Sensitivity analysis of a Monte Carlo atmospheric diffusion model

Summary A Monte Carlo model simulating atmospheric transport and diffusion in the PBL is presented. In a previous study, it was shown that it works well in homogeneous turbulence and fits well the Willis and Deardorff water tank simulations in convective nonhomogeneous conditions. In the present paper a sensitivity analysis aimed at estimating the importance and effectiveness of the model parameters is performed and discussed. Our model makes use of Hanna's scheme for the vertical structure of the turbulent parameters, and of an empirical parametrization of updrafts and downdrafts in convective unstable conditions. Emitting the particles either from a point source or uniformly distributed along the vertical we found that the model avoids the particle accumulation at the top and bottom of the PBL and recovers the Eulerian turbulent statistics. This demonstrates that our numerical scheme is consistent with the physical constraints,i.e. mass and energy are preserved and an initial uniform distribution remains so. Finally it is shown that considering the contribution of the cross-correlation term does not improve significantly the model performances.

---

Riassunto Si presenta un modello Monte Carlo atto a simulare il trasporto e la diffusione nello strato limite atmosferico che era stato validato in uno studio precedente ove si era trovato che esso lavora bene in condizioni di turbolenza omogenea e riproduce bene i risultati delle misure in vasca idraulica di Willis e Deardorff relativi a condizioni di turbolenza non omogenea. Nel presente lavoro è stata effettuata un'analisi di sensitività del modello volta alla valutazione dell'importanza ed efficacia dei parametri del modello stesso. Esso utilizza lo schema di Hanna per la descrizione dell'andamento verticale dei parametri turbolenti in atmosfera ed una parametrizzazione empirica delle celle convettive in condizioni instabili. Emettendo le particelle sia da una sorgente puntiforme, sia distribuite uniformemente lungo la verticale si è trovato che il modello evita l'accumulo di particelle ai limiti superiore ed inferiore del PBL e conserva la statistica euleriana delle grandezze turbolente. Ciò dimostra che il nostro schema numerico è fisicamente consistente dato che soddisfa i seguenti vincoli fisici: la massa e l'energia sono conservate ed una distribuzione iniziale uniforme rimane tale. Infine, si è mostrato che il considerare il contributo del termine di cross-correlazione non migliora in modo significativo le prestazioni del modello.

---

Резюме Предлагается модель Моите Карло для моделирования процессов диффузии и переноса в атмосфере. Ранее было показано, что эта модель хорошо работает в условиях однородной турбулентности и хорошо воспроизводит результаты Виллиса и Дирдорфа измерений в водоеме при условиях неоднородной турбулентности. В данной статье проводится и обсуждается анализ чувствительности с целью определения важности и эффективности параметров модели. В предложенной модели используется схема Хана для вертикальной структуры параметров турбулентности атмосферы и эшпирическая параметризация для конвективных ячеек в нестационарных условиях. Испуская частиы либо из точечного источника, либо из однородно распределенных источников вдоль вертикали, мы находим, что модель не дает накапливания частиц на верхней и нижней границах PBL и сохраняет Эйлерову статистику турбулентности. Мы показываем, что наша численная схема согласуется с физическими ограничениями: масса и энергия сохраняются и начальное однородное распределение остается тем же. В заключение покаывается, что рассмотрение вклада перекрестного члена значительно не улучшает характеристики модели.