Cumulus boundary layers in the atmosphere : high resolution models and satellite observations

Tese de doutoramento, Ciências Geofísicas e da Geoinformação (Meteorologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2011This project intends to explore some of the challenges on the representation of the Planetary Boundary Layer (PBL) using both high resolution models and state of the art observations. Some of the issues related the different types of boundary layers are highlighted in the context of a model intercomparison at a transect in the northeast Pacific that served as a benchmark for studying cloud regimes and transitions between them. Several model biases were detected and even reanalysis products do not show reasonable comparisons against observations in terms of low-cloud related variables. The transition from shallow to deep convection over land is a key process in the diurnal cycle of convection over land. High resolution simulations were analyzed the ability of the model to reproduce observed precipitation characteristics and its sensitivity to horizontal resolution and to the evaporation of precipitation. The latter physical process influences the development of new convection by increasing the thermodynamic heterogeneities at the PBL through the formation of cold pools which result from convective downdrafts. At the later stages of the transition these features dominate the PBL behavior, as the turbulent length scales increase up to several times the size of the PBL height. Results are however quite sensitive to model resolution. At the observational perspective, the Atmospheric Infrared Sounder was used to characterize the PBL properties in a variety of situations. An algorithm for PBL height determination was developed and validated against radiosondes launched at the Rain in Cumulus over the Ocean campaign. The encouraging results of the validation led to the calculation of a PBL height climatology over the tropical, subtropical and midlatitude oceans. Results were then compared to similar estimates from collocated profiles from ERA-Interim, revealing similar geographical distribution and seasonal variations. Diurnal variability is much different between both datasets which warrants further investigations.A camada limite planetária (CLP) apresenta desafios tanto em termos observacionais como em termos da sua modelação numérica. O seu papel no sistema climático traduz-se na mediação das interacções entre a superfície e a troposfera livre, através de fluxos turbulentos de calor, humidade , momento e outros constituintes químicos e aerossóis. A estrutura da CLP encontra-se profundamente relacionada com as condições climatéricas de uma dada região, em particular com tipo de nuvens predominantes. A intercomparação de modelos realizada sobre uma secção no Pacífico nordeste pretendeu avaliar a capacidade dos modelos de representar os diversos processos associados aos diversos regimes de nuvens presentes na região. A secção mostrou-se indicada para este exercício, pois além de amostrar as características principais das células de Walker e Hadley, é também representativa das transições que ocorrem entre nuvens estratiformes que ocorrem ao largo da costa da California, nuvens tipo cumulus pouco profundos na região dos Alíseos e nuvens tipo cumulonimbos que ocorrem preferencialmente na Zona Intertropical de Convergência (ITCZ). Os resultados da comparação evidenciaram as enormes discrepâncias que existem entre modelos em termos da representação dos processos associados às nuvens. Além dos modelos, a própria reanálise ERA-40 mostrou diferenças significativas quando comparada com observações de detecção remota dedicadas a esses processos. A transição de entre convecção pouco profunda para convecção profunda é o processo que domina a fase matinal do ciclo diurno da convecção sobre terra nos trópicos, e a sua representação na maioria dos modelos de larga escala apresenta graves deficiências, com o pico da precipitação a ocorrer no período na manhã, enquanto as observações mostram que o mesmo ocorre a meio da tarde. Os modelos tendem a usar um fecho para a parameterização da convecção baseado no conceito de energia potencial disponível para a convecção (CAPE), que activa a convecção profunda demasiado cedo, sendo que as simulações de alta resolução têm mostrado que o processo é bastante mais gradual: inicia-se com a formação de uma camada limite bem misturada, seguida da formação de cumulus pouco profundos que humidificam as camadas inferiores da troposfera, para então se dar a transição para convecção profunda. Neste projecto realizaram-se simulações de alta resolução deste processo usando o modelo MesoNH, por forma a estudar a capacidade do modelo de reproduzir as características da precipitação e a sensibilidade dos resultados à resolução do modelo e à evaporação da precipitação. Este vi último processo físico desempenha um papel fundamental no estabelecimento da fase madura do regime de convecção profunda. Isto porque ao evaporar, a precipitação arrefece o ar, causando fortes correntes descendentes que ao atingir a superfície se espraiam sob a forma de correntes gravíticas. Nos limites destas correntes, fortes gradientes termodinâmicos forçam o ar da CLP a subir, originando novas térmicas que eventualmente formam novas células convectivas. Nas fases finais da transição, estas perturbações dominam o comportamento da CLP, tal como indicam os diagnósticos espectrais das escalas de comprimento dominantes. Esta análise mostra que o tamanho dos turbilhões na CLP varia desde a dimensão típica da altura da CLP na fase de convecção pouco profunda até dimensões que superam várias vezes essa escala típica na fase de convecção profunda. Esse comportamento é totalmente distinto na simulação sem evaporação de precipitação, com os turbilhões a manterem dimensões associadas à altura da CLP durante todo o processo. Os resultados revelam contudo uma grande sensibilidade à resolução do modelo, com evoluções bastante distintas no alcance vertical da convecção nas simulações com diferentes resoluções. As diferenças são atribuidas à diferente representação dos processos turbulentos por parte do modelo de turbulência de subescala, mas os resultados são ainda inconclusivos. A observação da CLP por métodos de detecção remota apresenta também desafios próprios. Neste projecto, a base de dados do Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) V5 L2 Support Product foi usada para estimar parâmetros da camada limite. Este produto apresenta um espaçamento de grelha vertical superior ao dos produtos AIRS convencionais, o que o torna mais indicado para estudar a CLP. Um algoritmo para determinação da altura da CLP foi desenvolvido e validado contra dados das sondagens lançadas no contexto da campanha Rain in Cumulus over the Ocean, ocorrida nas Caraíbas no Inverno de 2004-2005. Essa área é dominada nessa altura do ano por convecção pouco profunda embebida nos ventos alíseos, o que a torna ideal para a validação dos perfis obtidos com o AIRS, dado que o sensor utiliza radiâncias da banda do infravermelho, fortemente atenuadas pela presença de nuvens. Os perfis utilizados foram comparados com os das radiossondagens e revelaram a sua capacidade de ilustrar as principais características da CLP, com margens de erro dentro do aceitável de acordo com as características desejáveis para o instrumento. Os resultados mostraram-se insensíveis a diversos factores como a fracção de nuvens e de píxeis terrestes no campo de visão, radiação de longo comprimento de onda no topo da atmosfera e distância entre vii a radiossonda e o pixel do satélite. As alturas da CLP são determinadas a partir de perfis de temperatura potencial e humidade relativa, a partir da localização do nível com maiores gradientes verticais dessas propriedades. Os métodos utilizados na determinação da altura da CLP são ainda objecto de debate e dependem da base de dados utilizada; este foi o método escolhido por ser o mais simples, mais adequado aos dados disponíveis e com maior aplicabilidade em diferentes regiões do globo. A comparação entre as estimativas dos dados de satélite e das radiossondas revela erros médios quadráticos da ordem de 50 hPa, o que mostra que o produto é capaz de caracterizar de forma aceitável a altura da CLP. Uma climatologia da altura da CLP foi calculada usando toda a base de dados do AIRS (2003-2010) ao longo dos oceanos das regiões tropicais, subtropicais e das latitudes médias. Essa climatologia foi comparada com estimativas semelhantes obtidas a partir de perfis da reanálise ERA-Interim extraídos da localização mais próxima e da hora mais próxima da hora de passagem do satélite. Ambas as estimativas revelaram distribuições realísticas da altura da CLP, com valores mínimos a coincidir com as áreas dominadas por nuvens estratiformes ao largo da costa oeste dos continentes subtropicais e valores mais altos nas zonas dominadas por convecção profunda. As variações sazonais são também realistas em ambos as bases de dados, com características como a migração da ITCZ ao longo do ano e o estabelecimento das características típicas de monções sazonais em determinadas regiões do globo. Contudo, o ciclo diurno aparece representado nas duas bases de dados de forma bastante distinta: enquanto o AIRS mostra variações realísticas da altura da CLP ao longo do ciclo diurno, a ERA-Interim não apresenta variações diurnas significativas, o que indica a presença de algumas deficiências na representação de processos de camada limite sobre o oceano nessa base de dados. Os dados foram analisados em particular sobre a secção no Pacífico nordeste com objectivo de explicar alguns dos desvios encontrados. Essa análise evidenciou a tendência do instrumento para amostrar principalmente pixeis com características de céu limpo ou com nebulosidade reduzida, pois ao aplicar amostragem condicional aos dados ERA-Interim de modo a isolar os perfis característicos de baixas coberturas nebulosas, mostra-se que existe uma correspondência bastante melhor entre as duas bases de dados. Neste trabalho mostra-se que tanto modelos como observações da CLP sofrem dos seus problemas e que avanços significativos no conhecimento desta camada tão importante da atmosfera só podem ser atingidos combinando eficazmente ambas as estratégias.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT, SFRH/BD/37800/2007 e projectos (PTDC/CLI/73814/2006);(PEst-OE/CTE/LA0019/2011/2012) e Fundação Calouste Gulbenkia