The wind profile in the atmospheric stable boundary layer over complex terrain and heterogeneous surfaces: limitations of local similarity theory

L'indagine ha riguardato il profilo del vento nei primi 30 metri dello strato limite atmosferico stabile nell'ambito della teoria di similarità locale. Ad oggi, diversi esperimenti hanno confermato la validità della teoria per strati-limite su terreni livellati e superfici omogenee. Tali condizioni ideali sono però infrequenti nella realtà ed è perciò importante capire quali siano i limiti della similarità locale per strati-limite su terreni complessi e superfici disomogenee. Entrambe le condizioni sono presenti a Ny-Alesund (Svalbard, Norvegia) dove il Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), nel 2009, ha installato una torre di 30 m, la Amudsen-Nobile Climate Change Tower (CCT), per lo studio dello strato-limite artico. Il lavoro di tesi ha riguardato misure di vento e turbolenza acquisite sulla CCT da maggio 2012 a maggio 2014. Il confronto tra le velocità del vento misurate dagli anemometri installati sulla CCT, ha rivelato criticità nel dato sonico manifestatesi con sovrastime sistematiche e maggiore erraticità rispetto alle misure provenienti dagli anemometri a elica. Un test condotto fra diversi metodi per il calcolo dei gradienti verticali della velocità del vento ha rivelato scarsa sensibilità dei risultati ottenuti al particolare metodo utilizzato. Lo studio ha riguardato i gradienti verticali adimensionali della velocità del vento nei primi 30-m dello strato limite stabile. Deviazioni significative tra i tra le osservazioni e i valori predetti dalla similarità locale sono state osservate in particolare per i livelli più distanti dal suolo e per valori crescenti del parametro di stabilità z/L (L, lunghezza di Obukhov locale). In particolare, si sono osservati gradienti adimensionali inferiori a quelli predetti dalle più usate relazioni di flusso-gradiente. Tali deviazioni, presenti perlopiù per z/L>0.1, sono state associate ad un effetto di accentuazione della turbolenza da parte delle irregolarità del terreno. Per condizioni meno stabili, z/L<0.1, scarti positivi tra i gradienti osservati e quelli attesi sono stati attribuiti alla formazione di strati limite interni in condizioni di vento dal mare verso la costa. Sono stati proposti diversi metodi per la stima dell'effetto della self-correlazione nella derivazione delle relazioni di flusso-gradiente, dovuta alla condivisione della variabile u*. La formula per il coefficiente lineare di self correlazione e le sue distribuzioni di probabilità empiriche sono state derivate e hanno permesso di stimare il livello di self-correlazione presente nel dataset considerato.

Analysis of evening and morning transitions in complex terrain: MATERHORN campaign 2013

A field study of thermal circulation over very gentle slope is described for a specific day characterised by weak synoptic conditions. The emphasis was on morning and evening transitions, but measurements cover the entire day; therefore a brief analysis is performed to represent the general thermal circulation pattern. Both transition periods are characterised by complex dynamic behaviours. During evening transition, the upslope flow has got through a stagnation condition characterised by wind velocity U<0:5 m=s. Only when the stagnating air has become negative buoyant, the flow is allowed to pour downslope like a slab. Some features of front formation has been found during the transition development, such as delay time of downslope flow start up along the slope, and the presence of positive turbulent kinetic energy at the onset of the motion. Eventually the observed evening transition has followed a mixed mechanisms, with features from different models. Therefore the Rayleigh number seems not to be a good criterion by which parametrise evening transition itself. Morning transition is characterised by destruction of nocturnal temperature inversion and the onset of upslope flow. Inversion destruction can be described in terms of CBL growth at surface and inversion decent from the top of the layer. KH has found to be a good indicator of inversion breakup, if used as parameter to study the inversion breakup in terms of temperature reversal. After the inversion breakup, buoyancy and mechanical productions supply the flow with the necessary energy to start the upslope wind. More quantitative analysis are provided by the study of stability parameters and turbulent kinetic energy budgets. Gradient Richardson number has been used in this terms, finding that a mixed SBL-CBL behaviour dominates the most of the observed layers. Tke budget has shown high turbulent behaviour during morning transition while the evening transition has developed entirely in laminar condition, apart from short intermittent turbulent events.