Large-Eddy Simulation: a tool to study land-atmosphere interactions

Large-Eddy Simulations (LES) of the Atmospheric Boundary Layer (ABL), if coupled with a Land Surface Model (LSM), can reproduce the feedback that exists between the ground and the overlying air. This is of great importance in terms of land-atmosphere interactions, but the resulting modelling framework is complex and also challenging to verify and to setup. Hence, a profound awareness of the model capabilities is fundamental in order to produce valuable results that can be used in studies concerning land-atmosphere interactions. In this thesis the capabilities of the open source mesoscale model RAMS (Regional Atmospheric Modeling System) in performing LES of the ABL are assessed in both idealized and realistic conditions. Then, a coupled LES-LSM is used to quantify the impact that the spatial distribution of meteorological forcings has on the water and energy balance at the surface. In particular, RAMS-LES performances are extensively investigated under idealized free convection and neutral regimes. The impact of grid resolution is determined, providing guidelines for grid design in both the examined conditions. Cell aspect ratio (horizontal over vertical resolution) has resulted to be a key parameter for grid design in RAMS. In fact, to obtain a correct reconstruction of ABL turbulence, it requires not only a sufficiently fine horizontal resolution, but also an adequate corresponding vertical grid spacing. Different values of the optimal aspect ratio and minimum horizontal resolution are identified for free convection and neutral regimes. The analysis of RAMS-LES capabilities in convective conditions is enriched by the comparison with the results obtained with the Weather Research and Forecasting (WRF) model, for which a minor role of grid aspect ratio is revealed. RAMS-LES is also evaluated in simulating ABL evolution and land-atmosphere interactions when coupled with a land-surface model and used in real conditions. The coupled model predictions are compared against field measurements and a good agreement is found for both temporal and spatial patterns. The impact that surface heterogeneity level of description has on the coupled model results is examined, and a different role in ABL turbulence and surface quantities reproduction is evidenced. Finally, the error that is introduced in surface water and energy balance by the spatial interpolation of meteorological forcings is assessed thanks to a coupled LES-LSM. The impact of meteorological forcings spatial distribution on turbulent heat fluxes has resulted to be regulated by soil water content. Moreover, an alternative interpolation method that improves microscale meteorological fields reconstruction is proposed and tested.

La Large-Eddy Simulation (LES) dello strato limite atmosferico (Atmospheric Boundary Layer, ABL), se accoppiata con un modello di superficie (Land Surface Model, LSM), può riprodurre il feedback esistente tra superficie del suolo e aria sovrastante, il quale risulta essere di fondamentale importanza in termini di interazioni suolo-atmosfera. Tale sistema modellistico accoppiato è però uno strumento di non semplice impiego: sia il suo utilizzo che la verifica della validità dei risultati ottenuti possono risultare complessi. Di conseguenza, una rigorosa comprensione delle capacità del modello utilizzato è di fondamentale importanza per garantire che i risultati possano essere impiegati per approfondire la conoscenza delle interazioni suolo-atmosfera. In questa tesi sono valutate le capacità del modello di mesoscala RAMS (Regional Atmospheric Modeling System) di eseguire LES dello strato limite atmosferico sia per simulazioni in condizioni ideali che realistiche. Inoltre, i risultati di una simulazione accoppiata LES-LSM sono utilizzati per quantificare l'impatto della distribuzione spaziale delle forzanti meteo su un modello di bilancio di massa ed energia alla superficie. In particolare, RAMS è testato sia in condizioni di convezione libera che neutre, investigando l'impatto della risoluzione spaziale della griglia computazionale sui risultati, così da fornire delle linee guida per la scelta della griglia in entrambi i regimi analizzati. Il rapporto tra la risoluzione orizzontale e verticale risulta essere un parametro chiave per la qualità della LES in RAMS. Infatti RAMS riproduce correttamente la turbolenza dello strato limite atmosferico a condizione che sia utilizzata una risoluzione orizzontale sufficientemente fine combinata con una risoluzione verticale compatibile secondo i rapporti ottimali evidenziati dall'analisi eseguita. Alle condizioni neutre e di convezione libera corrispondono valori diversi di tali rapporti e della minima risoluzione orizzontale richiesta. L'analisi in regime convettivo è completata dal confronto con i risultati ottenuti, per simulazioni analoghe, con il modello WRF (Weather Research and Forecasting model), per il quale il parametro fondamentale nella definizione della griglia risulta invece essere la sola risoluzione orizzontale. RAMS, accoppiato con un modello di superficie, è inoltre testato in una simulazione di un ciclo diurno dello strato limite atmosferico in condizioni reali. I risultati della simulazione accoppiata mostrano un buon accordo con le corrispondenti misure di campo sia in termini di evoluzione temporale che di distribuzione spaziale. Inoltre l'impatto della scala spaziale utilizzata per la rappresentazione dell'eterogeneità superficiale è valutato sia sulla turbolenza dell'ABL che sulle grandezze di superficie. Infine, l'errore dovuto all'utilizzo di mappe interpolate delle forzanti meteo in un modello di bilancio di massa e di energia è quantificato sfruttando i campi di tali grandezze ottenuti dalla simulazione accoppiata LES-LSM. In termini di flussi di calore sensibile e latente esso risulta essere regolato dall'umidità del suolo. Inoltre è proposto e testato un metodo di interpolazione alternativo che migliora la ricostruzione dei campi meteo alla microscala.