A planetáris határréteg szerkezete

Átírás

1 A planetáris határréteg szerkezete, modellezési lehetıségei, felszín-légkör kölcsönhatások Weidinger Tamás 1. Mi a mikrometeorológia? 2. A PHR szerkezete Tartalom 3. A légköri hidro-termodinamikai egyenletrendszer, lezárási hipotézisek 4. A keveredési rétegvastagság modellezése ELTE Földrajz- és Földtudományi Intézet, Meteorológiai Tanszék 5. A felszínközeli réteg turbulens kicserélıdési folyamatai, a fluxusmérések módszertana 6. Összefoglalás 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. z(m 2 1 A planetáris határréteg szerkezete Felhõréteg Konvektív határréteg Felszíni réteg Beszívási zóna Szabad légkör Felsı inverzió Beszívási zóna Átmeneti réteg Konvektív Stabil (éjszakai határréteg határréteg Felszíni réteg Felszíni réteg Dél Napnyugta Éjfél Napkelte Dél A termodinamikai egyenlet: u, u, v, v, w, w, p, p, T, T, ρ, ρ, ρ v,, q ρ v /ρ /ρ ΘT(p /pr/cp A kontinuitási egyenlet: dθ Θ 1 dq. dt T c p dt dρ ρdiv V. dt A vízgızre vonatkozó kontinuitási egyenlet: Az állapotegyenlet: dq 1 M. dt ρ p p α RT ρ 1

2 _ x x+ x', y y+ y', x x, y ' xy x y+ x' y' Lezárási probléma A turbulens kicserélıdés Fluxus c c w w c ** u ** K ( c // z x x s s 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-ed rendő momentumokat használunk. Ha a talaj ill. ill. növényzet az az adott tulajdonság nyelıje A felszíni energiamérleg, turbulens áramok Rn --G H + LE + Res A Konvektív határréteg sematikus képe Rn Rn sugárzási egyenleg G talajba jutó jutó hıáram H ρ cp cp (T (T w w -ρ -ρcp cpt * u * * * -ρ -ρcp cpk T (dt T (dt// dz dz szenzibilis hıáram LE LE ρ L lv cp lv cp (q (q w w -ρ -ρl lv q lv * u * * * -ρ -ρcp cpk T (dq T (dq// dz dz latens hıáram Res Res--maradéktag τ -ρ -ρ(u w ρu ρu * u * * * ρ K u (du // dz impulzusáram Turbulencia paraméterek: τ (u*, H (T*, z, z, β g/t Monin-Obukhov hossz: Lu *2 /(κβ *2 T * * A Konvektív határréteg kormányzóegyenletei A Phr átlagos potenciális hımérséklet változása Θ (w' Θ' s (w' Θ' h h A potenciális hımérsékleti ugrás változása Θ h Θ γθ A Phr-be történı hıbeáramlás a felsı határon h ( w' Θ' h Θ Stabil planetáris határréteg Rádiószondás mérések felhasználásával ( UTC: h Ri c ( u 2 β Θ A felszíni réteg turbulencia paraméterei alapján v u* L* h c * c*.35 f Ri c: kritikus Richardson szám, β: stabilitási paraméter, u: sebesség különbség, Θ v: virtuális potenciális hımérséklet különbség. Ri c.25 2

3 Érzékenységvizsgálat: konvektív határréteg fejlıdése Alapmodell 2 Érzékenység: u* u 15 * 3% u * 1% 1 Rádiószonda 5 Idı [UTC] ( h [m ] Szélenergetikai vizsgálatok Mosonmagyaróvár 2 Érzékennység: Tgrad Time [UTC] ( h [m] Alapmodell T grad,1 o C/1 m Θ m >,25 o C Rádiószonda Modellezési tartomány Korrigált szélbecslések Hogy javítható az elırejelzés a modellparaméterek változtatásával, illetve a modell-output statisztikák alkalmazásával? A mikrometeorológia, mint alkalmazott tudományterület Mikrometeorológiai mérések Erdıhátpuszta Talaj mintavétel Erdıhátpusztai Mikroklímakutató Állomás Kelemenszék 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 Meteorológiai mérıkert 3

4 Turbulens áramok meghatározása Direkt árammérések: 5-2 Hz mérési frekvencia Eddy akkumulációs technika: szélsebesség mérés 5-2 Hz, nyomanyag mérés a feláramlás függvényében Profilmérés: 5-3 perces átlagos profilok, hasonlósági elmélet alkalmazása Energiaháztartási mérések: Rn +G + H + LE ( Kamrás mérési technika: ismert tétfogatú kamrában mérjük a koncentráció változását. B F F w' c' w' T ' Módosított Bowen-arány módszer c Egy skalár fluxus és a T Kc[ C( z1 C( z2 ] K [ T ( z T ( z ] H wt 1 2 bcσ wc( w> wt C( w< wt b σ T ( w> w T ( w< w T w t t bcσ wc( wt > wtt C( wt < wtt bσ T ( wt > wt C( wt < wt c w t t Cowc ( flassú Co ( f lassú hımérséklet fluxus aránya Eddy kovariancia (gyors szenzorok Gradiens módszer, több szint profil módszer Relaxációs eddy akkumuláció Hiperbolikus relaxációs eddy akkumuláció A spektrumok hasonlóságán alapuló eljárás Bandpass Covariance Kolon-tó Kiskunsági Nemzeti Park II. Párolgásszámítás Bowen-arány és gradiens módszer Rn Rn--G H + LE LE B H H // LE LE W/m Globál sugárzás Sugárzásegyenleg Év napjai (aug 18 - szept 7 Napi Párolgás [mm] 8 Log profil Rn 7 Bowen-arány Rn - G Év napjai (aug szept. 7 Feladatok: 1. Balaton energiaháztartásának modellezése a FLAKE modell alkalmazásával, illetve energetikai mérések alapján Bugac-puszta 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 27-ben és 28-ban (Liu et al, 211 4

5 Toronymérések, dinamikus és statikus kamrák Kamrás mérések Eddy-kovariancia és gradiens mérések Dinamikus és statikus kamrás mérések (NO, N 2 O és CH 4 Plexi kamra Helsinki Egyetem Olasz fejlesztéső mérıkamra nyomáskiegyenlítıvel Poznan-28 Dániai Expedíció, 29 Debreceni mérıállomás W/m2 Annual variation of surface radiation balance Daily averages Shortwave Balance 35 Longwave Balance 3 Radiation Balance Julian day 29 Feladatok: 1. Automata kamrás mérések (rendszerépítés, korábbi mérések feldolgozása 2. A átlagolási hossz várhatóérték és a kovariancia optimális becslése 3. A légoszlop teljes víztartalmának összehasonlító elemzése 4. Szélenergetikai és sugárzási energia becslések verifikálása és pontosítása 5. Hogy mőködik az ALADIN modell egyetemi változata? 5

6 Milyen idı lesz a hétvégén? Hullámzó frontrendszer érkezik nyugat felıl a hétvégén: elıbb esıt, záport, ónos esıt hoz, majd hétfın markáns hidegfront érkezik esıvel és viharos széllel. A frontérzékenyekre nehéz hétvége vár. 6

7 7