Simulación de los campos de viento de la Península Ibérica y el área geográfica de Catalunya con alta resolución espacial para distintas situaciones meteorológicas típicas.
Authors:   , Jorba Casellas Oriol 
Published: October 2023

La qualitat de l'aire d'una zona està directament lligada amb la situació meteorológica present i les seves característiques dispersives. Per aquest motiu, l'estudi dels vents en uns regió suposa una aportació d'informació necesaria per a poder aprofundir en diversos camps científics. El present tema de Tesis aprofundeix en el coneixemnet del camp de vents de la Península Ibérica i de l'Àrea Geográfica de Catalunya (AGC).<br/><br/>Com a pas previ a l'estudi dels camps de vents s'han identificat les situacions atmosfèriques típiques que afecten a la regió d'estudi. S'ha realitzat una extensa revisió bibliogràfica de les diferents classificacions de situacions sinòptiques típiques de la Península Ibérica i Catalunya. De l'estudi s'ha vist la dificultat de trobar una classificació unitària que englobi la majoria de propostes realitzades fins el moment. Per això, tenint en compte que les classificacions existents presenten un elevat grau de subjectivitat s'ha optat per proposar i aplicar una metodologia poc desenvolupada en la regió d'estudi per tal d'analitzar els fluxos que afecten a la Península Ibèrica des d'un punt de vista estadístic.<br/><br/>D'aquesta manera, s'ha implementat un algoritme de agrupació per cúmuls per analitzar les retro-trajectòries amb destí l'àrea de Barcelona. A partir d'una base de dades de 5 anys de retro-trajectòries cinemàtiques de 4 dies, calculades amb el model Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory (HYSPLIT), s'han obtingut un conjunt de cúmuls de retro-trajectòries de curvatura i longitud similar. Per poder realitzar descripció més acurada de la circulació troposfèrica afectant Barcelona, s'han analitzat les retro-trajectòries amb destí a 5500, 3000 i 1500 m s.n.m. a Barcelona. Els principals patrons de transport identificats a 5500 m es classifiquen en fluxos del W, fluxos del NW, fluxos del SW, i recirculacions regionals de masses d'aire sobre Europa i la mar Mediterrània. Es descriu la distribució anual dels diferents patrons de transport. A l'estiu, els fluxos moderats de W i SW en la mitja troposfera, fluxos dèbils de W i SW a 3000 m, i les recirculacions regionals a 1500 m caracteritzen els patrons de transport que afecten a Barcelona. Aquest patró general varia a l'hivern, amb major freqüència de les adveccions del W a 5000 m, i un augment de les situacions del N i NW a 1500 m. Combinant els resultats a 5000 y 1500 m s'observen un gran nombre de situacions amb desacoblament entre la troposfera baixa i mitja.<br/><br/>A partir d'aquests resultats s'han escollit set dies que són representatius de diferents situacions atmosfèriques típiques que afecten a la Península Ibèrica definides a partir dels fluxos en la troposfera mitja i baixa (W-W, W-NW, W-wR, SW-wR, R-eR, SW-eR, NW-N). Amb l'aplicació del model numèric de pronòstic meteorològic mesoscalar mesoscalar 5th generation Mesoscale Model (MM5) s'han descrit els camps de vent d'aquestes situacions per a la Península Ibèrica i el AGC. Les simulacions s'han realitzat amb elevada resolució horitzontal (24 i 2 km respectivament). Els resultats permeten descriure les circulacions i règims de vents que s'estableixen, i permeten caracteritzar les particularitats principals de les mateixes en referència als vents. Per descriure les característiques dispersives i turbulentes de la troposfera, i especialment de la capa fronterera, es descriu també l'evolució de l'energia cinètica turbulenta per a cada dia d'estudi.<br/><br/>S'ha realitzat un esforç important per quantificar el errors tant en superfície com en altitud dels vents i la temperatura de l'aire en la validació de les simulacions. S'han calculat diferents estadístics per analitzar l'error del model, visualitzant l'evolució horària i espacial del mateix. Per analitzar el comportament en altitud s'han validat les simulacions amb radiosondatges distribuïts pels dominis d'estudi.

El conocimiento de los campos de vientos de una región tiene una relevancia muy significativa para poder describir las circulaciones y comportamiento de los flujos en determinadas circunstancias. La calidad del aire de una zona está directamente ligada con la situación meteorológica presente y sus características dispersivas. Por ello, el estudio de los vientos en una región supone un aporte de información necesario para poder profundizar en distintos campos científicos como pueden ser la calidad del aire o la valoración de los recursos energéticos de una zona.<br/><br/>El paso previo al estudio de los campos de vientos de la Península Ibérica y el AGC ha sido la identificación de las situaciones atmosféricas típicas que afectan a la región de estudio. Se ha realizado una extensa revisión bibliográfica de distintas clasificaciones de situaciones sinópticas típicas de la Península Ibérica y Catalunya. Del estudio se ha visto la dificultad de encontrar una clasificación unitaria que englobe la mayoría de propuestas realizadas hasta el momento. Por ello, y viendo que las clasificaciones existentes presentan un elevado grado de subjetividad se ha optado por aplicar una metodología poco desarrollada en la región de estudio para analizar los flujos que afectan a la Península Ibérica desde un punto de vista estadístico.<br/><br/>Así, se ha implementado un algoritmo de agrupación por cúmulos para analizar las retro-trayectorias con destino el área de Barcelona. A partir de una base de datos de 5 años de retro-trayectorias cinemáticas de 4 días, calculadas con el modelo HYSPLIT, se obtiene un conjunto de cúmulos de retro-trayectorias de curvatura y longitud similar. Para poder realizar una mejor descripción de la circulación troposférica afectando a Barcelona, se han analizado las retro-trayectorias con destino a 5500, 3000 y 1500 m s.n.m. en BCN. Los principales patrones de transporte identificados a 5500 m se clasifican en flujos del W, flujos del NW, flujos del SW, y recirculaciones regionales de masas de aire sobre Europa y el mar Mediterráneo. Se describe la distribución anual de los distintos patrones de transporte. En verano, los flujos moderados de W y SW en la media troposfera, flujos débiles de W y SW a 3000 m, y las recirculaciones regionales a 1500 m caracterizan los patrones de transporte que afectan a Barcelona. Este patrón general varia en invierno con mayor frecuencia de las advecciones del W a 5000 m, e un incremento de las situaciones del N y NW a 1500 m. Combinando los resultados a 5000 y 1500 m se observan un gran número de situaciones con desacoplamiento de la baja troposfera de la media troposfera.<br/><br/>A partir de estos resultados se han escogido siete días que son representativos de distintas situaciones atmosféricas típicas que afectan a la Península Ibérica. Con la aplicación del modelo numérico de pronóstico meteorológico mesoscalar MM5 se han descrito los campos de vientos de estas situaciones para la Península Ibérica y el AGC. Las simulaciones se han realizado con elevada resolución horizontal (2 km) para el AGC. Los resultados permiten describir las circulaciones y regímenes de vientos que se establecen, y permiten caracterizar las particularidades principales de las mismas en cuanto a los vientos se refiere. Para describir las características dispersivas y turbulentas de la troposfera, y especialmente de la capa fronteriza se describe también la evolución de la energía cinética turbulenta para cada día de estudio.<br/><br/>Para la validación de las simulaciones se ha realizado un esfuerzo importante para cuantificar los errores tanto en superficie como en altitud de los vientos y la temperatura del aire. Se han calculado distintos estadísticos para analizar el error absoluto del modelo, visualizando la evolución horaria del mismo, y también el sesgo de los resultados. Para analizar el comportamiento en altitud se han validado las simulaciones con radiosondeos distribuidos a lo largo de la Península Ibérica y el AGC.

The air quality of a region is directly related with the present meteorological situation. The study of the winds of a region represents an important contribution to the knowledge of several scientific fields. The present PhD Thesis focuses on the knowledge of the wind field of the Iberian Peninsula and the Catalonia geographical area.<br/><br/>The first step in the study of the wind field of a region is the identification of the typical synoptic situations affecting the zone. An extended bibliographic revision of the different classifications of the synoptic situations is presented for the Iberian Peninsula and Catalonia. The bibliographic revision has pointed out the difficulty aroused when a unified classification is intended. For that reason, and due to the high subjective approach used in the proposed classifications, a more objective approach is proposed and applied to the region of study.<br/><br/>A cluster algorithm was implemented to analyze the backward trajectories arriving in the Barcelona area. Five years of 4-day kinematic back trajectories, computed with the HYbrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory model version 4 (HYSPLIT), were clustered and classified in groups of similar length and curvature. To better describe the tropospheric circulations at BCN, backward trajectories arriving at 5500, 3000, and 1500 m above sea level were analyzed. The main transport patterns are identified at 5500 m: westerly flows, northwesterly flows, and regional recirculations over Europe and the Mediterranean Sea. An annual distribution of the transport patterns is described. During summertime, moderate westerlies and southwesterlies in the middle troposphere, slow westerlies and southwesterlies at 3000 m, and regional recirculations at 1500 m characterize the Barcelona long-range transport. This general pattern varies during wintertime with more westerlies at 5500 m, and an increase of northern and northwestern situations at 1500 m. Large number of situations with decoupling between lower from middle troposphere are observed when combining 5500 m and 1500 m cluster results.<br/><br/>From these results, seven meteorological situations have been selected as representative cases of the several synoptic situations affecting the Peninsula Iberica (W-W, W-NW, W-wR, SW-wR, R-eR, SW-eR, NW-N).The wind fields of the region of study has been described with the application of the the mesoscale numerical weather prediction 5th generation Mesoscale Model (MM5). The simulations have been performed with high horizontal resolution for the Peninsula Iberica and AGC (24 and 2 km) for the AGC. The results show the complex circulations developed within the domain of study, and the basic features of the wind fields can be analyzed. With the aim to describe the turbulence and dispersion of the troposphere, and with special attention to the boundary layer, the turbulent kinetic energy is analyzed.<br/><br/>A special effort has been realized to quantify the errors of the simulations. Surface and aloft fields of wind and temperature have been validated. Several statistics are calculated, and temporal and spatial representations of them are performed. To analyze the behavior of the model aloft, the results are compared with radiosoundings located along the domains of study.