Migliori modelli della turbolenza per migliorare le previsioni meteorologiche
Lo strato limite planetario (PBL, planetary boundary layer) è uno strato atmosferico molto turbolento che collega la superficie della Terra con l’atmosfera più in alto che scorre liberamente. I meccanismi della turbolenza e del PBL controllano aspetti del cambiamento climatico e di eventi meteorologici estremi quali ad esempio ondate di calore, siccità, episodi di freddo estremo e di inquinamento dell’aria. Questi fenomeni sono stati riprodotti male dagli esistenti modelli atmosferici. Il progetto PBL-PMES (Atmospheric planetary boundary layers: Physics, modelling and role in Earth system) ha usato un nuovo modello concettuale per il PBL. La turbolenza può essere osservata come se possedesse tre componenti: flusso regolare, turbolenza caotica e strutture auto-organizzate. Le strutture auto-organizzate, come le celle di convezione, sono i componenti ad essere stati più spesso gestiti male. La nuova teoria sulla chiusura della turbolenza con bilancio di energia e flusso (EFB) è stata sviluppata e preparata per essere applicata in modelli per previsioni del tempo, clima e qualità dell’aria. La teoria mostra che la turbolenza geofisica non si deteriora nemmeno in stratificazioni stabili in modo supercritico (quando i flussi su scala più piccola diventano laminari) a causa di due meccanismi. Il flusso di galleggiamento è auto-regolato dal trasferimento di calore opposto al gradiente spinto dall’energia potenziale turbolenta, e vi è uno scambio efficiente tra energia cinetica ed energia potenziale turbolenta. Il concetto del PBL convettivo basato sulla triplice decomposizione è stato sviluppato e verificato in rapporto ai dati disponibili e ad attuali simulazioni LES (large eddy simulation). Modelli avanzati di PBL stratificati in modo stabile e neutro, incluso il PBL riconosciuto di recente convenzionalmente neutro (tipico al di sopra degli oceani) e il longevo PBL stabile (tipico al di sopra dei continenti a latitudini elevate), sono stati derivati e impiegati per sviluppare nuovi algoritmi superficie-flusso che chiariscono le interazioni tra lo strato superficiale e il nucleo del PBL. Un numero elevato di studi in tempo reale paralleli alle misurazioni sul campo sono stati effettuati e usati per arricchire i risultati delle osservazioni, inclusi studi per i flussi turbolenti al di sopra del ghiaccio marino artico e per i pericoli relativi alla qualità dell’aria urbana in caso di PBL molto stabile. Un nuovo concetto di retroazione PBL-clima, che chiarisce la forza della sensibilità termica del PBL, è stato sviluppato e impiegato per spiegare fino al 70 % delle tendenze della temperatura osservate e della variabilità del cambiamento climatico a latitudini elevate. La chiusura del EFB e la parametrizzazione del PBL sono in fase di preparazione per l’implementazione in modelli di tempo, qualità dell’aria e clima in molti paesi dell’UE e negli Stati Uniti.
Parole chiave
Turbolenza atmosferica, celle convettive, strato limite planetario, cambiamento climatico, PBL-PMES
