Investigating the dynamics of the Marine Atmospheric Boundary Layer and the wave field coupled system
Authors: Πορταλάκης Παναγιώτης 
Published: September 2023

Ο ερευνητικός στόχος της παρούσας διατριβής επικεντρώνεται στην ανάπτυξη του Θαλάσσιου Ατμοσφαιρικού Οριακού Στρώματος (ΘΑΟΣ) ως συνάρτηση των τυρβωδών επιφανειακών ροών. Συγκεκριμένα, διερευνάται η επίδραση των κυμάτων στη ροή τυρβώδους ορμής και η επίδραση του θαλάσσιου σπρέι στη ροή θερμότητας και υγρασίας.Αρχικά, δύο διαφορετικές προσεγγίσεις για τον υπολογισμό του συντελεστή αντίστασης χρησιμοποιήθηκαν προκειμένου να υπολογιστεί η επιφανειακή τυρβώδης ροη ορμής στο Αιγαίο Πέλαγος. Συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκαν ο αλγόριθμος COARE και ένα μοντέλο περιγραφής του Κυματικού Ατμοσφαιρικού Οριακού Στρώματος, που ονομάζεται KCM, το οποίο έχει τροποποιηθεί, ώστε να λαμβάνει υπόψη την ατμοσφαιρική διαστρωμάτωση, αλλά και τις ιδιαίτερες κυματικές συνθήκες του Αιγαίου Πελάγους (KCMmod). Για την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων χρησιμοποιούνται πειραματικές τυρβώδεις ροές από πτήσεις που πραγματοποιήθηκαν στα πλαίσια του Aegean-GAME που διεξήχθη κατά τη διάρκεια Ετησίων. Οι εκτιμήσεις της επιφανειακής ροής ορμής της τροποποιημένης έκδοσης KCM βρέθηκαν έως και 10% υψηλότερες από αυτές του COARE, υποδεικνύοντας ότι η ροή ορμής λόγω κυμάτων μπορεί να είναι ανεπαρκώς παραμετροποιημένη στο COARE. Σε συνθήκες ασταθούς διαστρωμάτωσης και χαμηλότερου ανέμου οι διαφορές μεταξύ των εκτιμήσεων του KCMmod και των μετρήσεων είναι κάτω από 40%, ενώ σε συνθήκες ευσταθούς διαστρωμάτωσης και ισχυρότερου ανέμου οι διαφορές είναι μεγαλύτερες από 40%. Η απόκλιση αυτή συνδέεται με το μεγάλο ύψος μέτρησης από την επιφάνεια της θάλασσας, το ρηχό ΘΑΟΣ και την παρουσία ενός αεροχειμάρου.Στη συνέχεια, για τη μελέτη της επίδραση του θαλάσσιου σπρέι τόσο στη δομή του ΘΑΟΣ όσο και στη δημιουργία χαμηλών νεφών πραγματοποιήθηκαν υψηλής ανάλυσης προσομοιώσεις μεγάλων στροβίλων (LES), υπό συνθήκες έντονου ανέμου, που συμπεριλαμβάνουν τις αλλαγές φάσης του νερού. Χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο LES του MISU MIT Cloud and Aerosol (MIMICA) και ο μηχανισμός αλληλεπίδρασης θάλασσας-ατμόσφαιρας ενσωματώθηκε μέσω δύο αλγορίθμων υπολογισμού των επιφανειακών τυρβωδών ροών, του COARE και του Andreas που περιλαμβάνει τις ροές λόγω του θαλάσσιου σπρέι. Το σενάριο προσομοίωσης βασίζεται σε δεδομένα από το πείραμα CBLAST-Hurricane, ενώ διαγράμματα οπτικοποίησης της ροής, στατιστική ανάλυση (πρώτης και δεύτερης τάξης) και το ενεργειακό φάσμα της τύρβης χρησιμοποιήθηκαν για την ανάλυση των διαφορών μεταξύ των προσομοιώσεων. Στις προσομοιώσεις όπου συμπεριλαμβάνεται η συνεισφορά του θαλασσιού σπρέι οι εκτιμήσεις της ροής υγρασίας αυξάνονται έως και 45% και συμφωνούν καλύτερα με τις μετρήσεις. Η ροή αισθητής θερμότητας λόγω του θαλασσιού σπρέι είναι αντίθετη από τη ροή διεπιφάνειας και αντιπροσωπεύει έως και το 60% του μεγέθους της. Όταν συμπεριλαμβάνονται οι ροές λόγω σπρέι η οριζόντια συνιστώσα της ταχύτητας (παράλληλη στην επικρατούσα ροη), η θερμοκρασία και η υγρασία δημιουργούν δομές μεγάλης κλίμακας. Παρόλα αυτά η δομή της κατακόρυφης συνιστώσας της ταχύτητας δεν εμφανίζει σημαντικές διαφοροποιήσεις ανάμεσα στις προσομοιώσεις κάτω από το μέσο του ΘΑΟΣ, ενώ κάποιες διαφορές παρατηρούνται ψηλότερα. Η αυξημένη ροη υγρασίας λόγω της συνεισφοράς του σπρέι δημιουργεί πιο εκτεταμένη νέφωση με την μορφή θαλάσσιου στρωματοσωρείτη. Τα οπτικά παχύτερα σύννεφα έχουν σαν αποτέλεσμα την μείωση της συνολικής επιφανειακής ακτινοβολίας έως και 30Wm^(-2).