Statistical comparison of modelled and SODAR measured turbulence data in a coastal area

Abstract

The standard deviations of wind components (σ u , σ v , σ w) are used by Particle Dispersion (PD) models to calculate the random motion causing the dispersion of pollutants. The goodness of concentration results is known to be dependent on the accuracy of the evaluations of wind component fluctuations. A study has been conducted to investigate the ability of the boundary layer formulations used in the PD model SPRAY in estimating the actual variance of wind components. A comparison of the σ w and u * data calculated by SPRAY, with those measured by means of a sonic anemometer and a SODAR system, both located in a coastal area, has been carried out. Modelled and observed σ w data have been studied under different atmospheric turbulence and wind conditions. The effect of the land use of the model cell and its representativeness with respect to the land/sea wind direction, were also investigated. A seasonal statistical comparison was conducted by means of least-square and frequency of occurrence methods, both applied at different heights. Results exhibit a general underestimation of σ w data predicted by SPRAY with respect to the measured one. The level of agreement is found to be dependent on the atmospheric stability and on land/sea wind regimes. A strong dependence on friction velocity estimations is found as well. A way to improve the model estimations is also presented. Zusammenfassung Die Standardabweichungen der Windkomponenten (σ u , σ v , σ w) werden von Ausbreitungsmodellen für Partikel (PD-Modell) benutzt, um die zufälligen Bewegungen zu modellieren, die die Ausbreitung der Schadstoffe verursachen. Die Güte der mit dem Modell erhaltenen Konzentrationen ist bekanntlich von der Genauigkeit der Bestimmung der Windfluktuationen abhängig. Daher wurde eine Studie mit dem Ziel erstellt, die Fähigkeit der Grenzschichtparametrisierung in dem PD-Modell SPRAY zur Abschätzung der aktuellen Varianz der Windkomponenten zu untersuchen. Es wurden mit SPRAY berechnete σ w-und u *-Werte mit solchen, die in Küstennähe mit einem Ultraschallanemometer und einem SODAR erhalten wurden, verglichen. Verschiedene atmosphärische Turbulenz-und Windbedingungen wurden berücksichtigt. Ebenso wurde der Einfluss der Landnutzung im Modell in Hinblick auf ihre Repräsentativität für Windrichtungen von Land oder von See untersucht. Ein jahreszeitenabhängiger statistischer Vergleich wurde mit Least-square-Verfahren und Häufigkeitsverteilungen für verschiedene Messhöhen gemacht. Die Ergebnisse zeigen eine allgemeine Unterschätzung der mit SPRAY vorhergesagten σ w-Werte gegenüber den Messdaten. Der Grad der Überseinstimmung erweist sich als abhängig von der thermischen Stabilität und dem Land-Seewind-Regime. Für die Schubspannungsgeschwindigkeit wird ebenfalls eine starke Abhängigkeit gefunden. Eine Möglichkeit zur Modellverbesserung wird vorgestellt.

Boundary layer structure and stability classification validated with CO<sub>2</sub> concentrations over the Northern Spanish Plateau

“…They are considered useful tools to investigate lower troposphere behaviour and structure (Emeis and Schäfer, 2006;Emeis et al, 2007), turbulence and dispersion variables (French, 2002;Engelbart et al, 2007;Gariazzo et al, 2007) and also pollutant transport (Augustin et al, 2006). In this paper a Radio Acoustic Sounding System (RASS) sodar was used to investigate the less known part of the low atmosphere, which extends beyond the heights of usual meteorological towers.…”