Πειραματική και θεωρητική μελέτη της δομής του ατμοσφαιρικού οριακού στρώματος στην πεδιάδα των Σπάτων

Abstract

The objective of this thesis is the experimental and theoretical study of the structure of the Atmospheric Boundary Layer (ABL) in Messogia Plain of Attica, focusing in the study of the Mixing Height (MH) and the Low Level Jet (LLJ) characteristics. This work introduces a newly developed algorithm for the estimation of Mixing Height with the use of data from a SODAR-RASS system. The MH characteristics during a 2-year period are studied with respect to the synoptic conditions of the lower troposphere and the mesoscale phenomena observed over Messogia Plain. The large scale LLJs clearly exhibited the highest MH values, especially during the night, due to the strong wind regime and the strong wind shear. The categories with the lowest MH values are the pure sea breeze and the easterlies, due to the close distance from the shoreline and the capping inversion that accompanies these meso-scale flows, while the calm wind conditions observed during the night, also produce very shallow mixed layers favoring the development of thermal inversions. The High-Low and the closed anticyclone synoptic types give the highest MH values during the day since these types are associated with the large scale LLJs. Τhe interaction of the different scale physical processes that control the development and evolution of the LLJs was investigated with the use of the Hilbert-Huang Transform (HHT) and the application the numerical model MM5. Two types of large scale LLJs (warm/cold period) were identified and studied as well as a typical case of a nocturnal LLJ. The synoptic forcing and the local circulation that leads to the alteration of the LLJ characteristics were found to be the generating mechanisms for the two representative cases analyzed in this work. Strong and significant amplitudes of inertial motions with elliptical nature were associated with the frontal events, while strong diurnal cycle variations associated with the local baroclinic field were detected for the case of the warm period LLJ. Finally, the analysis of the nocturnal LLJ showed that the major generation mechanism was the inertial oscillation due to the frictional decoupling in the layer of the jet. This work highlights the capability of the radio-acoustic systems to estimate significant parameters like the MH and provides useful information regarding the role of the different scale physical processes at the structure of the ABL over a coastal area of Eastern Mediterranean.

Η διατριβή αυτή έχει ως αντικείμενο την πειραματική και θεωρητική μελέτη της δομής του Ατμοσφαιρικού Οριακού Στρώματος (ΑΟΣ) στην πεδιάδα των Σπάτων, εστιάζοντας στη μελέτη των χαρακτηριστικών του Ύψους Ανάμειξης (ΥΑ) και των Αεροχειμάρρων Χαμηλού Ύψους (ΑΧΥ). Για την αντικειμενική εκτίμηση του ΥΑ αναπτύχθηκε αλγόριθμος με τη χρήση δεδομένων συστήματος SODAR-RASS. Τα αποτελέσματα της εφαρμογής του αλγόριθμου σε δεδομένα δύο ετών συσχετίστηκαν με τους συνοπτικούς τύπους και τα φαινόμενα μέσης κλίμακας που παρατηρούνται στην περιοχή. Κατά την ανάπτυξη ΑΧΥ, το ΥΑ εμφάνισε τις υψηλότερες τιμές, ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια της νύκτας, λόγω των ισχυρών ανέμων και της έντονης διάτμησης του ανέμου. Οι κατηγορίες με τις χαμηλότερες τιμές ΥΑ είναι αυτές της θαλάσσιας αύρας και των ανατολικών ανέμων λόγω της μικρής απόστασης από την ακτή και την θερμοκρασιακή αναστροφή που επικάθεται της ροής, ενώ οι συνθήκες άπνοιας κατά τη διάρκεια της νύκτας ευνοούν την ανάπτυξη ισχυρών θερμοκρασιακών αναστροφών οδηγώντας σε πολύ ρηχά στρώματα ανάμειξης. Οι συνοπτικοί τύποι Υψηλού-Χαμηλού και κλειστού αντικυκλώνα έδωσαν τις μεγαλύτερες τιμές ΥΑ οι οποίες συνδέονται με την εμφάνιση ΑΧΥ. Πραγματοποιήθηκε επίσης μελέτη της αλληλεπίδρασης των φυσικών μηχανισμών που ελέγχουν τη δημιουργία και εξέλιξη των ΑΧΥ με τη χρήση του μετασχηματισμού Hilbert-Huang (HHT) και την εφαρμογή του αριθμητικού μοντέλου ΜΜ5. Αναγνωρίσθηκαν και μελετήθηκαν δύο τύποι ΑΧΥ μεγάλης κλίμακας (θερμής/ψυχρής περιόδου) όπως και μια περίπτωση ενός τυπικού νυκτερινού ΑΧΥ. Η μελέτη ανέδειξε ως κύριους μηχανισμούς για την ανάπτυξη των ΑΧΥ μεγάλης κλίμακας τη συνοπτική κυκλοφορία και τις τοπικές ροές που οδηγούν στη διαφοροποίηση των χαρακτηριστικών των αεροχειμάρρων. Αναγνωρίστηκαν αδρανειακές κινήσεις ελλειπτικής φύσης με ισχυρά πλάτη κατά της διάρκεια της διέλευσης μετώπων, ενώ σημαντικές μεταβολές ημερήσιου κύκλου που σχετίζονται με το τοπικό βαροκλινικό πεδίο εντοπίστηκαν για την περίπτωση του ΑΧΥ της θερμής περιόδου. Τέλος, η μελέτη του νυκτερινού ΑΧΥ ανέδειξε ότι ο κύριος μηχανισμός ανάπτυξης του αεροχειμάρρου είναι η αδρανειακή ταλάντωση μετά από την αποδέσμευση του στρώματος ευστάθειας από την τριβή. Η εργασία αναδεικνύει τις δυνατότητες των ραδιο-ακουστικών συστημάτων μέτρησης στον υπολογισμό σημαντικών παραμέτρων όπως το ΥΑ και παρέχει χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με τον ρόλο των φυσικών μηχανισμών διαφορετικής κλίμακας στη δομή του ΑΟΣ σε μια παράκτια περιοχή της Ανατολικής Μεσογείου.