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 /p R/cp R/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
_ 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-1 momentumokra prognosztikai egyenleteket írunk fel. A lezárási probléma szemléltetése a horizontális mozgásegyenlet és a kontinuitási egyenlet példáján du 1 p 1 + ( F Cor x+ Fsx dt ρ ρ u p + u + v + w 1 + fv ρ dρ ρ ρu ρv ρw ρdivv, + + + dt Az impulzus változásra felírt egyenlet: ρu ρuu ρuv ρuw p + + + +ρfv Az átlagértékekre felírt egyenlet ρu ρuu ρuv ρuw p + + + +ρfv v w Kihasználjuk, hogy ρ ρ és így + + v w ' v' w' + +, + + 'u ' 'v' 'w ' 1 p + u + v + w + + + + f v ρ x Kihasználjuk, hogy: ( u+ u' ' +... '... A sebességfluktuációra felírt egyenlet 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 A turbulens kicserélıdés Fluxus c c w w c * u * * * K ( c // z A felszíni energiamérleg, turbulens áramok Rn --G H + LE + Res 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 Ha a talaj ill. ill. növényzet az az adott tulajdonság nyelıje Turbulencia paraméterek: τ (u*, H (T*, z, z, β g/t Monin-Obukhov hossz: Lu *2 /(κβ *2 T * * 2
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 2 β Θ A felszíni réteg turbulencia paraméterei alapján v Ri c.25 Érzékenységvizsgálat: konvektív határréteg fejlıdése Alapmodell 2 Érzékenység: u* u 15 * 3% u * 1% 1 Rádiószonda 5 Idı [UTC] (1996. 7. 8. h [m ] 4 6 8 1 12 14 16 u* L* h c * c*.35 f Ri c: kritikus Richardson szám, β: stabilitási paraméter, u: sebesség különbség, Θ v: virtuális potenciális hımérséklet különbség. 2 Érzékennység: Tgrad 15 1 5 Time [UTC] (1996. 7. 8. h [m] 4 6 8 1 12 14 16 Alapmodell T grad,1 o C/1 m Θ m >,25 o C Rádiószonda Szélenergetikai vizsgálatok Mosonmagyaróvár Modellezési tartomány 3
Korrigált szélbecslések A mikrometeorológia, mint alkalmazott tudományterület Erdıhátpusztai Mikroklímakutató Állomás Hogy javítható az elırejelzés a modellparaméterek változtatásával, illetve a modell-output statisztikák alkalmazásával? 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 Mikrometeorológiai mérések Erdıhátpuszta 195-1965 Fluxus Fluxus c c w w c c * u * * * K ( c ( c/ / z z A turbulens kicserélıdés Talaj mintavétel Meteorológiai mérıkert Ha Ha a talaj talaj ill. ill. növényzet növényzet az az adott adott tulajdonság tulajdonság nyelıje nyelıje 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 Módosított Bowen-arány módszer c Egy skalár fluxus és a T w' c' w' 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 4
A nyers hımérsékleti fluxusok összevetése Kolon-tó Kiskunsági Nemzeti Park Akkuml (T'w' [K m/s].1.5 y.676x +.14 R 2.9416 -.5.5.1 -.5 Eddy (T'w' [K m/s] Aeroszol mintavevı (átlagolási idı idı > 5 s s Cél: Cél: Aeroszol fluxus fluxus mérés mérés II. Párolgásszámítás Bowen-arány és gradiens módszer Rn Rn--G H + LE LE B H H // LE LE W/m2 1 8 6 4 Globál sugárzás Sugárzásegyenleg 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 2 23 235 24 245 25-2 Év napjai (aug 18 - szept 7 Napi Párolgás [mm] 8 Log profil Rn 7 Bowen-arány Rn - G 6 5 4 3 2 1 23 235 24 245 25 Év napjai (aug. 18 - szept. 7 Energiaháztartás mérések (szenzibilis és latens hıáram, szélsebesség a Ross Barnett víztárolón,(mississippi, USA 27-ben és 28-ban (Liu et al, 21, elıkészületben Bugac-puszta Toronymérések, dinamikus és statikus kamrák Eddy-kovariancia és gradiens mérések Dinamikus és statikus kamrás mérések (NO, N 2 O és CH 4 5
Poznan-28 Kamrás mérések Plexi kamra Helsinki Egyetem Olasz fejlesztéső mérıkamra nyomáskiegyenlítıvel Dániai Expedíció, 29 Debreceni mérıállomás Annual variation of surface radiation balance Daily averages Shortwave Balance 35 Longwave Balance 3 Radiation Balance 25 W/m2 2 15 1 5-5 -1-15 1 3 59 88 117 146 175 24 233 262 291 32 349 Julian day 29 Feladatok: 1. Hosszú mérési adatsorok (meteorológiai állapotjelzık, koncentráció, gradiens, fluxus, ülepedési sebesség statisztikai szerkezete 2. A átlagolási hossz várhatóérték és a kovariancia optimális becslése Milyen idı lesz a hétvégén? 3. Eddy-akkumulációs mérırendszer fejlesztése és modellezése 4. Szélenergetikai becslések pontosítása a szélirány-szélsebesség adatok ismeretében 5. Hogy mőködik az ALADIN modell egyetemi változata? 6
7
8