A planetáris határréteg szerkezete. Tartalom

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "A planetáris határréteg szerkezete. Tartalom"

István Török
5 évvel ezelőtt
Látták:

A planetáris határréteg turbulens kicserélıdési folyamatai Weidinger Tamás ELTE Földrajz- és Földtudományi Intézet,

A mikrometeorológia tárgya, fejlıdése fıbb kérdései a több szálon futó történet.

A felszínközeli réteg turbulens kicserélıdési folyamatai, a fluxusmérések módszertana 6.

szükséges energia túlnyomórészt a planetáris határrétegen keresztül kerül a légkörbe.

energiaháztartását, a turbulens kicserélıdési folyamatok jelentıségét, természetességénél fogva nem kell külön hangsúlyozni.

Alaptudományi kérdések A PHR modellezése (lezárások, LES A felszínközeli réteg (hasonlósági elmélet A turbulencia

méréstechnika Speciális határrétegek és jelenségek (arktikus, óceáni, városi és komplex felszínek feletti PHR, Sc felhızet

$T, T,,, v v,, q v / v / Ismeretlen mennyiségek: u, v, w, p, T, Θ,, v, q \v z(m Felhõréteg Beszívási zóna Szabad légkör$

1 A planetáris határréteg turbulens kicserélıdési folyamatai Weidinger Tamás ELTE Földrajz- és Földtudományi Intézet, Meteorológiai Tanszék. A PHR szerkezete Tartalom. A mikrometeorológia tárgya, fejlıdése fıbb kérdései a több szálon futó történet. A légköri hidro-termodinamikai egyenletrendszer, lezárási hipotézisek 4. A keveredési rétegvastagság modellezése 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, 988 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. Ludwig Prandtl Kármán Tódor Obukhov, A. M. Alaptudományi kérdések A PHR modellezése (lezárások, LES A felszínközeli réteg (hasonlósági elmélet A turbulencia statisztikai szerkezete (spektrum, koherens struktúrák, Wavelet, footprint, turbulens diszperzió Mérés-adatfeldolgozás, méréstechnika Speciális határrétegek és jelenségek (arktikus, óceáni, városi és komplex felszínek feletti PHR, Sc felhızet Zilitinkevich, S. Businger, J. A Bjerknes érem A planetáris határréteg szerkezete A légköri hidro-termodinamikai egyenletrendszer u, u, v, v, w, w, p, p, T, T,,, v v,, q v / v / Ismeretlen mennyiségek: u, v, w, p, T, Θ,, v, q \v z(m Felhõréteg Beszívási zóna Szabad légkör Felsı inverzió Beszívási zóna Átmeneti réteg Potenciális hımérséklet megadja a légrész entrópiáját. ΘT(p /p R/cp R/cp A három mozgásegyenlet alakja az Euler-féle szemléletmódban: du p + ( F Cor x + Fsx, dt Konvektív határréteg Felszíni réteg Konvektív Stabil (éjszakai határréteg határréteg Felszíni réteg Felszíni réteg Dél Napnyugta Éjfél Napkelte Dél dv p + ( F Cor y + Fsy, dt dw p g + ( F Cor y + Fsy. dt

2 A termodinamikai egyenlet: A kontinuitási egyenlet: dθ Θ dt T c p dq dt d div V. dt A vízgızre vonatkozó kontinuitási egyenlet: Az állapotegyenlet: dq M. dt p p α RT. _ x x + x', y y + y', x x, y ' xy xy + x' y' s s Lezárási probléma 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- momentumokra prognosztikai egyenleteket írunk fel. A lezárási probléma szemléltetése a horizontális mozgásegyenlet és a kontinuitási egyenlet példáján du p + ( F Cor x + Fsx dt u p + u + v + w + fv d u v w divv, dt Az átlagértékekre felírt egyenlet u uu uv uw p fv v w Kihasználjuk, hogy és így + + v w ' v' w' + +, + + Az impulzus változásra felírt egyenlet: u uu uv uw p fv 'u ' 'v' 'w ' p + u + v + w f v x A sebességfluktuációra felírt egyenlet Kihasználjuk, hogy: ( u+ u' ' +... '... A turbulens kicserélıdés Fluxus c c w w c * u * * * K ( c // z u' u' u' u' u u u + u + v + w + u' + v' + w' + z ' u' ' v' ' w' ' u' ' v' ' w' p' fv' x y z 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 Ha a talaj ill. ill. növényzet az az adott tulajdonság nyelıje

3 A felszíni energiamérleg, turbulens áramok Rn Rn sugárzási egyenleg Rn --G H + LE + Res G talajba jutó jutó hıáram H cp cp (T (T w w - -cp cpt * u * * * - -cp cpk T (dt T (dt// dz dz szenzibilis hıáram LE LE L lv cp lv cp (q (q w w - -L lv q lv * u * * * - -cp cpk T (dq T (dq// dz dz latens hıáram Res Res--maradéktag τ - -(u w u u ** u ** K u u (du // dz impulzusáram Turbulencia paraméterek: τ (u*, H (T*, z, z, β g/t Monin-Obukhov hossz: Lu * * /(κ /(κβ T ** Keveredési rétegvastagság meghatározása Mérés: rádiószonda, sodar, lidar inverziós réteget v. v. töréspontot keresünk Modellezés: A felszínközeli réteg turbulencia karakterisztikái alapján számolunk Konvektív határréteg: differenciálegyenlet-rendszer Stabilis határréteg: diagnosztikai egyenletek a szélnyírás és és a kritikus stabilitás alapján A Konvektív határréteg sematikus képe 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 β Θ A felszíni réteg turbulencia paraméterei alapján v u* L* h c * c*.5 f Ri c: kritikus Richardson szám, β: stabilitási paraméter, u: sebesség különbség, Θ v: virtuális potenciális hımérséklet különbség. Ri c.5 Konvektív PHR h ( u* T* u* ( + A + B t γ h γ β h t t C Θ Θ ( C h+ D D ( C h+ D + D ln( C h+ D γ Θ ( + A h κ A h κ B Batchvarova and Gryning (99 B L Θm L h h h ( + A ( u * * T C γ Θ B u D * β ahol h : keveredési rétegvastagság; A, B: állandók, A, és B,5; γ Θ : keveredési réteg feletti potenciális hımérsékleti gradiens; β: stabilitási paraméter, t,, t : az idılépcsı kezdete és vége, (s; h h : a keveredési rétegvastagság a t és t idıpontban (m. γ Θ

Érzékenység: u* 5 5 Idı [UTC] (996. 7. 8.

4 6 Érzékennység: T grad 5 h [m] 5 Érzékenységvizsgálat Time [UTC] (996. 7. 8.

4 Érzékenység: u* 5 5 Idı [UTC] ( h [m ] Érzékennység: T grad 5 h [m] 5 Érzékenységvizsgálat Time [UTC] ( Alapmodell u * % u * % Rádiószonda Alapmodell T grad, o C/ m Θ m >,5 o C Rádiószonda Az AzEkman-réteg kormányzóegyenletei u f ( v vg [ u ' w' ] u f ( v vg + K z u v z u u g v Az analitikus megoldás z z d u ug e cos d g v u e [ v ' w' ] v f ( u ug v v f ( u ug + K z d g z sin d ξ w K z [ ' ξ '] d K f Euler-féle numerikus séma Adams-Bashforth-féle numerikus séma u n + n u u n+ t u t n n ϕ n,5ϕ,5ϕ n... A EU EU. A EU EU...4. A EU EU.4. A EU EU.. u/u g u/u g h elteltével 6 h elteltével u/u g u/u g 4 h elteltével 8 h elteltével Köszönet Bordás Árpád PhD hallgatónak az ábrákért. u [m/s]. EU EU t [h] z [m] 5 A magassággal változó turbulens diffúziós együttható K l κ z l z ( + κ z / λ V.4. 4 h 8 h h 6 h A mikrometeorológia, mint alkalmazott tudományterület Erdıhátpusztai Mikroklímakutató Állomás K [m /s] u/u g EU séma segítségével kapott profilok 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 94, Mikroklíma s növényzet a Bükk-fennsíkon, Idıjárás, 94 4

Mikrometeorológiai mérések Erdıhátpuszta 95-965 Fluxus Fluxus c c w w c c * u * u * * K ( c ( c/ / z z A turbulens kicserélıdés Talaj mintavétel Meteorológiai mérıkert Ha Ha a a talaj talaj ill.

mérés 5- Hz, nyomanyag mérés a feláramlás függvényében Profilmérés: 5 - perces átlagos profilok, hasonlósági elmélet alkalmazása Energiaháztartási mérések: Rn +G + H + LE ( Kamrás mérési technika:

B F F w' c' w' T ' Módosított Bowen-arány módszer c Egy skalár fluxus és a T Kc[ C( z C( z] K [ T ( z T( z ] H wt 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

Hiperbolikus relaxációs eddy akkumuláció A spektrumok hasonlóságán alapuló eljárás Bandpass Covariance I. Az eddy kovariancia (w c és az eddy akkumulációs technika [.

5 Mikrometeorológiai mérések Erdıhátpuszta Fluxus Fluxus c c w w c c * u * u * * K ( c ( c/ / z z A turbulens kicserélıdés Talaj mintavétel Meteorológiai mérıkert Ha Ha a a talaj talaj ill. ill. növényzet növényzet az az adott adott tulajdonság tulajdonság nyelıje nyelıje Turbulens áramok meghatározása Direkt árammérések: 5- Hz mérési frekvencia Eddy akkumulációs technika: szélsebesség mérés 5- Hz, nyomanyag mérés a feláramlás függvényében Profilmérés: 5 - 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( z C( z] K [ T ( z T( z ] H wt 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 b σ 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 I. Az eddy kovariancia (w c és az eddy akkumulációs technika [.6*s w (c + - c - ] összehasonlítása (CO' w' [ppm m/s] ( w' c ' CO Nyers CO fluxus ( augusztus Nap -. Eddy CO Akkuml CO Akkuml CO_mod ( w' T ' ( w' T ' ( w' c' CO akkumul, mod akkumul akkumul A nyers hımérsékleti fluxusok összevetése Akkuml (T'w' [K m/s] y.676x +.4 R Aeroszol mintavevı (átlagolási idı idı > 5 s s Cél: Cél: Aeroszol fluxus fluxus mérés mérés Eddy (T'w' [K m/s] 5

6 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 8 - szept 7 Napi Párolgás [mm] 8 Log profil Rn 7 Bowen-arány Rn - G Év napjai (aug. 8 - szept. 7 A párolgás átlagos napi menete különbözı módszerekkel Bugac-puszta Párolgás [mm/óra] Log profil Bowen-arány Rn - G Óra Toronymérések, dinamikus és statikus kamrák Kamrás mérések Eddy-kovariancia és gradiens mérések Dinamikus és statikus kamrás mérések (NO, N O és CH 4 Plexi kamra Helsinki Egyetem Olasz fejlesztéső mérıkamra nyomáskiegyenlítıvel 6

7 Poznan-8 Dániai Expedíció Összefoglaló megjegyzések Áttekintettük a PHR szerkezetét, turbulens kicserélıdési folyamatait. Több lehetıség kínálkozik a nyomanyagok turbulens árammérésére lassú szenzorok alkalmazásával is. Perces átlagolás mellett: gradiens, profil és eddy akkumulációs mérések, statikus és dinamikus kamrák. Néhány mp-es átlagolású mőszerekkel már a spektrális hasonlóság elvén is mérhetünk. 7

8 8

Hasonló dokumentumok

A planetáris határréteg szerkezete

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,