Sensitivity of PBL schemes of the WRF-ARW model in simulating the boundary layer flow parameters for its application to air pollution dispersion modeling over a tropical station

Abstract

Mesoscale atmospheric circulations play an important role in the transport of air pollution and local air quality issues. The planetary boundary layer (PBL), the thermo-dynamical structure and the flow field play an important role in air pollution dispersion. Hence, the PBL parameters over Nagpur, India are simulated using the ARW v. 3.6.1 mesoscale model. High-resolution simulations are conducted with triple nested domains having a horizontal resolution of 27, 9 and 3 km, as well as 27 vertical levels by using the 1 x 1° NCEP Final Analysis meteorological fields for initial and boundary conditions. Eight fair-weather days in winter and summer (January and April 2009) with no significant synoptic activity were chosen for the study. Sensitivity experiments of the ARW model were conducted with two non-local (Yonsei University [YSU], and Asymmetric Convective Model v. 2 [ACM2]) and three local turbulence kinetic energy (TKE) closure (Mellor-Yamada Nakanishi and Niino Level 2.5 PBL [MYNN2], Mellor-Yamada-Janjic [MYJ], and quasi-normal scale elimination [QNSE]) turbulence diffusion parameterizations, to study the evolution of PBL parameters and the thermodynamical structure during the study period. After validation of the simulated parameters with the available in situ data, it was revealed that the non-local PBL scheme YSU, followed by local scheme MYNN2, could be able to capture the characteristic variations of surface meteorological variables and the thermodynamical structure of the atmosphere. The present results suggest that PBL schemes, namely YSU and MYNN2, performed better in representing the boundary-layer parameters and are useful for air pollution dispersion studies.

Translated abstract

Las circulaciones atmosféricas de mesoescala desempeñan un papel importante en el transporte de la contaminación del aire y en cuestiones relacionadas con la calidad del aire a nivel local. La estructura termodinámica de la capa limítrofe planetaria (PBL, por sus siglas en inglés) y el campo de flujo también desempeñan un papel importante en la dispersión de contaminantes en la atmósfera. Por lo tanto, se simularon los parámetros de la PBL sobre Naigpur, India, utilizando el modelo de mesoescala ARW v. 3.6.1. Las simulaciones de alta resolución se llevaron a cabo por medio de dominios anidados con resolución horizontal de 27, 9 y 3 km, y 27 niveles verticales obtenidos mediante la utilización de los campos meteorológicos de 1 x 1° del análisis final del NCEP, para las condiciones iniciales y limítrofes. Para estudiar la evolución de los parámetros de la PBL y la estructura termodinámica durante el periodo de estudio, se eligieron ocho días de invierno y verano (enero y abril) con buen tiempo y ausencia de actividad sinóptica significativa. Se realizaron experimentos de sensibilidad del modelo ARW con dos parametrizaciones de la difusión turbulenta del cierre de energía cinética (TKE, por sus siglas en inglés) no locales (Yonsei University [YSU] y el Modelo Convectivo Asimétrico v. 2 [ACM2, por sus siglas en inglés]) y tres locales (Mellor-Yamada-Nakanishi and Niino Level 2.5 PBL [MYNN2], Mellor-Yamada-Janjic [MYJ] y eliminación de escala casi normal [QNSE, por sus siglas en inglés]). La validación de los parámetros simulados mediante el modelo con los datos in situ disponibles reveló que el esquema PBL no local YSU seguido del esquema local MYNN2 podrían reproducir las variables meteorológicas superficiales y la estructura termodinámica de la atmósfera. Los resultados del estudio sugieren que los esquemas PBL, en especial YSU y MYNN2, tuvieron un mejor desempeño para representar los parámetros de la capa limítrofe y son útiles en estudios de dispersión de contaminantes atmosféricos.