiada y correctamente parametrizada, mientras que la capa nocturna aún requiere mu-cho esfuerzo por nuestra parte. En este trabajo mostraremos, mediante la experimentación y lamodelización, algunos comportamientos de la capa nocturna con el propósito de contribuir al pos-terior estudio del sistema climático.149ANÁLISIS DE LA CAPA LÍMITE ATMOSFÉRICA Y SU RELACIÓN CON EL CLIMA2.  CAMPAÑA EXPERIMENTAL SABLES 98La campaña experimental SABLES 98 (Stable Atmospheric Boundary Layer Experiment in Spain) serealizó en Septiembre de 1998, durante el período del 10 al 27, en el norte de Castilla, con el objetivode estudiar la capa estable nocturna. El lugar de campaña se sitúa en el centro de una área elevaday llana de 80 km2.El equipo utilizado en esta campaña fue:- Una torre de 100m completamente instrumentada por el laboratorio nacional de Risoe (Dina-marca), con sensores de respuesta lenta en cinco niveles (viento, humedad y temperatura), tresanemómetros sónicos, un conjunto de 15 termopares y un sensor de temperatura de superficie deinfrarrojo.- Una torre de 10m instrumentada por la Universidad de Barcelona, con sensores de respuestalenta en tres niveles (temperatura, velocidad del viento y dirección, y humedad), dos anemómetrossónicos, sensor de radiación neta y en el suelo sensores de humedad, temperatura y flujo de calor.- Un globo cautivo, ascendiendo y descendiendo en las noches con viento suave.- Un Sodar  estudiando los primeros 400m.El  Sodar (Sonic Detecting and Ranging) es un instrumento de detección remota que utiliza tresantenas (orientadas en direcciones Norte, Este y vertical) trabajando en forma secuencial emitiendocortos y potentes pulsos sonoros que en su propagación por la atmósfera sufren una refraccióncausada por el viento y por las inhomogeneidades térmicas a muy pequeña escala, es decir por laturbulencia atmosférica. Esta refracción es la que provoca una dispersión del sonido de forma queel sistema detecta la energía retrodispersada, y mediante el estudio del efecto  Doppler y de laenergía recibida en la superficie, (intensidad de eco, S) el Sodar permite obtener los perfiles vertica-les del viento en sus tres componentes, sus desviaciones típicas, así como las distintas estructurastérmicas asociadas a la ABL.Como complemento a la observación de la ABL utilizamos la simulación. En condiciones establesobtenemos buenos resultados utilizando un modelo de capa estable nocturna. El modelo resuelvelas ecuaciones de viento, temperatura potencial y humedad en función de la altura bajo condicionesde estado estacionario y homogeneidad horizontal. Los flujos turbulentos y las varianzas de lasvariables se determinan utilizando un modelo de segundo orden. El flujo de calor en el suelo seobtiene mediante un amplio estudio de la difusión calorífica del suelo considerando tres niveles(suelo, superficie, vegetación). La superficie se enfría por radiación de onda larga, utilizando laaproximación de cuerpo gris. Se imponen los valores del perfil del viento geostrófico y se inicializael modelo con los perfiles de temperatura y viento.3. COMPARACIÓN DE MEDIDAS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOSSe estudian dos  noches (15-16).09.1988 y (19-20).09.1998  que presentan distintos comportamientosde tipo turbulento.L. CONANGLA TRIVIÑO,  A. ESPINALT GAMISANS , E. FERRERES SOLER y  M.R. SOLER DUFFOUR150Inversión de radiación nocturna Presencia de globosFigura 1   Ecograma obtenido desde el atardecer (18:55 UTM) del día 15.09.1998 hasta doce horasdespués (06:55 UTM, 16.09.1998).3.1 Noche (15-16).09.1998Durante la noche (15-16).09.1998 la parte más baja de la Capa Estable Nocturna (SBL) está influenciadapor una fuerte inversión de carácter radiativo cubriendo los primeros metros sobre el nivel del suelo,aunque el efecto de la turbulencia mecánica también esté presente se ha de considerar en menormedida. Este fenómeno queda reflejado en el ecograma (Fig. 1) con un fuerte retorno de eco en losniveles más bajos. Merece especial atención destacar la presencia de erróneas estructurasfilamentosas, con elevados retornos de intensidad de eco, que se repiten a lo largo de la noche y queestán asociadas a los continuos sondeos de globo cautivo.Durante las primeras horas de la noche el ecograma muestra una clara ausencia de retorno de eco entodos los niveles debida a un período de poca turbulencia quedando reflejado en los bajos valoresde la energía cinética turbulenta, TKE, obtenidos mediante los tres anemómetros sónicos de la torre-100m; en la figura 3 se muestran los valores referentes al nivel de 13m.  Del mismo modo, los flujosde calor y momento toman valores muy pequeños, así como el viento (Fig. 2), indicando un períodode profunda estabilidad.Alrededor de las 22:30 UTM empieza un período en el que se observa un aumento de la intensidadde eco en los niveles próximos al suelo asociados a pequeños aumentos de la TKE. En este caso, losflujos de calor y momento aumentan ligeramente tomando valores cercanos a –7·10-3 K·m/s y 2.25·10-2m2/s2 respectivamente e indicando todavía una situación claramente estable que se mantiene a lolargo del resto de la noche..151ANÁLISIS DE LA CAPA LÍMITE ATMOSFÉRICA Y SU RELACIÓN CON EL CLIMAPeríodos con actividad  turbulentaFigura 4  Ecograma obtenido desde el atardecer (18:02 UTM) del día 19.09.1998 hasta doce horas después(06:02 UTM, 20.09.1998).Figura 2  Evolución del módulo del viento durantela noche 15-16.Figura 3  Evolución de la energía cinéticaturbulenta durante las noches 15-16 y 19-20.0123456789101118:0019:0020:0021:0022:0023:0000:0001:0002:0003:0004:0005:0006:0007:00Tiempo (UTM)Módulo viento (m/s)100 m50 m20 m10 m0.000.050.100.150.200.250.300.350.400.450.5018:0019:0020:0021:0022:0023:0000:0001:0002:0003:0004:0005:0006:0007:00Tiempo (UTM)TKE (m2 /s2 )Noche 15-16Noche 19-20. ..3.2 Noche (19-20).09.1998La figura 4 muestra una noche con una activa intensidad turbulenta. La presencia de tres estructu-ras de intensidad de eco, S, claramente asociadas a tres estados distintos de turbulencia pueden serobservadas en dicha figura.L. CONANGLA TRIVIÑO,  A. ESPINALT GAMISANS , E. FERRERES SOLER y  M.R. SOLER DUFFOUR1520 120 240 360 480 600 720Tiempo de simulación (min)50100150200250Altura (m)277279281283285287289291293Temperatura potencial (K)  -  Noche 15-160 120 240 360 480 600 720Tiempo de simulación (min)50100150200250Altura (m)278280282284286288290292294Temperatura potencial (K)  -   Noche 19-200123456789101118:0019:0020:0021:0022:0023:0000:0001:0002:0003:0004:0005:0006:0007:00Tiempo (UTM)Módulo viento (m/s)100 m50 m20 m10 mFig. 5.  Evolución del módulo del viento durantela noche 19-20.    4                6    4    2        Así, el primer intervalo (de 18 UTM a 22 UTM) está caracterizado por un fuerte retorno de S dentrode los primeros 75m asociado con elevados valores de energía cinética turbulenta  (Fig. 3 ). Losflujos de calor y de momento son elevados (del orden de -0,02 K×m/s y 0,033 m2/s2, respectivamente)indicando un período de activa turbulencia.El citado período termina repentinamente a las22 UTM, iniciándose otro con clara tendencia ala estabilidad, que se mantiene hasta las 03 UTMde la madrugada y que se pone de manifiestocon un casi nulo retorno de eco dentro de todala estructura de la ABL. En él, los valores deTKE (Fig. 3), así como los de viento (Fig. 5), ylos flujos de calor y momento decaen brusca-mente en todos los niveles indicando una claratendencia a la estabilidad.El último período (03 UTM a 05:30 UTM) mues-tra un aumento de la intensidad de eco aunquelocalizado fuera de los niveles próximos al sueloy, en términos generales, menor que en el primerperíodo. Este fenómeno coincide con un ligeroaumento de los valores de TKE asociados con la intensificación del viento en los niveles superioresmientras que en los cercanos al suelo se mantiene la tendencia del período anterior. Así, los flujos decalor y momento aumentan ligeramente.3.3  SimulaciónUtilizando el modelo de capa estable, simulamos durante doce horas el comportamiento de la capanocturna atmosférica. Lo inicializamos con los perfiles de temperatura potencial y viento obtenidosmediante el globo cautivo lanzado aproximadamente a las 7 de la tarde e imponemos los valores delperfil del viento geostrófico.153ANÁLISIS DE LA CAPA LÍMITE ATMOSFÉRICA Y SU RELACIÓN CON EL CLIMA0 120 240 360 480 600 720Tiempo de simulación (min)50100150200250Altura (m)0.0E+0001.0E-0022.0E-0023.0E-0024.0E-0025.0E-0026.0E-0027.0E-0028.0E-002Energía cinética turbulenta (m/s·m/s)  -  Noche 19-20Figura 6  Simulación de la evolución temporal de los perfiles de temperatura potencial, módulo del viento,flujos de momento y calor y energía cinética turbulenta, durante las noches 15-16 y 19-20 (19:00-7:00 UTM).0 120 240 360 480 600 720Tiempo de simulación (min)50100150200250Altura (m)0.81.21.62.02.42.83.23.64.0Módulo del viento (m/s)  -  Noche 15-160 120 240 360 480 600 720Tiempo de simulación (min)50100150200250Altura (m)0.01.02.03.04.05.0Módulo del viento (m/s)  -  Noche 19-200 120 240 360 480 600 720Tiempo de simulación (min)50100150200250Altura (m)0.0E+0001.0E-0032.0E-0033.0E-0034.0E-0035.0E-0036.0E-003Flujo de momento (m/s·m/s)  -  Noche 15-160 120 240 360 480 600 720Tiempo de simulación (min)50100150200250Altura (m)0.0E+0004.0E-0038.0E-0031.2E-0021.6E-0022.0E-0022.4E-002Flujo de momento (m/s·m/s)  -  Noche 19-200 120 240 360 480 600 720Tiempo de simulación (min)50100150200250Altura (m)-1.0E-003-9.0E-004-8.0E-004-7.0E-004-6.0E-004-5.0E-004-4.0E-004-3.0E-004-2.0E-004-1.0E-0040.0E+000Flujo de calor (K·m/s)  -  Noche 15-160 120 240 360 480 600 720Tiempo de simulación (min)50100150200250Altura (m)-3.2E-003-2.8E-003-2.4E-003-2.0E-003-1.6E-003-1.2E-003-8.0E-004-4.0E-0040.0E+000Flujo de calor (K·m/s)  -  Noche 19-200 120 240 360 480 600 720Tiempo de simulación (min)50100150200250Altura (m)0.0E+0004.0E-0038.0E-0031.2E-0021.6E-0022.0E-0022.4E-002Energía cinética turbulenta (m/s·m/s)  -  Noche 15-16oL. CONANGLA TRIVIÑO,  A. ESPINALT GAMISANS , E. FERRERES SOLER y  M.R. SOLER DUFFOUR154En la figura 6, mostramos la evolución de los perfiles de viento, temperatura potencial, flujo demomento y calor, y energía cinética turbulenta. Observamos una gran diferencia entre el comporta-miento de las dos noches.Existe una fuerte inversión de temperatura y una tendencia al enfriamiento en los primeros metros,coincidiendo con lo que se observaba en las medidas directas.En la noche 15-16 el viento crece con la altura alcanzando un máximo en el techo de la capa estable(low-level jet), indicando una típica situación de estabilidad. En la noche 19-20 se observa como elviento en todos los niveles disminuye con el tiempo y después aumenta tal como mostrábamos apartir de las medidas directas. En ambos casos, el modelo subestima los valores de viento.Los flujos de momento y calor, así como la energía cinética turbulenta presentan un comportamientototalmente similar al comentado en los apartados 3.1 y 3.2. Durante la noche 15-16, todos estosvalores son muy pequeños indicando una fuerte estabilidad; en cambio, en la noche 19-20, sepueden ver 3 intervalos claramente diferenciados: el primero con una activa turbulencia, el segundocon una clara tendencia a la estabilidad y el tercero con un ligero incremento de la turbulencia. Entodos los casos el modelo subestima los resultados.5. CONCLUSIONESEn este trabajo se ha pretendido mostrar mediante la experimentación y la modelización, la importan-cia que tiene el estudio en detalle de la capa límite atmosférica y, en particular, de la capa establenocturna. La generación de flujos de momento, calor y en general, de energía cinética sobre unmismo tipo de superficie puede ser diversa y, por tanto, diverso también el “input” que suponenestos flujos a distintas escalas.  Ello puede inducir circulaciones atmosféricas distintas afectando alsistema climático y, en general, al clima.REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICASGARRATT, J.R. (1992): The atmospheric boundary layer, Cambridge, University Press, 315 pp.LENSCHOW, D.H. (1986): Probing the Atmospheric Boundary Layer, Boston, AmericanMeteorological Society, 269 pp.OKE, T.R. (1987): Boundary Layer Climates, London, Routledge, 435 pp.STULL, R.B. (1993): An Introduction to Boundary Layer Meteorology, Dordrecht, Kluwer AcademicPublishers, 666 pp.AGRADECIMIENTOSLos datos de este estudio se han obtenido a partir de la campaña SABLES 98, financiada por la“Comisión Interministerial de ciencia y tecnología (CICYT), programa Clima”, proyecto CLI97-0343.La simulación numérica se ha realizado utilizando los recursos de CESCA y CEPBA, coordinadospor C4 (Centre de Computació i Comunicacions de Catalunya).

Análisis de la capa límite atmosférica y su relación con el clima

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