A planetáris határréteg szerkezete - ELTE
Transcript of A planetáris határréteg szerkezete - ELTE
1
A planetáris határréteg szerkezete, modellezési lehetıségei, felszín-légkör kölcsönhatások
Weidinger Tamás
ELTE Földrajz- és Földtudományi Intézet, Meteorológiai Tanszék
Tartalom
2. A PHR szerkezete
3. A légköri hidro-termodinamikai egyenletrendszer,lezárási hipotézisek
1. Mi a mikrometeorológia?
5. A felszínközeli réteg turbulens kicserélıdésifolyamatai, a fluxusmérések módszertana
6. Összefoglalás
4. A keveredési rétegvastagság modellezése
A nagyskálájú idıjárási jelenségek, illetve az általános cirkuláció mozgásrendszereinek fejlıdéséhez szükséges energia túlnyomórészt a planetáris határrétegen keresztül kerül a légkörbe. (Arya, 1988)
A mikro- és mezoskálájú folyamatok fejlıdésében a felszín – mint termikus és mechanikus kényszer – szerepét, energiaháztartását, a turbulens kicserélıdési folyamatok jelentıségét, természetességénél fogva nem kell külön hangsúlyozni.
A planetáris határréteg szerkezete
Szabad légkör
Konvektívhatárréteg
Beszívási zóna Felsı inverzió
Átmeneti réteg
Stabil (éjszakai) határréteg
Beszívási zóna
Felszíni réteg
Dél Napnyugta Éjfél Napkelte Dél
2000
1000
Felszíni réteg Felszíni réteg
Felhõréteg
Konvektívhatárréteg
z(m)
u, v, w, p, T, ρρρρ, ρρρρv, q = ρρρρv/ρρρρu, v, w, p, T, ρρρρ, ρρρρv, q = ρρρρv/ρρρρ
Θ =T(p0/p)R/cpΘ =T(p0/p)R/cp
A termodinamikai egyenlet:
dt
dQ
cTdt
d
p
1Θ=
Θ .
A kontinuitási egyenlet:
→ρ−=
ρVdiv
dt
d .
A vízgızre vonatkozó kontinuitási egyenlet:
Mdt
dq
ρ=1
.
Az állapotegyenlet:
TRp
p =ρ
=α
2
Lezárási probléma
'xxx += , 'yyy += , xx =_
, 0' =y
'' yxyxxy +=
s
x
s
x
∂∂
=∂∂
A meteorológiai elırejelzésekben az átlagértékek idıbeli változását vizsgáljuk, erre írunk fel egyenleteket DE megjelennek a második momentumok is. Több az ismeretlen, mint az egyenlet – Le kell zárni az egyenletrendszert.
n-ed rendő lezárás
n-1 momentumokra prognosztikai egyenleteket írunk fel.
A lezárási probléma szemléltetése a horizontális mozgásegyenlet és a kontinuitási egyenlet példáján
sxxCor FFx
p
dt
du
ρ++
∂∂
ρ−=
1)(
1
fvx
p
z
uw
y
uv
x
uu
t
u+
∂∂
ρ−=
∂∂
+∂∂
+∂∂
+∂∂ 1
→
ρ−=ρ
Vdivdt
d , 0=
∂ρ∂
+∂ρ∂
+∂ρ∂
+∂ρ∂
z
w
y
v
x
u
t
Az impulzus változásra felírt egyenlet:
fvx
p
z
uw
y
uv
x
uu
t
uρ+
∂∂
−=∂ρ∂
+∂ρ∂
+∂ρ∂
+∂ρ∂
Az átlagértékekre felírt egyenlet
fvx
p
z
uw
y
uv
x
uu
t
uρ+
∂∂
−=∂ρ∂
+∂ρ∂
+∂ρ∂
+∂ρ∂
Kihasználjuk, hogy ρ=ρ és így 0=∂∂
+∂∂
+∂∂
z
w
y
v
x
u
0=∂∂
+∂∂
+∂∂
z
w
y
v
x
u, 0
'''=
∂∂
+∂∂
+∂∂
z
w
y
v
x
u
u u u u u 'u ' u 'v ' u 'w ' 1 pu v w f v
t x y z x y z xρ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂
+ + + + + + = − +∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂
A sebességfluktuációra felírt egyenlet
Kihasználjuk, hogy:
...')'(=
∂∂
+∂∂
=∂+∂
=∂∂
t
u
t
u
t
uu
t
u
...'
=∂∂−
∂∂
=∂∂−
∂∂
=∂∂
t
u
t
u
t
u
t
u
t
u
' ' ' '' ' '
u u u u u u uu v w u v w
t x y z x y z
∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂+ + + + + + +
∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂
' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ''
u u u v u w u u u v u w pfv
x y z x y z x
∂∂
∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂+ + + − + + =− + ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂
Hasonló szerkezető egyenleteket más mennyiségekre is felírhatunk. Könnyen konstruálhatók a második, v. n-edik momentumok idıbeli változására vonatkozó egyenletek is. Elsırendő lezárás: A turbulens áramokat modellezzük az átlagértékekkel, vagy a gradiensekkel
A turbulens kicserélıdésA turbulens kicserélıdés
Fluxus = c’ w’ = c* u* = K (∆c / ∆z)Fluxus = c’ w’ = c* u* = K (∆c / ∆z)
Ha a talaj ill. növényzet az adott tulajdonság nyelıjeHa a talaj ill. növényzet az adott tulajdonság nyelıje
A felszíni energiamérleg, turbulens áramokA felszíni energiamérleg, turbulens áramok
Rn - G = H + LE + ResRn - G = H + LE + Res
Rn – sugárzási egyenlegRn – sugárzási egyenleg G – talajba jutó hıáramG – talajba jutó hıáram
H = ρρρρ cp (T’ w’) = -ρρρρ cp T* u* = -ρρρρ cp KT (dT / dz) – szenzibilis hıáramH = ρρρρ cp (T’ w’) = -ρρρρ cp T* u* = -ρρρρ cp KT (dT / dz) – szenzibilis hıáram
LE = ρρρρ Llv cp (q’ w’) = -ρρρρ Llvq* u* = -ρρρρ cp KT (dq / dz) – latens hıáramLE = ρρρρ Llv cp (q’ w’) = -ρρρρ Llvq* u* = -ρρρρ cp KT (dq / dz) – latens hıáram
Res - maradéktag Res - maradéktag
ττττ = -ρρρρ (u’ w’) = ρρρρu* u* = ρρρρKu (du / dz) – impulzusáramττττ = -ρρρρ (u’ w’) = ρρρρu* u* = ρρρρKu (du / dz) – impulzusáram
Turbulencia paraméterek:
ττττ (u*), H (T*), z, ββββ = g/T
Turbulencia paraméterek:
ττττ (u*), H (T*), z, ββββ = g/T
Monin-Obukhov hossz:
L=u*2/(κκκκ ββββ T*)
Monin-Obukhov hossz:
L=u*2/(κκκκ ββββ T*)
3
A Konvektív határréteg sematikus képeA Konvektív határréteg sematikus képe A Konvektív határréteg kormányzóegyenleteiA Konvektív határréteg kormányzóegyenletei
A Phr átlagos potenciális hımérséklet változása
h
)''w()''w(
ths Θ−Θ
=∂Θ∂
A potenciális hımérsékleti ugrás változása
tt
h
t ∂Θ∂
−∂∂
γ=∂∆Θ∂
Θ
A Phr-be történı ”hıbeáramlás” a felsı határon
t
h)''w( h ∂
∂∆Θ=Θ−
Stabil planetáris határrétegRádiószondás mérések felhasználásával (00 UTC):
( )v
c
uRih
∆Θ⋅∆
=β
2
A felszíni réteg turbulencia paraméterei alapján
f
Luch ***
⋅= c* = 0.35
Ric: kritikus Richardson szám,
β: stabilitási paraméter,∆u: sebesség különbség,∆Θv: virtuális potenciális hımérséklet különbség.
Ric = 0.25
Érzékennység: Tgrad
0
500
1000
1500
2000
4 6 8 10 12 14 16
Time [UTC] (1996. 07. 08.)
h [m]
Érzékenység: u*
0
500
1000
1500
2000
4 6 8 10 12 14 16
Idı [UTC] (1996. 07. 08.)
h [m]
Alapmodell
∆u* = 30%
∆u* = 10%
Rádiószonda
Alapmodell
∆Tgrad =0,1 oC/100 m
Érzékenységvizsgálat: konvektív határréteg fejlıdése
∆Θm > 0,25 oC
Rádiószonda
Szélenergetikai vizsgálatok –Mosonmagyaróvár
Modellezési tartomány
4
Korrigált szélbecslések
Hogy javítható az elırejelzés a modellparaméterek változtatásával, illetve a modell-output statisztikák alkalmazásával?
… a mikroklimatikus kutatás mégis inkább csak az utolsó tíz évben nyert nagyobb lendületet, különösen a modern ökológiai növényföldrajzi kutatásokkal kapcsolatban (Bacsó Nándor és Zólyomi Bálint 1934, Mikroklíma s növényzet a Bükk-fennsíkon, Idıjárás, 1934)
ErdıhátpusztaiMikroklímakutató Állomás
Kelemenszék
A mikrometeorológia, mint alkalmazott tudományterület
Mikrometeorológiai mérésekErdıhátpuszta 1950-1965
Meteorológiai mérıkert
Talaj mintavétel
A turbulens kicserélıdésA turbulens kicserélıdés
Fluxus = c’ w’ = c* u* = K (∆c / ∆z)Fluxus = c’ w’ = c* u* = K (∆c / ∆z)
Ha a talaj ill. növényzet az adott tulajdonság nyelıjeHa a talaj ill. növényzet az adott tulajdonság nyelıje
Turbulens áramok meghatározásaTurbulens áramok meghatározása
Direkt árammérések: 5-20 Hz mérési frekvencia
Eddy akkumulációs technika: szélsebesség mérés 5-20 Hz, nyomanyag mérés a feláramlás függvényében
Profilmérés: 5 - 30 perces átlagos profilok, hasonlósági elmélet alkalmazása
Energiaháztartási mérések: Rn +G + H + LE = ( 0 )
Kamrás mérési technika: ismert tétfogatú kamrában mérjük a koncentráció változását.
Módosított Bowen-arány módszerMódosított Bowen-arány módszer
1 2
1 2
[ ( ) ( )]
[ ( ) ( )]c
H
K C z C z
K T z T z
−=
−
( )
( )wc lassú
wT lassú
Co f
Co f=
( ) ( )
( ) ( )c w t t
T w t t
b C w w C w w
b T w w T w w
σσ
> − < −=
> − < −
( ) ( )
( ) ( )c w t t
c w t t
b C wT wT C wT wT
b T wT wT C wT wT
σσ
> − < −=
> − < −
' '
' '
w c
w T=
c
T
FB
F= Egy skalár fluxus és a
hımérséklet fluxus aránya
Eddy kovariancia (gyors szenzorok)
Gradiens módszer, több szint – profil módszer
Relaxációs eddy akkumuláció
Hiperbolikus relaxációs eddy akkumuláció
A spektrumok hasonlóságán alapuló eljárásBandpass Covariance
5
A nyers hımérsékleti fluxusok összevetéseA nyers hımérsékleti fluxusok összevetése
y = 0.676x + 0.0014
R2 = 0.9416
-0.05
0
0.05
0.1
-0.05 0 0.05 0.1
Eddy (T'w') [K m/s]
Akkuml (T'w') [K m
/s]
Cél: Aeroszol fluxus mérés Cél: Aeroszol fluxus mérés
Aeroszol mintavevı (átlagolási idı > 5 s)
Aeroszol mintavevı (átlagolási idı > 5 s)
Kolon-tó Kiskunsági Nemzeti Park
II. Párolgásszámítás – Bowen-arány és gradiens módszer
-200
0
200
400
600
800
1000
230 235 240 245 250
Év napjai (aug 18 - szept 7)
W/m2
Globál sugárzásSugárzásegyenleg
012345678
230 235 240 245 250
Év napjai (aug. 18 - szept. 7)
Nap
i Páro
lgás
[mm
] Log profil RnBowen-arány Rn - G
Rn - G = H + LE
B =H / LE
Rn - G = H + LE
B =H / LE
Feladatok:
1. Balaton energiaháztartásának modellezése a FLAKE modell alkalmazásával, illetve energetikai mérések alapján
2. A FLAKE modell alkalmazása a A Ross Barnett víztároló (USA) modellezésére. Napi energiamérleg komponensek és az idıjárási helyzetek kapcsolata
Energiaháztartás mérések (szenzibilis és latens hıáram, szélsebesség) a Ross Barnett víztárolón,(Mississippi, USA) 2007-ben és 2008-ban
(Liu et al, 2010, elıkészületben)
Bugac-puszta Toronymérések, dinamikus és statikus kamrák
Eddy-kovariancia és gradiens mérések
Dinamikus és statikus kamrás mérések (NO, N2O és CH4)
6
Kamrás mérések
Plexi kamra Helsinki Egyetem
Olasz fejlesztéső mérıkamra nyomáskiegyenlítıvel
Poznan-2008
Dániai Expedíció, 2009Annual variation of surface radiation balance
Daily averages
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
1 30 59 88 117 146 175 204 233 262 291 320 349
Julian day 2009
W/m2
Shortwave Balance
Longwave Balance
Radiation Balance
Debreceni mérıállomás
Feladatok:
1. Hosszú mérési adatsorok (meteorológiai állapotjelzık, koncentráció, gradiens, fluxus, ülepedési sebesség)
statisztikai szerkezete
2. A átlagolási hossz várhatóérték és a kovariancia optimális becslése
3. Eddy-akkumulációs mérırendszer fejlesztése és modellezése
4. Szélenergetikai becslések pontosítása a szélirány-szélsebesség adatok ismeretében
5. Hogy mőködik az ALADIN modell egyetemi változata?
Milyen idı lesz a hétvégén?