Search

A real case long-term nested large eddy simulation (LES) of 25-day duration is performed using the WRF-LES modelling system, with a maximum horizontal grid resolution of 111 m, in order to explore the ability of the model to reproduce the turbulence magnitudes within the first tens of metres of the boundary layer. Sonic anemometer measurements from a 60-m tower installed during the Boundary Layer Late Afternoon and Sunset Turbulence (BLLAST) field campaign are used for verification, which is focused on the turbulent magnitudes in order to assess the success and limitations in resolving turbulent flow characteristics. The mesoscale and LES simulations reproduce the wind speed and direction fairly well, but only LES is able to reproduce the energy of eddies with lifetimes shorter than a few hours. The turbulent kinetic energy in LES simulation is generally underestimated during the daytime, mainly due to a vertical velocity standard deviation that is too low. The turbulent heat flux is misrepresented in the model, probably due to the inaccuracy of the sub-grid scheme.

The atmospheric boundary layer in stably-stratified conditions and over non-homogeneous terrain becomes a complex system with many interactions of physical processes occurring in a wide range of different spatial and temporal scales. During clear sky night-time or in any stably-stratified conditions intermittent turbulent events and gravity waves are usually present in the stable boundary layer (SBL), which can substantially modify the flow structure. In addition, the circulations in stable flows can be strongly driven by the underlying and surrounding topography, generating katabatic winds, density currents and low level jets, which in turn, trigger gravity waves and turbulence. This thesis aims to contribute to a better comprehension of some of the processes and phenomena occurring in the SBL and over complex terrain areas. In order to understand and quantify the unknown atmospheric processes one can distinguish three different procedures that are very well connected: theoretical descriptions, experimental campaigns and numerical modeling. The numerical models allow us to further understand the experimental data, to test the theoretical relationships or to simulate processes which are very difficult to measure. Principally, in this thesis we have used numerical models to deal with the uncertainties that arise in stably-stratified flows and over heterogeneous terrain and to explore the model capabilities and limitations to resolve them. These numerical weather prediction models (NWP) contain the primitive equations of the atmosphere to describe and forecast the flow motions and properties. In this thesis we have employed one of the worldwide known NWP model, the Weather Research and Forecasting (WRF) model, using two different approaches: the mesoscale approximation and the large eddy simulation (LES). While the mesoscale methodology has allowed us to investigate the flow circulation patterns in a wide range of scales, the LES approximation has enabled us to explicitly resolve the turbulence and describe its structure. In this thesis each methodology has been applied to investigate these different purposes. Using the WRF model with the mesoscale approach we have determined the origin of a density current that generated internal gravity waves over the "Centro de Investigaciones de la Baja Atmosfera"(CIBA) site. We have seen that the long distance mesoscale sea-breeze circulation and the night-time katabatic flows originated at the surrounding complex topography were the origin of the density current which generated displacement in the air parcels and periodic oscillations. In this thesis we have also investigated the vertical turbulence structure using the LES approximation of the WRF model. As a previous step, we have first validated the WRF-LES model in the SBL with a reference case by a comparison of the first and second order moments profiles. Using different wind speed initial conditions we reproduce neutrally and stably stratified flows. However, different from the reality, stably stratified flows are strongly coupled with the surface and turbulence is always maintained. We have shown how the turbulence intensity increases sharply with the wind speed at each height above ground but the rate of increase (slope) is not maintained, as we would expect. It seems that the the top domain potential temperature inversion affects the flow turbulence structure over the whole domain. Finally, we have studied topographically generated gravity waves over the Pyrenees and specifically simulated a trapped lee wave event using the mesoscale approximation with WRF. We have seen that the model is able to reproduce the gravity waves at the lee side of the mountain range with periodic oscillations in all magnitudes. We have seen that 1-km horizontal resolution is necessary to capture the wave field. We have also showed that upstream conditions have to be well represented to capture the adequate wave characteristics., La capa límit atmosfèrica és la part més baixa de l'atmosfera terrestre on s'hi desenvolupa la vida humana. En condicions d'estratificació estable i sobre terreny no homogeni esdevé un sistema molt complex amb múltiples interaccions dels processos físics que hi tenen lloc. Per a entendre i quantificar algunes de les incerteses que planteja l'atmosfera a la capa límit en aquesta tesi principalment hem utilitzat eines de simulació numèrica. Els models numèrics permeten la comprensió més enllà de les dades experimentals, així com testejar les descripcions teòriques, a més de simular fenòmens que són molt difícils de mesurar. L'objectiu és, doncs, contribuir a la comprensió dels fenòmens que tenen lloc a la capa límit en condicions d'estratificació estable i sobre àrees de terreny complex i explorar les capacitats i les limitacions de la seva modelització numèrica. D'entre els principals resultats, fent ús del model WRF en l'aproximació de mesoscala, hem determinat l'origen d'una corrent de densitat que va donar lloc a ones de gravetat interna en la zona del Centro de Investigaciones de la Baja Atmósfera (CIBA). Hem vist que una massa d'aire amb origen de brisa marítima juntament amb els vents catabàtics originats a les cadenes muntanyoses del voltant són l'origen de la corrent de densitat que genera ones de gravetat al seu pas per l'àrea del CIBA. Per altra banda, hem explorat l'estructura vertical de la turbulència en condicions neutrals i estables fent ús del model WRF en l'aproximació LES (WRF-LES). S'han investigat els règims de intensitat de turbulència en funció de la velocitat del vent i s'ha obtingut una relació semblant a les observacions en situació de forta turbulència. Veiem les condicions de contorn del model a la superfície i al límit superior poden afectar molt significativament l'estructura dels remolins. Finalment, l'estudi de les ones de muntanya sobre la orografia complexa del Pirineu amb el model WRF en el mode mesoscalar ha permès avaluar la capacitat del model per a representar l'esdeveniment i la variació en els resultats en funció de les seves diferents opcions físiques i de configuració.

Màster de Meteorologia, Facultat de Física, Universitat de Barcelona. Curs: 2021-2022. Tutora: Mireia Udina i Sistach, The behavior of pollutants in urbanized mountainous areas is complex due to the interactions between the atmosphere and the orography, and frequent thermal inversions inside the valleys can lead to critical contamination episodes that are detrimental to the environment. This work aims to analyze the behavior of pollutants in a complex orography area like the Central Valley of Andorra and to test the interpretability of WRF in an observed persistent thermal inversion case in the area. Anthropogenic impact on primary pollutants like NO2 and PM10 and the higher dependence of the secondary contaminant O3 on meteorological variables are observed. The Random Forest Regression machine learning model shows that thermal inversions have great importance in the levels of pollutants at the bottom of the valley and also that O3 has a high dependence on relative humidity. The WRF model at higher horizontal resolutions is capable of resolving slope and valley winds but can not interpret well the observed thermal inversions. Increased vertical resolution appears to have little effect on outputs and the need for improved model parameterizations formountain areas is highlighted

Màster de Meteorologia, Facultat de Física, Universitat de Barcelona, Curs: 2020-2021, Tutora: Mireia Udina Sistach, Les altes concentracions d'O3 són freqüentment observades a diverses regions de Catalunya (NE Espanya) i estan relacionades amb la producció i transport de les seves substàncies precursores, provinents majoritàriament de les emissions a l'atmosfera dels sectors del transport i de la indústria. A partir del mètode Concentration Weighted Trajectory (CWT) i de les retrotrajectòries calculades amb el model HYSPLIT, alimentat amb dades del WRF, s'han identificat les principals fonts potencials del territori de Catalunya que contribueixen a elevades concentracions d'O3 a determinats receptors i s'han associat a zones d'alta activitat industrial. Els resultats mostren que les localitzacions de l'interior del territori estan afectades principalment per mecanismes de circulació locals, que transporten la massa d'aire carregada de contaminants emesos per les indústries localitzades al voltant de la zona d'influència del Vallès Oriental, on s'han estudiat les emissions d'una cel·la com a cas particular. Per una altra banda, les emissions de les indússtries no són les principals fonts potencials d'O3 per les localitzacions situades al nord de Catalunya

Màster de Meteorologia, Facultat de Física, Universitat de Barcelona, Curs: 2019-2020, Tutora: Mireia Udina Sistach, During the summer of 2019 unusual exceedances of ozone concentration affected Catalan territory. In the present work, a deep study of two ozone episodes is performed, focusing on the flow circulation and potential sources. Episode A occurred on June 28 and June 29 and Episode B on July 23. Both episodes are characterized by synoptic anticyclonic conditions, surface temperatures over the 95th percentile and high ozone values recorded inland due to precursors advection (NOx and VOCs) mainly from Barcelona Metropolitan Area (AMB). The analysis of measured time series and the comparison with ARAMIS modeled concentrations showed that advection on June 28 and July 23 made its way through the eastern Barcelona valley and through the western one on June 29. Modeled-observation comparison maps reflect the general tendency of the model to overestimate modeled peak areas, to slightly underestimate in the rest of the territory and to rise ozone values few hours before they are measured. Moreover, a trajectory analysis confirmed recirculation between June 28 and June 29 and concentration weighted trajectory maps determined the pathways linking the receptors with the AMB as the main potential sources for the cities of Vic and Manresa. Finally, NO2 measured in Barcelona was found to have in uence in urban and rural ozone concentrations.

Màster de Meteorologia, Facultat de Física, Universitat de Barcelona, Curs: 2019-2020, Tutora: Mireia Udina Sistach, The planetary boundary layer height (PBLH) is a key parameter to diagnose the amount of pollutant concentration since it takes part in vertical dispersion, limiting the volume where the pollutants can be dispersed. Nevertheless, there is not a reference technique to compute it. In this work, 4 different algorithms -Parcel Method (RSD0), Gradient Detector (WW), Function Adjustment (ERES) and BL-View Enhanced Gradient using a Candidate Selector (CEIL)- are applied to Barcelona non-rain midday radiosounding and ceilometer data from August 2015 to December 2018 in order to estimate PBLH, focusing on pollutant episodes. The results suggest that RSD0 algorithm use is more suitable during summer, when boundary layer is highly developed. Instead, CEIL yield better results during colder seasons, when boundary layer is not highly developed and, thus, noise do not dominate over backscatter signal. WWis useful to detect strong temperature gradients and ERES is e ective at detecting cloud presence. Among the four algorithms, WW and CEIL are selected to study high pollution concentration days. The PBLH median for NO2 and PM10 episodes is lower than the 25th percentile for all days studied, which suggest the role of low PBLH in pollutant accumulation. WW and CEIL point higher PBLH for tropospheric O3 episodes influenced by high temperature and clear sky conditions.

Treballs Finals del Màster d’Energies Renovables i Sostenibilitat Energètica, Facultat de Física, Universitat de Barcelona, Curs: 2017-2018, Tutora: Mireia Udina Sistach, La contaminación atmosférica es causada por la variación de concentración de los gases que componen la atmósfera. Esta variación se da principalmente como consecuencia de la actividad humana, que, desde la época de la Revolución Industrial, ha incrementado el uso desmedido de combustibles fósiles para la generación de energía. En este estudio se analizó la dispersión de contaminantes emitidos por seis conjuntos de generadores Hyundai compuesto por motores de la marca Hyundai HiMSEN, acoplados en una misma estructura de diseño denominada HYUNDAI HiMSEN H21/32, con 1.800 kW de potencia nominal, que utilizan petróleo crudo como combustible en la Central de Generación Oso B, que pertenece a una industria petrolera ubicada en Ecuador, provincia de Orellana, y demanda energía eléctrica para abastecer su operación. La metodología de estudio utilizada es el modelo de dispersión de Pluma de Gauss para los contaminantes SO2 y NOx, tomando en cuenta las siguientes consideraciones: la ubicación del foco emisor y de las estaciones meteorológicas, los datos meteorológicos de la provincia de Orellana, la emisión de los contaminantes SO2 y NOx por los motores, y las categorías de dispersión de Pasquill-Giffor-Turner; con el fin de compararlos con la legislación ecuatoriana de calidad del aire, estipulada en el Acuerdo Ministerial No. 097-A de 30 de julio de 2015, en los Anexos del Texto Unificado de Legislación Ambiental Secundaria, y así determinar su cumplimiento. Los valores de emisión en la boca de la chimenea fueron 7.574 mg/s de SO2 y 30.000 mg/s de NOx; sin embargo, el modelo implementado buscó determinar su concentración a diferentes distancias y condiciones meteorológicas establecidas en 15 escenarios. Los escenarios se establecieron con variaciones meteorológicas durante el día y la noche, distintas intensidades de radiación (débil, moderada, intensa) durante el día y cobertura de nubes (cielo cubierto o despejado) por la noche, con tres casos de velocidad de viento (0,5 m/s; 2,0 m/s; 5,0 m/s).Los escenarios que mostraron mayor concentración fueron los ocurridos en la noche, debido a la ausencia de radiación solar, y vientos en calma (0,5 m/s), provocando que se supriman los movimientos verticales debido a la estabilidad atmosférica. Las altas concentraciones mencionadas, se dieron a distancias de 1 kilómetro de la fuente de emisión, cuyos resultados fueron de 800 μg/m³ de SO2 y 3.168 μg/m³ de NOx, superando en cuatro y tres veces, respectivamente, el valor umbral para los contaminantes SO2 (200 μg/m³) y NOx (1.000 μg/m3), según la legislación mencionada.

Màster de Meteorologia, Facultat de Física, Universitat de Barcelona, Curs: 2016-2017, Tutors: Àlex Montornès i Mireia Udina, En un context d’important desenvolupament de l’energia eòlica, les estimacions d’aquest recurs en una zona concreta són claus a fi d’optimitzar l’extracció d’energia del flux de vent. En aquest sentit, la modelització dels efectes de les turbines sobre l’atmosfera local esdevé indispensable. La possibilitat d’emprar models meteorològics per a tal fi ha portat a l’equip del National Center for Atmospheric Research (NCAR) a incloure una parametrització de turbines al model mesoescalar Weather Research and Forecasting (WRF), la qual suposa l’efecte del parc eòlic com un embornal de moment i una font de turbulència. Les simulacions a 1 km realitzades al parc eòlic Sotavento-Galicia mostren dèficits de vent de fins a 0.8 m s-1 sobre les turbines tant en un règim sinòptic dominat pel pas d’un front per la zona, com per a un règim anticiclònic amb vents forts. Aquesta reducció del vent s’observa també a sotavent del mateix, en forma d’estela amb longituds de 26 km per a sengles casos. L’augment d’energia cinètica turbulenta (TKE) és de fins a 2.4 m2 s-2 sobre el parc, amb reduccions de turbulència a sotavent. A més, s’ha observat un important augment de la cisalla sobre les màquines, i un dèficit a la part de sotavent. Aquests resultats han conduït a una major neutralització de la capa límit atmosfèrica (PBL) induïda per les turbines, reflectint-se en una major longitud de Monin-Obukhov sobre la vertical del parc eòlic quan aquest hi era present. Aquesta homogeneïtzació és més marcada per al cas d’estudi dominat pel pas d’un sistema frontal.