Facultat de Ciències
Memòria del Treball de Fi de Grau
Estudi del perfil de temperatures a través de la interfície sòl-atmosfera
Belén Martí López Grau de Física
Any acadèmic 2014-15
DNI de l’alumne: 43224368P
Treball tutelat per Joan Cuxart Rodamilans Departament de Física
S'autoritza la Universitat a incloure el meu treball en el Repositori Institucional per a la seva consulta en accés obert i difusió en línea, amb finalitats exclusivament acadèmiques i d'investigació
Paraules clau del treball:
Perfil de temperatura, balanç d’energia, intercomparació sensors, estabilitat, turbulència X
Índex
1 Introducció 4
2 Materials i mètodes 6
2.1 Estació de balanç . . . 6
2.1.1 Octubre 2012 . . . 7
2.1.2 Març 2015 . . . 7
2.2 Instrumental . . . 8
2.3 Variables físiques . . . 8
2.3.1 Calor sensibleH . . . 8
2.3.2 Calor latentLE . . . 10
2.3.3 Flux de calor del terraG . . . 11
2.3.4 Imbalanç . . . 11
2.3.5 Tke ike . . . 12
2.3.6 Nombre de Richardson . . . 12
3 Resultats i anàlisi 12 3.1 Comparacions d’instrumental . . . 12
3.1.1 Termoparells . . . 13
3.1.2 Mesures a l’exterior . . . 13
3.1.3 Resum . . . 16
3.2 Anàlisi de dues nits estables . . . 17
3.2.1 03-04 Octubre 2012 . . . 17
3.2.2 12-13 Març 2015 . . . 19
4 Conclusions 27 4.1 Intercomparació de sensors de temperatura . . . 27
4.2 Nits estables . . . 27
4.3 Comentaris finals . . . 28
5 Agraïments 28
1 Introducció
La caracterització de l’atmosfera i els seus processos de la manera més realista possible és una tasca complicada per la qual es necessiten obtenir mesures de les diferents variables físiques. Els processos a prop de la superfície que consideren la interfície sòl-atmosfera requereixen mesures més especialitzades que no es troben a les estacions convencionals, com puguin ser, mesures de subsòl o mesurar a múltiples alçades. Això i la dificultat de generalitzar i establir patrons que no hagin estat originats per les hetero- geneïtats particulars de l’estació on es facin les mesures, han fet que sigui un problema poc documentat experimentalment.
Pel fet d’estudiar els processos a prop de la superfície ens trobarem a la capa on l’atmosfera interacciona amb la superfície terrestre. Aquesta interacció estén els seus efectes verticalment a una altura que depèn dels processos implicats i de la intensitat de la turbulència. La capa en que succeeix aquesta interacció és la Capa Límit Atmosfèrica (CLA), on tenim escales temporals inferiors al dia [Stull (1988)]. La CLA té una natura turbulenta causada per la presència de convecció en alguns règims (quan la superfície és més càlida que l’aire en contacte amb ella), per la variació vertical del vent (cisallament) o qualsevol altre mecanisme que generi gradients tèrmics, com la presència de núvols. De dia el règim predominant és el convectiu cisallat de vent (Capa Límit Convectiva, CLC) i de nit l’estratificació estable amb generació de turbulència per cisallament de vent (Capa Limit Estable, CLE)
Ens centrem en aquest treball en l’anàlisi de les mesures que hem pres en la capa més propera a la superfície -Capa Límit Superficial (CLS)-, en la que la turbulència no és isòtropa per la proximitat del sòl i les heterogeneïtats en la superfície [Garratt (1994)], i que sol tenir una altura d’unes desenes de metres de dia i uns pocs metres de nit. Els règims de transició de nit a dia i de dia a nit estan encara mal caracteritzats i, en la zona del Campus de la UIB, estan dominats per la presència de les circulacions d’embat i terral en situacions de bon temps.
Dintre d’aquesta capa podem estudiar els fluxos turbulents que també pertanyen a la interfície i que ens permeten establir el balanç d’energia es caracteritzen per grans errors experimentals i necessiten diversos postprocessos de les mesures per poder tenir una estimació correcta [Foken (2008)]. És mitjançant el perfil de temperatures i el balanç d’energia que podem començar a estudiar l’atmosfera a prop de la superfície.
El gradient pronunciat que presenta la temperatura es pot representar mitjançant el seu perfil en altura però la seva mesura presenta dificultats, ja que l’instrumental ha de tenir una mida el més reduïda possible, fet que fa els sensors fràgils. També s’ha de considerar que la majoria d’instruments de mesura de temperatura necessiten una protecció de la radiació solar que no és fàcil d’implementar. Com que existiran característiques locals, com poden ser la presència de vegetació, la variació del contingut d’aigua o la presència d’insectes que afectaran al nostre sistema i que no són generalitzables, serà necessari diferenciar els comportaments que succeeixin a escales horitzontals grans, que són els que es volen caracteritzar [Geigeret al.(1995)].
El perfil de temperatures presenta un cicle dia-nit en el qual canvia el signe del gradient (figura 1a) presentant una inversió durant la nit. Les mesures de subsòl presenten el perfil invertit respecte de l’atmosfèric. Observem una discontinuïtat entre sòl-atmosfera deguda al canvi de medi i a les seves conductivitats, si ens trobem en equilibri tèrmic la temperatura dels medis haurien de coincidir.
Degut a la importància que tenen els processos radiatius durant la nit, els perfils agafen sovint formes que es desvien de les mostrades a la figura 1a i prenen altres formes com a la figura 1b en la que el mínim de temperatura no es troba a la superfície sinó que es troba a certa altura. Les causes i condicions per que succeeixi aquest tipus de fenomen no estan clarament establertes i aquests processos no s’inclouen ni tan sols a models radiatius més complets que es centren en la superfície [Edwards (2009)] i en els que trobem el model logarítmic clàssic.
Una manera d’analitzar els processos que succeeixen és amb la construcció del balanç d’energia en el que considerem la interfície sòl-atmosfera com a superfície i establim quins termes aporten o extreuen energia a aquesta capa. Podem escriure la versió més extensa de l’equació de balanç [Cuxartet al.(2015)]:
Rn+H+G+LE=S+B≠T T≠Adv+Altres (1) Els quatre termes de l’esquerra de l’equació són els que es consideren clàssicament i que climàticament es considera que es compensen. Rn és la radiació neta que consisteix en la radiació incident i reflexada d’ona curta i llarga rebuda en el sistema que estiguem considerant i és l’única mesura que es pot obtenir directament. H és el terme que representa la calor sensible que correspon al flux de calor intercanviat per convecció i conducció iG és l’intercanvi de calor amb el terra, que es pot caracteritzar per la diferència de temperatura entre el sòl i la superfície. La calor latent LE és l’energia deguda als canvis de fase de l’aigua.
Figura 1: a) Perfils de temperatures de l’atmosfera i subsòl a diferents hores durant el dia. b) Perfils de temperatura nocturns amb el mínim de temperatura per damunt la superfície. Font: [Geiger et al.
(1995)]
Els altres termes sónS i Bque representen les fonts no biològiques que emmagatzemen energia i les biològiques. L’adveccióAdv i la tendènciaTT també són fonts d’energia.
És amb el balanç d’energia i els perfils de temperatura com a eines d’anàlisi que, durant aquest treball, es presentarà l’estudi de dues nits en condicions d’estabilitat, que presentaran característiques diferents entre elles, i que foren mesurades a l’estació del Grup de Meteorologia de la UIB.
La caracterització de les dues nits té com a finalitat l’estudi dels processos nocturns que normalment no es consideren als models i que tenen rellevància perque causen canvis significatius al comportament del sistema a prop del terra. Els processos radiatius per exemple, impliquen un intercanvi d’energia entre el terra i l’atmosfera que en la interfície afecta la temperatura dels dos medis. Altres processos com l’estratificació ocasional de l’atmosfera en condicions de calma (vents fluixos i poc turbulents) també s’observen i són alternats per processos de barreja deguts a la inestabilització del jet a capes superiors o processos turbulents. Aquests canvis fan que el balanç d’energia presenti variacions als seus termes i que no es pugui caracteritzar la nit amb un sol comportament de refredament continu sinó que hi ha un règim dinàmic encara que sigui menys pronunciat que el diürn.
Les mesures utilitzades per caracteritzar les dues nits que corresponen als primers tres metres sobre la superfície, seran el nostre sistema. A més, s’estudiarà el comportament de diversos sensors de temperatura baix diferents condicions i establirem els errors que estem cometent amb cada tipus de mesura.
2 Materials i mètodes
En aquesta secció es presentarà l’estació i el seu instrumental i els diversos tractaments que s’han realitzat a les dades.
2.1 Estació de balanç
L’estació de la qual s’han analitzat les dades ha estat la del Grup de Meteorologia de la UIB que va començar a generar les primeres sèries de dades al desembre de 2011. Al febrer de 2012 ja es va realitzar la primera campanya de mesures. El fet de tenir una estació a una localització fixa i mesures contínues permet fer estudis estadístics.
A més, en el cas d’aquesta estació, tenim les mesures que es solen tenir a les estacions convencionals com són la temperatura, pressió, humitat i vent a 2m però també es té instrumental especialitzat per a la recerca que permet caracteritzar els fluxos. Per caracteritzar els fluxos és necessària la mesura de radiació neta ja sigui en una sola mesura o be descomposta en els seus quatre termes (ona curta incident i reflexada i ona llarga incident i reflexada). Els altres fluxos són el de terra, que té un caràcter conductiu, i els fluxos turbulents de calor sensible i calor latent que tenen un caràcter convectiu i conductiu.
El fet de tenir una estació al Campus permet fer experiments locals utilitzant l’estació a mode de laboratori, que permeten estudis com l’anàlisi de les dues nits d’estudi o la intercomparació que s’expliquen a l’apartat de resultats i anàlisi. Hi ha la possibilitat de fer mesures addicionals per a respondre a preguntes sorgides en estudis previs i també es poden fer mesures que requereixin major supervisió, ja sigui perque els sensors són fràgils i les condicions en les que es poden utilitzar són limitades, o bé perque són mesures que consumeixen molta memòria als dataloggers. Aquestes mesures solen ser addicionals i s’utilitzen a campanyes locals i completant la caracterització del sistema atmosfèric.
L’estació inicialment es trobava de manera provisional al recinte de la vinya situat darrera de l’edifici Guillem Colom i al sud-est de l’edifici Beatriu de Pinós. Aquesta primera localització va servir per a començar les mesures i una sèrie temporal i poder detectar problemes de connexió de l’instrumental, programació dedataloggersi conèixer el comportament i funcionament dels sensors. Aquesta situació es mantingué fins a finals de 2013, quan la construcció del nou Edifici de Postgrau al Campus comença a afectar la qualitat de les mesures, ja que es queda just al nord de l’estació, a menys de20m de la situació anterior, provocant el bloqueig del vent en aquesta direcció. Després de l’acord del Vicerrector de Campus i Infraestructura, es va traslladar l’estació a un lloc amb menys obstacles físics i menys influències a les mesures.
La nova situació és al centre del Campus, quedant l’estació rodejada per les instal·lacions esportives al nord, l’edifici Jovellanos a l’oest i el nou edifici de postgrau al sud però a distàncies superiors als100m i complint el criteri de trobar-se a 10m per cada metre d’altura que presenti l’obstacle [WMO (2008)].
La nova localització queda a un prat homogeni amb vegetació baixa que es sega periòdicament i que es troba a prou distància de la carretera i dels arbres (ametllers) per a que la influència no sigui significativa.
A la figura 2 s’han assenyalat les localitzacions de les dues estacions.
Figura 2: Campus de la UIB amb la localització de les estacions meteorològiques assenyalada.
L’estació indicada com a ECU era la de l’octubre 2012 mentre que l’estació de 2015 és la ECUIB. font:
https://www.google.es/maps/@39.6379967,2.6466049,529m/data=!3m1!1e3.
Passarem a descriure la disposició de l’instrumental als dos períodes d’estudi que corresponen cada un a una localització.
2.1.1 Octubre 2012
A l’octubre de 2012 l’estació estava en funcionament amb un anemòmetre 3D a 2.70m d’alçada i un anemòmetre 2D a2.18m, mentre que la mesura de temperatura i humitat dintre de la garita es trobava a 1.75m. A més hi havia instal·lada ocasionalment una columna de vuit termoparells col·locats a diverses alçades, més junts quant més a prop de la superfície tal com es veu a l’esquema de la figura 3. Les alçades de baix a dalt són1.5cm, 4.5cm,7.5cm,14cm,30cm, 51.5cm,104.5cm i 192cm.
En la mateixa zona però en un altre suport es trobaven dos radiòmetres de radiació neta a una alçada d’un metre. En la part dels sensors enterrats hi havia el sensor de flux de calor a 5cm de profunditat, mentre que la mesura de temperatura enterrada, que consta de quatre termoparells, feia una mesura integrada del sòl a4cm i6cm. El sensor d’humitat estava enterrat de manera diagonal entre1cm i5cm per també obtenir una mesura integrada del contingut d’aigua del terra.
La càmera de radiació enfocava el terra que en aquesta època era una barreja de sòl nu i vegetació irregular. La fulla d’humectació es trobava en la mateixa zona que la càmera a uns3cm, però no al seu rang de visió. Els sensors es trobaven distribuïts dintre d’un tancat d’uns4m x8m de manera que no es destorbessin entre ells.
2.1.2 Març 2015
L’estació actual té una distribució similar però amb l’adquisició de nou instrumental que va permetre completar el balanç d’energia amb la mesura de la calor latent. Les dimensions són de 6m x6m dintre
Figura 3: [Esquerra] Esquema de l’estació de 2012. Cada sensor té la seva mesura indicada al costat. G és el flux de calor del terra iLWS és una fulla d’humectació que mesura la condensació produïda. [Dreta]
Fotografia de l’estació actual durant la intercomparació.
d’un tancat metàl·lic. Trobem una part central amb una torre de3m al centre on es troba un anemòmetre 3D i la mesura ràpida de la concentració de aigua i CO2, el radiòmetre de quatre components a1.03m i la garita a2.01m. A més es troba el mateix tipus de distribució de càmera de radiació, fulla d’humectació i sensors enterrats que a la figura 3. A més de la columna de termoparells hi trobàvem dos sensors de temperatura, un Hc2s3 i un T107 a l’alçada de1.98m per a les proves d’intercomparació. Les alçades dels termoparells difereixen de les del 2012 i són4.0cm, 8.0cm, 14.5cm, 21.5cm,31.0cm,55.0cm, 108.5cm i 197.0cm. No es va col·locar el primer termoparell més a baix degut a les irregularitats del terra i en conseqüència es té una mesura intermitja entre14cm i30cm.
2.2 Instrumental
Les dues estacions estaven equipades amb diferents tipus d’instrumental en el moment de les mesures. Els dataloggerson s’enregistraven les dades eren de la marca Campbell i del tipus CR1000 i també s’utilitzà un multiplexor del tipus Am25t. Es troben a la taula 1 els diferents tipus de sensors que s’han emprat i a la figura 4 hi ha les imatges corresponents.
2.3 Variables físiques
Una vegada descrits els sensors i l’estació passem a definir les variables físiques que emprarem. Un dels càlculs més elaborats del treball és el càlcul del balanç d’energia i aconseguir els valors de cada un dels seus termes. Si simplifiquem l’equació 1 considerant els termes de la dreta com a imbalanç i deixem els termes clàssics que són els mesurables i de major magnitud, obtenim l’equació 2.
Rn+H+G+LE+Imb= 0 (2)
Aquesta equació presenta valors deImbdiferents de zero ja que els altres termes no s’acaben de compensar.
En promitjos anuals i climàtics els termes gairebé arriben a compensar-se i l’imbalanç és proper a zero.
2.3.1 Calor sensible H
Per a obtenir la calor sensibleH són necessàries mesures de vent vertical i temperatura d’alta freqüència que s’obtenen amb els sensors sònics 3D. Amb aquestes mesures es calcula la correlació entre la component vertical i la temperatura del sònic. Com que la temperatura del sònic és semblant a la de l’aire sec és necessari fer correccions per a incloure els efectes de la humitat que han de ser a la mateixa freqüència que el vent per aconseguir el vertader flux de calor.
A més, a les mesures de vent vertical s’espera que la mitjana sigui zero al llarg de la sèrie. Com que en les dades del 2015l’offset és de l’ordre de5cm s≠1, se’ls hi farà un tractament posterior.
Figura 4: Imatges i representacions del sensors que es varen emprar per a les mesures.
Les imatges s’han agafat dels corresponents manuals que es poden descarregar a través de http://www.campbellsci.com i http://www.campbellsci.co.uk excepte el RMY8100 que s’ha agafat de http://www.youngusa.com/products/11/3.html.
Sensor Mesura Unitats Precisió Comentaris
Hc2s3 T °C 0.1°C PT100
Hc2s3 RH % 1.3%
IR120 T °C 0.2°C
Tcav T °C * Termoparell
FW3 T °C * Termoparell
T107 T °C 0.4°C Termistor
LWS Cond mV 10%
Windsonic4 Vent idir m s≠1 i° 2% i3° Sònic 2D
RMY 81000 Vent idir m s≠1 i° 1% i2° Sònic 3D
Csat3 Vent idir m s≠1 i° 0.1m s≠1 i2% Sònic 3D
EC150 CO2 iH2O g 1% i2%
NR-lite 2 Rn W m≠2 10%
NR01 Rad W m≠2 10% 4 components radiació
HFP01SC (Hukseflux) Flux de calor W m≠2 3%
CS616 Contigut H20 % 2.5%
Taula 1: Sensors presents a l’estació durant els períodes de mesura. Als sensors de vent la primera referència d’error és per la velocitat del vent i, la segona, l’error per la direcció del vent. A la colum- na de mesura T, indica temperatura; RH, humitat relativa; Cond, indica condensació; Rn, indica ra- diació neta i Rad, radiació de infraroig i ona curta. *L’error dels termoparells ve donat per l’error de la mesura de referència i la linearització de la mesura. L’especificació del manual indica només el pitjor escenari: 1.7°C. Això ens indica un possible desplaçament del valor absolut respecte d’altres mesures. La informació s’ha extret dels corresponents manuals que es poden descarregar a través de http://www.campbellsci.com i http://www.campbellsci.co.uk excepte el RMY8100 que s’ha agafat de http://www.youngusa.com/products/11/3.html.
Per tant, les correccions comencen per imposar que la velocitat vertical mitjana del vent vertical serà zero (w= 0). Per fer això s’ha optat per fer una correcció de rotació de coordenades anomenada Tilt Correctionper a mitjanes de 5 minuts, que és el temps recomanat per sèries curtes [Foken (2008)]. Aquest mètode pretén corregir la inclinació del sensor però també corregirà efectes generats per la inclinació del terreny i episodis turbulents i convectius locals amb possible sentit físic. LaTilt Correctionconsisteix en dues rotacions fent quev= 0iw= 0.
Una vegada tenim el vent redireccionat i amb mitjana vertical zero passem a calcular la correlació entre la temperatura que s’obté del sònic i la component del vent vertical corregida. Per a sèries curtes la fórmula aplicable és [Foken (2008)]:
wÕxÕ= 1 N≠1
Nÿ≠1 k=0
[(wk≠wk)(xk≠xk)] (3)
Com que volem treballar amb fluxos és necessari passar a les unitats apropiades mitjançant constants.
Les unitats de wÕTÕ són m s≠1 K. Per a convertir-les en W m≠2, que són les unitats del balanç, s’ha de multiplicar la correlació perflCp onfl= 1.2kg m≠3 iCp= 1005J K≠1kg≠1.
Una altra correcció de menor impacte és necessària degut a que la temperatura del sònic no inclou la humitat. Aquesta ve donada per restar un factor que depèn de la humitat específicaq i wÕTÕ i un altre que depèn de T iwÕqÕ, que està relacionat amb la calor latent [Dijket al. (2006); Feldbauer (2014)].
2.3.2 Calor latent LE
La calor latent és l’energia relacionada amb els canvis de fase de l’aigua. Es mesura amb el flux d’humitat que ve donat per la correlació del vent vertical amb la humitat específica. La humitat específica és el quocient entre la massa d’aire humit i la suma de massa d’aire sec i humit. S’obté doncs que el flux de calor latent ve donat per la següent expressió:
LE=wÕqÕflLv (4)
onLv= 2.45ú106J kg≠1.
Taula 2: Errors dels diferents termes de l’equació de balanç d’energia. Font: [Foken (2008)]
2.3.3 Flux de calor del terra G
El terra absorbeix calor de dia degut al forçament solar i n’emet de nit. Aquest flux es pot mesurar amb un fluxímetre però com que el sensor s’ha d’enterrar a certa profunditat, el flux mesurat s’ha de corregir per el terme d’emmagatzament (Storage) ja que el que volem és el flux a la superfície. El terme de Storagedepèn del contingut d’aigua en el terra◊v, que es mesura amb el sensor d’humitat, i del canvi de temperatura del terra que es mesura amb el termoparell enterrat. L’Storageve donat per les expressions:
[Martínez (2014)]
S=flc T tz
flc=flCd+◊vflwCw (5)
On agafam uns valors apropiats pel nostre terra: fl = 1300kg m≠3 és la densitat per terres amb silicats, Cd = 850J kg≠1 K≠1 és la capacitat calorífica per a terra sec mineral, flw = 1000kg≠1 i Cw= 4180J kg≠1 K≠1 són la densitat i capacitat calorífica de l’aigua. La sensibilitat quan modifiquem aquests paràmetres és petita, el factor que més afecta el valor de l’Storageés la diferència de temperatures amb el temps.
La profunditat a la que es troba el sensor en els dos casos d’estudi és de5cm i les mitjanes temporals també són 5-minutals. Les mesures del sensor enterrat determinen en gran mesura el valor del terme de Storage. Quan es va calcular el valor per les dades del 2015 es produïen unes variacions ràpides que no pareixien pertànyer a la mesura. Com que això semblava que era degut a una reparació que es va realitzar al sensor enterrat, en les dades de 2015 s’ha realitzat una mitjana mòbil centrada de 31 minuts.
2.3.4 Imbalanç
Obtinguts els valors deRn,H, LE iG 5-minutals, es pot calcular l’imbalanç, que queda com a terme a l’equació 2. Primer hem d’establir un criteri de signes: els fluxos que impliquin que proporcionen energia a la superfície són positius, mentre que els que eliminen energia de la superfície són negatius. Per tant, Rn serà positiva,G serà negativa,LE és positiva quan es condensa aigua i negativa quan s’evapora i H serà negativa durant el dia. De nit els signes deRn,G iH són els oposats.
Hem de tenir en compte que els sensors que proporcionen els fluxos tenen errors de mesura d’entre 10 i 20W m≠2. A més, la mesura en si té errors que estan documentats i el seu ordre de magnitud està establert tal com podem veure a la taula 2.
2.3.5 Tke ike
Podem caracteritzar l’energia per unitat d’àrea que tenim disponible a l’atmosfera mitjançant dues vari- ables: l’energia cinètica keque es defineix de la manera clàssica i representa l’energia resolta, i l’energia cinètica turbulentaTke que s’estima a partir de les desviacions de les components del vent respecte del vent mitjà que prové de circulacions de menor escala. LaTkees calcula amb la fórmula 3 de la correlació aplicada a cada component del vent amb si mateixa. Les expressions són:
ke=1
2(u2+v2+w2) (6)
T ke= 1
2(uÕ2+vÕ2+wÕ2) (7)
2.3.6 Nombre de Richardson
Durant la nostra anàlisi necessitarem diferenciar períodes d’estabilitat d’estratificació de períodes en els quals tenim barreja. Per a fer-ho podem emprar el nombre de Richardson que agafa els valors de flux de temperatura i de cisalla de vent i en fa el quocient. Si aquest nombre és major que 1, ens trobem per damunt del nombre crític i tindrem estabilitat, i si no, tindrem barreja.
Rib=
gwÕ◊Õ
◊ref
uÕwÕˆuˆz +vÕwÕˆvˆz (8) Passarem a fer unes quantes aproximacions per al nostre càlcul del nombre de Richardson. En l’equació 8 trobem la temperatura potencial ◊, com que les temperatures que tenim són a prop de la superfície emprarem en el nostre càlcul la temperatura en lloc de la temperatura potencial. A més el quocient entre gi la temperatura sol ser de l’ordre de 1/30 i aproximarem les derivades com a diferències finites i el vent a la superfície serà zero. Obtenim la següent expressió:
Rib= T z ( u)2 1
30 (9)
En aquesta expressió considerarem que: l’altura ( z) és 2m, u tindrà el valor del vent a 2m, i la temperatura ( T) serà la del termoparell més alt menys la del termoparell mes baix que tinguem.
3 Resultats i anàlisi
En aquest apartat s’analitzaran les mesures fetes durant la nit del 3 al 4 d’octubre de 2012 i les fetes durant la nit del 12 al 13 de març de 2015 i es farà una intercomparació dels diferents instruments de mesura baix diferents condicions d’exposició solar. Començarem amb la comparació d’instrumental.
3.1 Comparacions d’instrumental
El propòsit de les garites meteorològiques és protegir de la radiació solar de manera que la mesura sigui representativa de la temperatura real però s’ha de tenir present que la seva presència també afecta la mesura. Per analitzar el comportament dels sensors de temperatura es presentaran les diferències entre els diferents sensors i una mesura de referència, que és la temperatura proporcionada per un sensor Hc2s3 situat a una garita multiplaca no aspirada tipus Gill que el protegeix de la radiació directa [Hubbard et al. (2001)].
Afectant la mesura tenim també errors deguts a que els diferents sensors tenen un temps de resposta diferent i, depenent del material, una sensibilitat a diferents efectes com la radiació o el vent. Per exemple, un termistor T107, que és un sensor metàl·lic, respon de manera diferent a un Hc2s3, que és una resistència PT100 protegida per una càpsula de plàstic, o bé a un termoparell que respon més ràpidament que ambdos sensors prèviament anomenats.
Farem una anàlisi en aquest apartat del comportament de diferents sensors de temperatura en diverses condicions ambientals. Per fer-ho disposem de diferents dades:
• Intercomparació indoor de 8 termoparells (juliol 2011).
• Campanya test2015: Mesures preses del 11 al 13 de març de 2015.
nºTP TP1 TP2 TP3 TP4 TP5 TP6 TP7 TP8 TP1 X 0.02 0.06 0.06 0.02 0.04 0.07 0.05
TP2 X 0.05 0.04 0.01 0.02 0.06 0.04
TP3 X 0.01 0.04 0.02 0.01 0.01
TP4 X 0.04 0.02 0.01 0.01
TP5 X 0.02 0.05 0.03
TP6 X 0.04 0.02
TP7 X 0.02
TP8 X
Taula 3: Taula de la mitjana del valor absolut de les diferències entre termoparells.
• Comparacions amb teulada: Mesures del 27 de març a l’1 d’abril.
Per fer aquesta anàlisi va ser necessari consultar els manuals dels diversos sensors a les pàgines de Campbell Scientífic (http://www.campbellsci.com i http://www.campbellsci.co.uk) i Young Company (http://www.youngusa.com/products/11/3.html).
3.1.1 Termoparells
Com que al llarg del treball es volen comparar diferents perfils de temperatura és necessari establir l’error que tenim en la mesura entre diferents termoparells del mateix tipus. Per a això es va fer una prova indoor1 on es varen col·locar tots els termoparells a la mateixa altura i es deixaren mesurant durant 48 hores. Per a caracteritzar l’error fem la mitjana de la diferència en valor absolut i obtenim la taula 3
2. Observem que aquesta mitjana en cap cas supera la dècima de grau i que la major diferència entre termoparells és la de l’1 amb el 7. En aquesta prova els termoparells es comportaven sempre en conjunt mantenint les diferències entre ells. Considerem finalment que els termoparells tenen un error de0.1°C.
3.1.2 Mesures a l’exterior
Al març de 2015 es feren diverses mesures amb diferents sensors. Primer es col·locaren exposats a la radiació solar i a diverses proves posteriors es varen col·locar els mateixos sensors una altra vegada però amb protecció de la radiació solar directa.
Per a protegir-los es va confeccionar una teulada de cartró recoberta amb plàstic blanc (figura 5). A més, en aquest cas també es programà el datalogger per als sensors comparats de l’11 al 31 de març i es realitzà el muntatge, a excepció del Hc2s3 de la garita que forma part de la estació fixa i ja es trobava instal·lat. A la temperatura proporcionada pel sensor Hc2s3 dintre de la garita l’anomenarem Tair a partir d’ara i és el que utilitzarem de referència per fer les diferències, ja que la Tair es correspon amb la mesura estàndar que es sol tenir a les estacions meteorològiques. A la mesura dels termoparells FW3 ens hi referirem com TP (de termoparell). Els sensors protegits de la radiació directa per la teulada els indicarem amb un * darrera el nom. S’ha seguit aquest mateix criteri amb les figures per reduir la mida de les llegendes. Les diverses proves amb els corresponents sensors varen ser:
• Sense teulada (11 al 13 de març): T107, TP, HC2c3 i Tair
• Amb Teulada (27 al 31 de març): TP, TP*, T107*, HC2s3*,Tair
• Amb Teulada (31 de març a l’1 d’abril): 6 T107*, HC2s3* ,Tair
• Comparació garites (2 al 10 d’abril): Tair i Hc2s3 dins garita més petita.
A la figura 6 s’hi han representat les diferències de cada periòde indicat prèviament i a continuació es comentaran període per període.
Sense teulada En aquest període no es va emprar protecció contra la radiació solar directa. A la sèrie de la figura 6a es pot observar que a mesura que augmenta la radiació solar els sensors T107 i Hc2s3 arriben a tenir diferències màximes de5°C respecte de Tair. Podem establir que de dia el T107 es troba entre 3 i 4°C per damunt la referència mentre que el Hc2s3 s’hi troba entre 4 i 5°C. El TP (TP197sun)
1L’anàlisi de la prova indoor es va fer per els estudiants Adrian Garcia, Marcos Ponsetí, Helena Antich i Belén Martí.
2Taula i càlculs realitzats per Adrian Garcia en 2011.
Figura 5: [Esquerra] Comparació sense teulada. [Dreta] Comparació amb teulada.
durant el dia segueix la sèrie de Tair però amb unoffset positiu de0.5°C de dia i amb alguna diferència màxima de fins un grau.
De nit, trobem diferències menors amb el sensor de referència (Tair) i de signe negatiu. La mesura del HC2s3 comença amb una diferència gran (màxim de 2°C) i va disminuint progressivament fins quedar una mica per damunt d’1°C. Les mesures del T107 i del TP mantenen les diferències durant la nit, el T107 és1°C més fred i el TP és0.5°C més fred (taula 4).
Amb teulada En el període del 27 al 31 de març quan es va emprar la teulada veiem que les diferències presenten una pujada de temperatura en el període que va de les 1430 UTC a les 1800 UTC de manera repetida (figura 6b). Es creu que aquest és un efecte local degut al muntatge realitzat amb la teulada. Al fer el mateix muntatge amb els 6 T107 a les seves mesures es veu (figura 6c) que és un efecte que arriba progressivament als sensors 6, 5 i 4 i que els altres no el detecten, donant suport a la idea d’un efecte local. Per aquest motiu, en la figura 7 s’ha eliminat aquest efecte. A més, a la comparació dels 6 sensors (figura 6c) s’observen unes diferències màximes de 0.5°C entre ells i es reprodueix el comportament del període anterior (figura 6b).
També es pot observar a la figura 6b que el període en que els TP varen estar col·locats va ser breu (de 0800 UTC a 1330 UTC) ja que es varen haver de treure perquè són sensors fràgils que no es poden exposar a vents elevats. A la diferència del TP exposat al sol es manté el que havíem trobat al període sense teulada. Mentrestant el TP* manté les diferències respecte del Tair centrades al zero, fent pensar que l’efecte que ha quedat eliminat pel fet de tenir la teulada és el que generava les diferències.
Els sensors T107 i HC2s3 coberts per la teulada (figures 6b i 6c) presenten de dia diferències molt més reduïdes respecte de quan es trobaven exposats directament però encarà així les diferències són de1°C per al T107 i 1.5°C per al HC2s3 durant el dia. De nit les diferències també es redueixen lleugerament passant a estar per davall del 0.5°C el T107 i el HC2s3 per davall del grau.
Comparació de garites de mida diferent La darrera comparació va ser entre el Tair i el HC2s3 que fins ara havia estat exposat dins d’una altra garita que és més petita que la de referència. Observem (figura 6d) que les diferències són cícliques i que per tant la mida de la garita afecta a la mesura. Una garita més petita implica una temperatura més elevada de dia i més freda de nit. En aquest cas les diferències són de 0.15°C.
Per completar aquest estudi era necessari comparar aquests Hc2s3 a dintre d’una càmera tèrmica trobant l’error indicat al manual de 0.1°C 3 fent que les diferències superiors a aquests error siguin atribuïbles a processos que afecten la mesura. Per tant, la contribució de les garites a la temperatura és de l’ordre de la dècima de grau.
Anàlisi de diferències degudes a la radiació neta i al vent Si decidim representar les diferències del T107 respecte de la radiació (figura 7) podem observar una progressió de les diferències deguda a la radiació, el Hc2s3 es comporta de manera similar i per això no s’inclouen els gràfics.
En el cas de la radiació neta sense teulada (figura 7, cantó superior esquerra) s’observa un cicle d’histèresi on la sortida del sol correspon a la branca de la dreta mentre que la posta de sol és la de l’esquerra. Trobem llavors, que no només la radiació sinó que també la incidència del sol afecta les discrepàncies entre sensors i que les diferències entre temperatures vénen clarament influenciades per la radiació. En protegir els sensors tenim transicions ràpides amb núvols de punts centrats entre 0 i 1°C de dia i 0 i≠0.5°C de nit per les mesures del T107. Aquests núvols estan centrats al voltant dels valors
3Aquesta comparació la va fer el Dr. Martínez Villagrasa.
a) 2.04.0 6.08.0 10.012.0 14.016.0 18.020.0 22.024.0 26.028.0
1200 11/03
0000 12/03
1200 12/03
0000 13/03
1200 13/03
−100 0 100 200 300 400 500 600 700
°C W/m−2
Temperature 11−13 March 2015
TP197sun Rn Hc2s3sun T107sun Tair
−3.0 −2.0
−1.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0
1200 11/03
0000 12/03
1200 12/03
0000 13/03
1200 13/03
°C
TP197sun−Tair T107sun−Tair Hc2s3sun−Tair
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
1200 11/03
0000 12/03
1200 12/03
0000 13/03
1200 13/03
m s−1
Time (UTC) Wind Speed
b)
6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 22.0 24.0 26.0 28.0
1200 27/03
0000 28/03
1200 28/03
0000 29/03
1200 29/03
0000 30/03
1200 30/03
0000 31/03
1200 31/03
−100 0 100 200 300 400 500 600 700
°C W/m−2
Temperature 27−31 March 2015
Rn Hc2s3*
T107*
Tair
TP197sun TP197*
−2.0 −1.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 1200 27/03
0000 28/03
1200 28/03
0000 29/03
1200 29/03
0000 30/03
1200 30/03
0000 31/03
1200 31/03
°C
TP197sun−Tair
T107*−Tair Hc2s3*−Tair TP197*−Tair
−2.0 −1.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 1200 27/03
0000 28/03
1200 28/03
0000 29/03
1200 29/03
0000 30/03
1200 30/03
0000 31/03
1200 31/03
m s−1
Time (UTC) Wind Speed
c)
8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 22.0 24.0 26.0 28.0
1200 31/03
0000 01/04
1200 01/04
−100 0 100 200 300 400 500 600 700
°C W/m−2
Temperature 31 March −1 April 2015
T107 1*
T107 2*
T107 3*
T107 4*
T107 5*
T107 6*
Hc2s3*
Tair Rn
−2.0
−1.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 1200 31/03
0000 01/04
1200 01/04
°C
Hc2s3*−Tair T107 1*−Tair T107 2*−Tair
T107 3*−Tair T107 4*−Tair T107 5*−Tair
T107 6*−Tair
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0
1200 31/03
0000 01/04
1200 01/04
m s−1
Time (UTC) Wind Speed
d)
0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0
0000 02/04
0000 03/04
0000 04/04
0000 05/04
0000 06/04
0000 07/04
0000 08/04
0000 09/04
0000 10/04
−100 0 100 200 300 400 500 600 700
°C W/m−2
Temperature 2 − 10 April 2015 Hc2s3small
Tair Rn
−0.3
−0.2
−0.1 0.0 0.1 0.2 0.3
0000 02/04
0000 03/04
0000 04/04
0000 05/04
0000 06/04
0000 07/04
0000 08/04
0000 09/04
0000 10/04
°C
Hc2s3small−Tair
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000
m s−1
Wind Speed
Figura 6: a) Dades del període de l’11 al 13 de març de 2015 amb mesures sense teulada. b) Dades del període del 27 al 31 de març de 2015 amb mesures amb teulada. c) Dades del 31 de març a l’1 d’abril de 2015 amb mesures amb teulada. Es comparen 6 T107 i el mateix HC2s3 amb el sensor de la garita. d) Dades del 2 al 10 d’abril de 2015. Es compara el mateix tipus de sensor amb la garita de referència que s’ha emprat fins ara i una de més petita.
−3
−2
−1 0 1 2 3 4 5 6
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
Δ T (° C)
Wind (ms−1)
1200 03/11 1800 03/11 0000 03/12 0600 03/12 1200 03/12 1800 03/12 0000 03/13 0600 03/13 1200 03/13 1800 03/13
−3
−2
−1 0 1 2 3 4 5 6
30 40 50 60 70 80 90 100
Δ T (° C)
RH (%)
1200 03/11 1800 03/11 0000 03/12 0600 03/12 1200 03/12 1800 03/12 0000 03/13 0600 03/13 1200 03/13 1800 03/13
−3
−2
−1 0 1 2 3 4 5 6
−200 0 200 400 600
Δ T (° C)
Rn (W/m2)
1200 03/11 1800 03/11 0000 03/12 0600 03/12 1200 03/12 1800 03/12 0000 03/13 0600 03/13 1200 03/13 1800 03/13
−1
−0.5 0 0.5 1 1.5 2
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Δ T (° C)
Wind (ms−1)
12:00 03/27 00:00 03/28 12:00 03/28 00:00 03/29 12:00 03/29 00:00 03/30 12:00 03/30 00:00 03/31 12:00 03/31 00:00 04/01 12:00 04/01
−1
−0.5 0 0.5 1 1.5 2
20 30 40 50 60 70 80 90 100
Δ T (° C)
RH (%)
12:00 03/27 00:00 03/28 12:00 03/28 00:00 03/29 12:00 03/29 00:00 03/30 12:00 03/30 00:00 03/31 12:00 03/31 00:00 04/01 12:00 04/01
−1
−0.5 0 0.5 1 1.5 2
−200 0 200 400 600 800
Δ T (° C)
Rn (W/m2)
12:00 03/27 00:00 03/28 12:00 03/28 00:00 03/29 12:00 03/29 00:00 03/30 12:00 03/30 00:00 03/31 12:00 03/31 00:00 04/01 12:00 04/01
−3
−2
−1 0 1 2 3 4 5 6
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
Δ T (° C)
Wind (ms−1)
1200 03/11 1800 03/11 0000 03/12 0600 03/12 1200 03/12 1800 03/12 0000 03/13 0600 03/13 1200 03/13 1800 03/13
−3
−2
−1 0 1 2 3 4 5 6
30 40 50 60 70 80 90 100
Δ T (° C)
RH (%)
1200 03/11 1800 03/11 0000 03/12 0600 03/12 1200 03/12 1800 03/12 0000 03/13 0600 03/13 1200 03/13 1800 03/13
−3
−2
−1 0 1 2 3 4 5 6
−200 0 200 400 600
Δ T (° C)
Rn (W/m2)
1200 03/11 1800 03/11 0000 03/12 0600 03/12 1200 03/12 1800 03/12 0000 03/13 0600 03/13 1200 03/13 1800 03/13
−1
−0.5 0 0.5 1 1.5 2
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Δ T (° C)
Wind (ms−1)
12:00 03/27 00:00 03/28 12:00 03/28 00:00 03/29 12:00 03/29 00:00 03/30 12:00 03/30 00:00 03/31 12:00 03/31 00:00 04/01 12:00 04/01
−1
−0.5 0 0.5 1 1.5 2
20 30 40 50 60 70 80 90 100
Δ T (° C)
RH (%)
12:00 03/27 00:00 03/28 12:00 03/28 00:00 03/29 12:00 03/29 00:00 03/30 12:00 03/30 00:00 03/31 12:00 03/31 00:00 04/01 12:00 04/01
−1
−0.5 0 0.5 1 1.5 2
−200 0 200 400 600 800
Δ T (° C)
Rn (W/m2)
12:00 03/27 00:00 03/28 12:00 03/28 00:00 03/29 12:00 03/29 00:00 03/30 12:00 03/30 00:00 03/31 12:00 03/31 00:00 04/01 12:00 04/01
Figura 7: [A dalt] Representació de les diferències de temperatura amb Tair del sensor T107 representades respecte de la radiació neta sense [esquerra] i amb [dreta] teulada.[A baix] Representació de les diferències de temperatura amb Tair del sensor T107 respecte del vent sense [esquerra] i amb [dreta] teulada.
indicats a la taula 5, podem fer el mateix per al cas sense teulada. Així desapareix el cicle d’histèresi quan no tenim radiació neta directa i obtenim unes diferències menors respecte la referència (Tair).
Passem a analitzar les gràfiques del vent de la mateixa figura de manera conjunta (figura 7, part inferior). En el cas sense teulada la velocitat del vent va ser inferior que en el període amb teulada on va arribar als 8m s≠1. En els dos casos trobam núvols de punts que estan dispersos i no apareix cap cicle com el que teníem amb la radiació. Això és degut a que la intensitat del vent varia de manera intermitent. Sí que trobem certa concentració de punts a la part positiva i a la part negativa que corresponen al dia i la nit respectivament. De nit la concentració de punts està situada al voltant de 0 i 1m s≠1 amb diferències negatives degudes al comportament nocturn dels sensors. El comportament del vent no pareix influenciar la mesura ni generar cap patró reconeixible. No és possible saber si la garita presenta problemes de ventilació que augmentin les diferències ja que amb vents molt fluixos aquestes no augmenten significativament.
3.1.3 Resum
Al llarg d’aquestes proves instrumentals hem pogut observar que els TP veuen desplaçada la seva tem- peratura 0.5°C amb incidència solar directa i que amb protecció d’aquesta radiació coincideixen amb el sensor dintre de la garita. Trobem que els TP són poc sensibles a la radiació i que l’error induït per la falta de protecció és assumible respecte a la dificultat de protegir-los.
L’ús dels sensors amb radiació directa T107 i Hc2s3 s’ha demostrat que no aporta una mesura realista de l’estat atmosfèric. De nit el comportament dels sensors és més fred que el de Tair amb diferències grans que també es veuen reduïdes amb la teulada.
El comportament del Hc2s3 exposat ja sigui amb o sense protecció de la radiació solar és molt diferent que el seu homòleg dintre de la garita pel qual no considerarem recomanable el seu ús sense garita. El T107 en canvi, que és un sensor robust i de preu moderat mostra un comportament millor amb protecció de la radiació directa que aconsegueix mantenir les diferències amb la garita per davall del grau.
sense teulada
Treferència Tair(201 cm)
Tdif=T-Tair TP197sun T107sun Hc2s3sun
Dia +0.5 +3.5 +4.5
Nit -0.5 -1.0 -1.5
Taula 4: Ordre de magnitud de les diferències en °C que presenta cada sensor respecte de Tair en el període sense teulada.
amb teulada
Treferència Tair(201 cm)
Tdif=T-Tdia TP197* TP197sun T107* Hc2s3*
Dia +/-0.2 +0.5 +1.0 +1.5
Nit X X -0.3 -0.8
Taula 5: Ordre de magnitud de les diferències en °C que presenta cada sensor respecte de Tair en el període amb teulada. Les X indiquen que no es disposen de dades per als TP de nit.
3.2 Anàlisi de dues nits estables
Es farà primer l’anàlisi de la nit d’octubre del 3 al 4 de 2012 i després s’analitzarà la nit del 12 al 13 de març de 2015 en comparació amb aquesta primera.
3.2.1 03-04 Octubre 2012
Entre el 3 i el 10 d’octubre de 2012 es va fer un període de mesures en dies de gran estabilitat d’estrati- ficació. Es va escollir la nit del 3 al 4 com a cas d’estudi degut als seus vents fluixos i processos a prop de la superfície.
Transcurs de la nit La nit del 3 al 4 va ser de gran amplitud tèrmica on tenim un canvi de temperatures dia-nit de més de12°C. Si observem la figura 8a podem veure a la sèrie de temperatura que al llarg de la nit es va produint un refredament fins que cap a les 2300 UTC la temperatura deixa de baixar i es manté al voltant dels mateixos valors. També hi ha refredaments sobtats amb certa periodicitat com el de les 0000 UTC que pertanyen a processos de barreja que provenen de capes superiors. Durant la nit tenim calma i vent de nord oscil·lant entre est i oest corresponents a vents de pendent i terral [Cuxart et al. (2007)]. A més, la nit va ser humida amb condensació en superfície.
Processos i interpretació Assumirem que els processos de barreja que veiem a la figura 8a en que la temperatura i vent augmenten venen induïts per un jet a capes superiors que s’inestabilitza i afecta la superfície. Amb la posta de sol tenim una baixada de temperatures en la que es forma el jet.
El jet genera una cisalla de vent que augmenta a mesura que s’accelera el jet i ocasionalment provoca un episodi de barreja que transporta aire fred cap amunt i aire calent de dalt cap a baix. Això implica que juntament amb la destrucció temporal (parcial o total) del jet, l’aire fred que teníem a baix ha passat a capes superiors i s’ha produït una barreja de les dues capes. Després d’aquest procés el jet tendeix a recuperar la seva forma juntament amb la inversió superficial que es restableix. Torna a començar a induir-se la cisalla de vent degut al jet fins que es torna a superar el valor de Richardson crític (figura 9) i s’inestabilitza de nou.
Aquests episodis de barreja coincideixen amb màxims locals de l’imbalanç en que l’augment de la temperatura provoca un escalfament en el terra i fa que el flux de terra disminueixi la seva capacitat de compensar la radiació (figura 8b). Per tant, aquest augment i posterior disminució en l’imbalanç està relacionat amb processos no locals i no mesurats.
Entre períodes de inestabilització trobem una desconnexió al llarg de la nit entre els primers30cm d’atmosfera i la resta que es comentarà més endavant. El comportament de la capa inferior ve induït pel terra que refreda la capa inferior i que en tenir un vent tan calmat queda estable.
Balanç d’energia Al balanç d’energia que ja hem referenciat (figura 8b) podem observar que tenim la radiació R al voltant dels 75W m≠2. El flux de terraG , ja corregit per l’Storage, agafa valors
a)
b)
−300 −250
−200 −150
−100 100 150 200 250 300 −50 50 0
1200 1500 1800 2100 0000 0300 0600 0900 1200
W m − 2
Time (UTC)
Terms of the Energy Budget
G 0cm Rn H LE+Imb
Figura 8: a) Comportament de la nit d’estudi del 3 al 4 d’octubre de 2012. De dalt a baix amb sèries minutals es representa: la temperatura dels vuit termoparells a diferents alçades, l’1 és el situat a1.5cm i el 8 és el situat a 192cm; la humitat relativaRH i el valor de la fulla d’humectació, el criteri és que si augmentaLWS trobam condensació; la direcció del vent, 0 és Nord, 90 és Est, 180 és Sud i 270 és Oest i la velocitat del vent . Font: [Martí et al.(2015)]. b) Balanç d’energia del mateix període amb mesures 5-minutals. Hi ha representades la radiació neta Rn, el flux de calor de terra G0cm a la superfície, la calor sensible H; la suma dels termes determinaLE+Imb. Les línies verticals indiquen la posta i sortida del sol.
Figura 9: Representació del nombre de Richardson per la nit del 3 al 4 d’octubre. Valors per davall d’1 es troben per davall del valor crític i indiquen que hi ha processos de barreja. Els valors assenyalats amb rectangles blaus són processos de barreja intensos que es veuen reflectits a les sèries de temperatura i vent. Les línies verticals indiquen la posta i sortida del sol.
suficients per compensar la radiació durant els períodes d’estabilitat. L’imbalanç durant els períodes de barreja arriba als50W m≠2 ja que el flux de terra es veu reduït amb l’escalfament de l’atmosfera.
Podem centrar-nos a estudiar els dos tipus de comportaments distints que tenim durant la nit. Un període d’estabilitat que dura de les 2150 UTC a les 2220 UTC i un de barreja de les 2220 UTC a les 2250 UTC. A la figura 10a tenim el balanç per aquest període on la radiació Rn varia quasi 10W m≠2 durant l’hora degut al refredament que experimenta l’atmosfera.
En el període d’estabilitat el vent es manté per davall de0.5m s≠1(figura 10b) mentre que en el segon augmenta però sense que laTke ho faci, indicant que el succés que s’ha produït ha estat de curta durada i ha quedat eliminat amb la mitjana 5-minutal.
Comportament de la temperatura A les figures 11 i 12 que corresponen als mateixos dos períodes de la figura 10 trobem dues representacions diferents de la temperatura. En la primera presentem perfils minutals en altura seleccionats per la seva representativitat i en la segona la sèrie temporal. Durant la nit esperem tenir perfils que presentin una inversió clara com el de les 2239 UTC, mentre que el que trobem en el període d’estabilitat és que en la capa propera a la superfície (fins a 30cm) tenim que la temperatura es manté sense gaire variació durant els primers quatres termoparells.
Si recordam els perfils de la figura 1b tenim un comportament similar però amb dues diferències clares que són que el comportament no s’estén a tanta altura i que és molt més moderat ja que la capa inferior és quasi isoterma mentre que a la figura 1b es troba un mínim de temperatura molt pronunciat en forma d’estratificació inestable.
En la figura 12 podem fer la distinció clara entre el comportament dels termoparells de 30cm cap amunt i els inferiors en el que s’observa el comportament separat. En tenir lloc l’episodi de barreja i augmentar el vent, que és turbulent, tenim que la capa freda desapareix i trobem la inversió nocturna amb gradients de pendent diferent (2225 UTC i 2239 UTC). En disminuir de nou el vent el perfil torna a l’estat d’estabilitat anterior (2249 UTC). Així, els primers 15cm de l’atmosfera es comporten de manera aïllada, condicionats pel terra més fred que refreda la capa, i a efectes pràctics és com si el terra s’hagués desplaçat cap amunt15cm, ja que el gradient es desplaça cap amunt i es produeix entre els 14 i30cm.
3.2.2 12-13 Març 2015
Una vegada estudiats els fenòmens que succeeixen a la nit d’octubre de 2012, analitzarem la nit del 12 al 13 de març de 2015 en comparació amb la primera.
Transcurs de la nit Tenim una nit que també té una gran amplitud tèrmica (figura 13) que és encara major que la d’octubre (figura 8a) degut a que la temperatura disminueix de manera progressiva durant tota la nit i no s’atura fins una hora abans de la sortida del sol. La humitat és alta mentre que la fulla d’humectació indica que hi havia condensació al llarg de la nit. La direcció del vent, que durant la tarda bufava de sud, canvia de nit per passar a ser de nord-oest, canviant a nord-est en alguns períodes, i és inferior al0.5m s≠1. Lakei laTke (figura 13) són majors que a l’octubre.
a)
−100
−50 0 50 100
2150 2200 2210 2220 2230 2240 2250
W m − 2
Time (UTC)
Terms of the Energy Budget
G 0cm Rn H Imb+LE
b)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
2150 2200 2210 2220 2230 2240 2250
Speed (m s
−1)
Time (UTC) 0
90 180 270 360
2150 2200 2210 2220 2230 2240 2250
DIR (°)
0.00 0.05 0.10 0.15
2150 2200 2210 2220 2230 2240 2250
m
2s
−2tke
ke
1005 1010 1015
2150 2200 2210 2220 2230 2240 2250
P(mbar)
Time (UTC)
Pressure
Figura 10: a) Balanç d’energia per a dos períodes un d’estabilitat (fins 2220 UTC) i un de barreja que el succeeix. S’observa un augment del valor de Imb+LE al període de barreja . b) De dalt a baix, sèries d’energia cinèticake i energia cinètica turbulenta Tke, direcció i velocitat del vent per al període d’estabilitat (fins 2220 UTC) i el de barreja. El balanç i les mesures deke iTke són 5-minutals mentre que la resta són minutals. Les mesures són de la nit del 3 al 4 d’octubre.
0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00
12 13 14 15 16
z(m)
°C
21:52:00
12 13 14 15 16
°C
21:57:00
12 13 14 15 16
°C
21:58:00
12 13 14 15 16
°C
22:11:00
0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00
12 13 14 15 16
z(m)
°C
22:21:00
12 13 14 15 16
°C
22:25:00
12 13 14 15 16
°C
22:39:00
12 13 14 15 16
°C
22:49:00
1
0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00
12 13 14 15 16
z(m)
°C
21:52:00
12 13 14 15 16
°C
21:57:00
12 13 14 15 16
°C
21:58:00
12 13 14 15 16
°C
22:11:00
0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00
12 13 14 15 16
z(m)
°C
22:21:00
12 13 14 15 16
°C
22:25:00
12 13 14 15 16
°C
22:39:00
12 13 14 15 16
°C
22:49:00
1
Figura 11: Perfils minutals de temperatura en altura de la nit del 3 al 4 d’octubre. La desviació estàndar indicada és la calculada pel datalogger amb la sèrie de mesures d’alta freqüència. [A dalt]
Període d’estabilitat. S’observa una capa inferior freda que es manté al llarg del temps. [A baix] Període de barreja. La capa inferior freda es veu alterada degut al vent i es recupera la inversió nocturna.
12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 15.0 15.5 16.0
2150 2200 2210 2220 2230 2240 2250
°C
Time (UTC)
Temperature 03−04 October 2012
1.5 cm 4.5 cm 7.5 cm 14 cm 30 cm 51.5 cm 104.5 cm 192 cm
Figura 12: Sèrie de temperatura minutal dels termoparells a diferents alçades del període d’estabilitat que dura dins les 2220 UTC i del període de barreja que el succeeix. Al període d’estabilitat s’observa un fenòmen d’estratificació mentre que al període de barreja aquesta desapareix. Es correspon a la nit del 3 al 4 d’octubre.
Processos i interpretació Durant aquesta nit es varen fer sondejos amb un globus captiu i no es va detectar que hi hagués jet a les capes superiors, per tant, l’anàlisi es farà partint d’aquesta hipòtesi.
Encara que no es tingués jet, trobem que el nombre de Richardson (figura 14) és menor a 1 durant gran part de la nit fet que ens indica que tenim processos de barreja.
A més, no tenim una estratificació forta com a l’octubre sinó que tota l’atmosfera està connectada i hi ha episodis de barreja en continu per davall del nombre de Richardson crític que transporten aire calent de capes superiors i el desplacen cap a capes inferiors.
Balanç d’energia En aquest cas disposem de les mesures deLEiH, aquesta ja corregida per a incloure la humitat en comptes d’agafar únicament la temperatura del sònic. A la figura 15 s’hi ha inclòsG≠5cm que és el flux de terra sense corregir ja que les variacions són degudes a l’Storage.
La radiació neta varia durant la nit de quasi 70W m≠2 fins als 55W m≠2. El flux G0cm presenta valors amb canvis de15W m≠2. Veiem que el valor de G0cm disminueix al llarg de la nit més ràpid que Rn fent que l’imbalanç sigui positiu i quedi molt oscil·lant. El valor de H té variacions de15W m≠2 i algun màxim lleugerament major induït per la component vertical del vent que també afecta a LE simultàniament. En general LEté valors per davall dels10W m≠2.
Comportament de la temperatura Per al que respecta als perfils de temperatura, degut a que el termoparell més a prop del terra es va col·locar a 4cm, és més difícil observar el comportament de la capa inferior. A més durant aquesta nit només tenim dos moments breus amb perfils inestables, de les 0413 UTC fins les 0417 UTC i 0514 UTC fins les 0520 UTC, com es veu al darrer perfil de la figura 16, mentre que a l’octubre es produïa aquest comportament de manera continuada a excepció dels episodis de barreja. A la figura 17 podem veure els dos períodes com a blocs del mateix color (lila) que pugen fins a certa altura. Aquests dos moments no es reflecteixen a les mitjanes 15-minutals i a més coincideixen amb períodes on el vent descendeix significativament.
En la figura 17 també s’observa el refredament continu durant tota la nit i episodis amb escalfaments sobtats que provenen de la barreja amb aire de capes superiors com és a les 0130 UTC que arriba fins a la superfície.
Si tornem a la gràfica 16 podem observar alguns d’aquests perfils seleccionats que presenten la típica inversió de temperatures nocturna amb diferents pendents dels gradients durant els primers50cm. Podem tenir el gradient molt accentuat durant els primers25cm com a les 0111 UTC o bé extendre’s fins a50cm com a les 0210 UTC i 0254 UTC en diferent grau.
El fet de que no trobem de manera significativa el perfil desplaçat cap amunt i que la temperatura baixi de manera progressiva durant tota la nit fa pensar que a l’octubre teníem qualque procés que impedia el refredament. Els valors de lakeiTkesuperiors d’aquest període respecte del de l’octubre que van lligats al vent són un clar indicador de que la cisalla de vent està generada per turbulència local i no per la inestabilització d’un jet a capes superiors.
0 5 10 15 20 25
1200 1400 1600 1800 2000 2200 0000 0200 0400 0600 0800 1000 1200
T(°C)
4 cm 8 cm 14.5 cm 21.5 cm
31.0 cm 55.0 cm 108.5 cm 197.0 cm
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
1200 1400 1600 1800 2000 2200 0000 0200 0400 0600 0800 1000 1200 Speed (m s−1 )
0 90 180 270 360
1200 1400 1600 1800 2000 2200 0000 0200 0400 0600 0800 1000 1200
DIR (°)
20 30 40 50 60 70 80 90 100
1200 1400 1600 1800 2000 2200 0000 0200 0400 0600 0800 1000 1200
RH (%)
RH LWS
0.0 0.2 0.4 0.6
1200 1400 1600 1800 2000 2200 0000 0200 0400 0600 0800 1000 1200 m2 s−2
tke ke
Figura 13: Comportament de la nit d’estudi del 12 al 13 de març de 2015. De dalt a baix: temperatura dels termoparells col·locats a diferents altures; humitat relativa RH i condensació, el criteri és que si LWS augmenta es produeix condensació; direcció del vent, velocitat del vent i energia cinèticakei energia cinètica turbulenta Tke. Les sèries són minutals a excepció de lake iTke que són 5-minutals.
−2 0 2 4 6 8 10
1800 12/03
2100 12/03
0000 13/03
0300 13/03
0600 13/03
0900 13/03
Rib
Time (UTC)
Rib
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00
1800
12/03 2100
12/03 0000
13/03 0300
13/03 0600
13/03 0900 13/03
wind speed
Time (UTC)
wind
−2.0 −1.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
1800
12/03 2100
12/03 0000
13/03 0300
13/03 0600
13/03 0900 13/03
dT
Time (UTC)
dT
Figura 14: Representació del nombre de Richardson per a la nit del 12 al 13 de març. Valors per davall d’1 es troben per davall del valor crític i indiquen que hi ha processos de barreja, en aquest cas ens trobem per davall del nombre crític durant quasi tota la nit. La posta de sol succeeix a les 1753 UTC i la línia vertical correspon amb la sortida de sol a les 0605 UTC.
−100
−75
−50
−25 0 25 50 75 100
1800
12/03 2100
12/03 0000
13/03 0300
13/03 0600
13/03 0900 13/03
W m
−2Time (UTC)
Terms of the Energy Budget
Rn G
−5cmG
0cmLE H Imb
−0.5 0 0.5
1800
12/03 2100
12/03 0000
13/03 0300
13/03 0600
13/03 0900 13/03
° C
Time (UTC) Delta T
Figura 15: Balanç d’energia de la nit d’estudi del 12 al 13 de març de 2015. Sèries 5-minutals de la radiació neta Rn, el flux de calor de terra a 5cm de profunditat i a 0cm, la calor sensibleH, la calor latentLE i la suma dels termes determinaImb. La posta de sol succeeix a les 1753 UTC i la línia vertical correspon amb la sortida de sol a les 0605 UTC.
0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00
3 3.5 4 4.5 5 5.5 6
z(m)
°C
2015−03−13 01:11:00
3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5
°C
2015−03−13 02:10:00
2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6
°C
2015−03−13 02:54:00
1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
°C
2015−03−13 05:17:00
0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00
z(m)
2015−03−11 13:19:00 2015−03−11 13:20:00 2015−03−11 13:21:00 2015−03−11 13:22:00 Figura 16: Els perfils minutals durant la nit del 12 al 13 de març presenten comportaments varis, només cap el final de la nit s’observa el comportament d’estratificació. Les desviacions estàndar indicades són les calculades peldatalogger amb la sèrie de mesures d’alta freqüència.
25
Figura 17: Gràfic hovmoller de la nit d’estudi del 12 al 13 de març de 2015 representat amb les dades dels termoparells. Es mostra la temperatura en escala de color segons la altura usant la sèrie minutal.
Es pot observar que la temperatura disminueix al llarg de la nit i tenim alguns escalfaments sobtats com el de les 0130 UTC.
