Планетарный пограничный слой
В метеорологии планетарный пограничный слой ( ППС ), также известный как атмосферный пограничный слой ( АПС ) или пеплосфера , является самой нижней частью атмосферы , и на его поведение напрямую влияет его контакт с поверхностью планеты . [1] На Земле он обычно реагирует на изменения поверхностного радиационного воздействия в течение часа или меньше. В этом слое физические величины, такие как скорость потока , температура и влажность, быстро колеблются ( турбулентность ), а вертикальное перемешивание сильное. Над ПБЛ - "свободная атмосфера", [2] где ветер примерно геострофический (параллельный изобарам), [3] в то время как внутри PBL на ветер влияет поверхностное сопротивление и он поворачивается поперек изобар ( см. Слой Экмана подробнее ).
Причина градиента приземного ветра
[ редактировать ]
Обычно из-за аэродинамического сопротивления в ветровом потоке возникает градиент ~100 метров над поверхностью Земли — поверхностным слоем планетарного пограничного слоя. Скорость ветра увеличивается с увеличением высоты над землей, начиная с нуля. [4] из-за отсутствия скольжения . [5] Поток у поверхности встречает препятствия, которые уменьшают скорость ветра и вносят случайные вертикальные и горизонтальные компоненты скорости под прямым углом к основному направлению потока. [6] Эта турбулентность вызывает вертикальное смешивание между воздухом, движущимся горизонтально на одном уровне, и воздухом на этих уровнях непосредственно над и под ним, что важно для рассеивания загрязняющих веществ. [7] и в эрозии почвы . [8]
Снижение скорости у поверхности является функцией неровности поверхности, поэтому профили скорости ветра сильно различаются для разных типов местности. [5] Неровная, неровная почва и искусственные препятствия на земле могут снизить скорость геострофического ветра на 40–50%. [9] [10] На открытой воде или льду снижение может составлять всего 20–30%. [11] [12] Эти эффекты учитываются при размещении ветряных турбин . [13] [14]
В инженерных целях градиент ветра моделируется как простой сдвиг, демонстрирующий профиль вертикальной скорости, изменяющийся по степенному закону с постоянным экспоненциальным коэффициентом в зависимости от типа поверхности. Высота над землей, на которой поверхностное трение оказывает незначительное влияние на скорость ветра, называется «высотой градиента», а скорость ветра выше этой высоты считается постоянной, называемой «скоростью градиента ветра». [10] [15] [16] Например, типичные значения прогнозируемой высоты градиента составляют 457 м для крупных городов, 366 м для пригородов, 274 м для открытой местности и 213 м для открытого моря. [17]
Хотя степенная аппроксимация показателя удобна, она не имеет теоретической основы. [18] Когда температурный профиль адиабатический, скорость ветра должна логарифмически изменяться с высотой. [19] Измерения на открытой местности в 1961 году показали хорошее согласие с логарифмическим приближением примерно до 100 м (в пределах поверхностного слоя ) с почти постоянной средней скоростью ветра до 1000 м. [20]
Сдвиг ветра обычно трехмерный, [21] то есть также происходит изменение направления между «свободным» геострофическим ветром, вызванным градиентом давления, и ветром у земли. [22] Это связано со спиральным эффектом Экмана . Поперечный изобарный угол отклоняемого агеострофического потока у поверхности колеблется от 10° над открытой водой до 30° над пересеченной холмистой местностью и может увеличиваться до 40°—50° над сушей в ночное время при очень слабой скорости ветра. [12]
После захода солнца градиент ветра у поверхности увеличивается с увеличением устойчивости. [23] Стабильность атмосферы, возникающая ночью при радиационном охлаждении, имеет тенденцию сдерживать турбулентные вихри по вертикали , тем самым увеличивая градиент ветра. [8] На величину градиента ветра в значительной степени влияет погода , в первую очередь стабильность атмосферы и высота любого конвективного пограничного слоя или закрывающей инверсии . Этот эффект еще сильнее над морем, где суточный ход высоты пограничного слоя гораздо меньше, чем над сушей. [24] В конвективном пограничном слое сильное перемешивание уменьшает вертикальный градиент ветра. [25]
Ночные и дневные условия
[ редактировать ]Планетарный пограничный слой различен днем и ночью. Днем инверсионные слои, образовавшиеся ночью, разрушаются вследствие турбулентного подъема нагретого воздуха. [26] Пограничный слой стабилизируется «незадолго до захода солнца» и остается таковым всю ночь. [26] Все это составляет суточный цикл. [26] В зимние и пасмурные дни распад ночной ярусности неполный и атмосферные условия, установившиеся в предыдущие дни, могут сохраняться. [26] [27] Разрушение структуры ночного пограничного слоя происходит быстро в солнечные дни. [27] Движущей силой являются конвективные ячейки с узкими областями восходящего потока и большими областями плавного нисходящего потока. [27] Эти ячейки превышают 200–500 м в диаметре. [27]
Составляющие слои
[ редактировать ]
Как следует из уравнений Навье–Стокса , турбулентность планетарного пограничного слоя возникает в слое с наибольшими градиентами скорости, который находится в самой близости от поверхности. Этот слой, условно называемый поверхностным слоем , составляет около 10% от общей глубины ППС. Выше поверхностного слоя турбулентность PBL постепенно рассеивается, теряя свою кинетическую энергию из-за трения, а также преобразуя кинетическую энергию в потенциальную в стратифицированном по плотности потоке. Баланс между скоростью производства турбулентной кинетической энергии и ее диссипации определяет глубину планетарного пограничного слоя. Глубина PBL варьируется в широких пределах. При заданной скорости ветра, например 8 м/с, и, следовательно, при заданной скорости образования турбулентности, ППС в зимнее время в Арктике может достигать 50 м, а ночная ППС в средних широтах обычно может иметь толщину 300 м. , а тропический ППС в пассатной зоне может вырасти до полной теоретической глубины 2000 м. Глубина PBL может достигать 4000 м и выше ближе к вечеру над пустыней.
Помимо поверхностного слоя, планетарный пограничный слой также включает ядро ППС (между 0,1 и 0,7 глубины ППС) и верхний слой ППС, или захватывающий слой , или закрывающий инверсионный слой (между 0,7 и 1 глубиной ППС). Четыре основных внешних фактора определяют глубину PBL и ее среднюю вертикальную структуру:
- скорость ветра в свободной атмосфере;
- баланс поверхностного тепла (точнее, плавучести);
- стратификация плотности свободной атмосферы;
- свободной атмосферы вертикальный сдвиг ветра или бароклинность .
Основные типы
[ редактировать ]
Конвективный планетарный пограничный слой (CBL)
[ редактировать ]Конвективный планетарный пограничный слой — это тип планетарного пограничного слоя, в котором поток положительной плавучести на поверхности создает тепловую нестабильность и, таким образом, порождает дополнительную или даже значительную турбулентность. (Это также известно как наличие CAPE или доступной конвективной потенциальной энергии ; см. Атмосферную конвекцию .) Конвективный пограничный слой типичен в тропических и средних широтах в дневное время. Солнечный нагрев, сопровождаемый теплом, выделяющимся при конденсации водяного пара, может создать настолько сильную конвективную турбулентность, что слой свободной конвекции охватывает всю тропосферу вплоть до тропопаузы (границы в атмосфере Земли между тропосферой и стратосферой ), которая находится на высоте 10°С. км до 18 км во внутритропической зоне конвергенции ).
Стабильно стратифицированный планетарный пограничный слой (SBL)
[ редактировать ]
SBL представляет собой PBL, когда отрицательный поток плавучести на поверхности гасит турбулентность; см. Конвективное торможение . SBL приводится в движение исключительно турбулентностью сдвига ветра, и, следовательно, SBL не может существовать без ветра свободной атмосферы. SBL типичен в ночное время во всех местах и даже в дневное время в местах, где поверхность Земли холоднее воздуха над ней. SBL играет особенно важную роль в высоких широтах, где он часто длится продолжительно (от нескольких дней до месяцев), что приводит к очень низким температурам воздуха.
Физические законы и уравнения движения, управляющие динамикой и микрофизикой пограничного слоя планет, сильно нелинейны и существенно зависят от свойств земной поверхности и развития процессов в свободной атмосфере. целый ряд моделей турбулентности Чтобы справиться с этой сложностью, был предложен . Однако они часто недостаточно точны для удовлетворения практических требований. Ожидаются значительные улучшения от применения метода моделирования больших вихрей для решения проблем, связанных с PBL.
Пожалуй, самые важные процессы, [ нужны разъяснения ] которые критически зависят от правильного представления PBL в атмосферных моделях ( Atmocultural Model Intercomparison Project ), — это турбулентный перенос влаги ( эвапотранспирация ) и загрязняющих веществ ( загрязнители воздуха ). Облака в пограничном слое влияют на пассаты , гидрологический цикл и энергетический обмен.
См. также
[ редактировать ]- Аэропланктон
- Пограничный слой
- Слой Экмана
- Смешанный слой
- Альпийский планетарный пограничный слой
- Турбулентность
- Сдвиг ветра
- Микровзрыв
- Физика атмосферы
- Науки об атмосфере
- Атмосферное электричество
- Астрономическое видение
- Дистанционное зондирование атмосферного пограничного слоя
- Представления пограничного слоя атмосферы в моделях глобального климата
- Моделирование атмосферной дисперсии
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Планетарный пограничный слой | Наука об атмосфере | Британника» . www.britanica.com . Проверено 28 июня 2020 г.
- ^ «Свободная атмосфера» . глоссарий.ametsoc.org . Проверено 21 марта 2021 г.
- ^ «Геострофический уровень ветра» . глоссарий.ametsoc.org . Проверено 20 сентября 2018 г.
- ^ Визелиус, Торе (2007). Разработка ветроэнергетических проектов . Лондон: Earthscan Publications Ltd., стр. 40 . ISBN 978-1-84407-262-0 .
Связь между скоростью ветра и высотой называется профилем ветра или градиентом ветра.
- ^ Jump up to: а б Браун, Джорджия; ДеКей, Марк (2001). Солнце, Ветер и Свет . Нью-Йорк: Уайли. п. 18. ISBN 0-471-34877-5 .
- ^ Далглиш, Вашингтон и Д. У. Бойд (1 апреля 1962 г.). «CBD-28. Ветер на зданиях» . Канадский строительный дайджест . Архивировано из оригинала 12 ноября 2007 года . Проверено 30 июня 2007 г.
Поток у поверхности сталкивается с небольшими препятствиями, которые изменяют скорость ветра и вносят случайные вертикальные и горизонтальные компоненты скорости под прямым углом к основному направлению потока.
- ^ Хэдлок, Чарльз (1998). Математическое моделирование в окружающей среде . Вашингтон: Математическая ассоциация Америки. ISBN 0-88385-709-Х .
- ^ Jump up to: а б Лал, Ротанг (2005). Энциклопедия почвоведения . Нью-Йорк: Марсель Деккер. п. 618. ИСБН 0-8493-5053-0 .
- ^ Оке, Тимоти Р. (1987). Климат пограничного слоя . Лондон: Метуэн. п. 54. ИСБН 0-415-04319-0 .
Поэтому вертикальный градиент средней скорости ветра (dū/dz) наибольший на гладкой местности и наименьший на неровной поверхности.
- ^ Jump up to: а б Кроули, Стэнли (1993). Стальные здания . Нью-Йорк: Уайли. п. 272. ИСБН 0-471-84298-2 .
- ^ Харрисон, Рой (1999). Понимание нашей окружающей среды . Кембридж: Королевское химическое общество. п. 11 . ISBN 0-85404-584-8 .
- ^ Jump up to: а б Томпсон, Рассел (1998). Атмосферные процессы и системы . Нью-Йорк: Рутледж. С. 102–103 . ISBN 0-415-17145-8 .
- ^ Маэда, Такао, Шуитиро Хомма и Ёсики Ито. Влияние сложной местности на вертикальный профиль ветра, измеренное методом SODAR. Проверено 4 июля 2008 г.
- ^ Любосный, Збигнев (2003). Работа ветровых турбин в электроэнергетических системах: расширенное моделирование . Берлин: Шпрингер. п. 17. ISBN 3-540-40340-Х .
- ^ Гупта, Аджая (1993). Рекомендации по проектированию малоэтажных зданий, подверженных действию боковых сил . Бока-Ратон: CRC Press. п. 49. ИСБН 0-8493-8969-0 .
- ^ Столтман, Джозеф (2005). Международные перспективы стихийных бедствий: возникновение, смягчение последствий и последствия . Берлин: Шпрингер. п. 73. ИСБН 1-4020-2850-4 .
- ^ Чен, Вай-Фа (1997). Справочник по строительному проектированию . Бока-Ратон: CRC Press. стр. 12–50 . ISBN 0-8493-2674-5 .
- ^ Госал, М. (2005). «7.8.5 Вертикальный градиент скорости ветра». Возобновляемые энергетические ресурсы . Город: Alpha Science International, Ltd., стр. 378–379. ISBN 978-1-84265-125-4 .
- ^ Сталл, Роланд (1997). Введение в метеорологию пограничного слоя . Бостон: Академическое издательство Kluwer. п. 442. ИСБН 90-277-2768-6 .
... и градиент ветра, и сам профиль среднего ветра обычно можно диагностически описать с помощью логарифмического профиля ветра.
- ^ Тюилье, Р. Х.; Лаппе, УО (1964). «Характеристики профиля ветра и температуры по наблюдениям на башне высотой 1400 футов» . Журнал прикладной метеорологии . 3 (3). Американское метеорологическое общество : 299–306. Бибкод : 1964JApMe...3..299T . doi : 10.1175/1520-0450(1964)003<0299:WATPCF>2.0.CO;2 . ISSN 1520-0450 .
- ^ Макилвин, Дж. Ф. Робин (1992). Основы погоды и климата . Лондон: Чепмен и Холл. п. 184 . ISBN 0-412-41160-1 .
- ^ Бертон, Тони (2001). Справочник по ветроэнергетике . Лондон: Дж. Уайли. п. 20 . ISBN 0-471-48997-2 .
- ^ Кепп, Ф.; Швизов, РЛ; Вернер, К. (январь 1984 г.). «Дистанционные измерения профилей ветра в пограничном слое с использованием непрерывного доплеровского лидара» . Журнал прикладной метеорологии и климатологии . 23 (1). Американское метеорологическое общество : 153. Бибкод : 1984JApMe..23..148K . doi : 10.1175/1520-0450(1984)023<0148:RMOBLW>2.0.CO;2 . ISSN 1520-0450 .
- ^ Йоханссон, К.; Уппсала, С.; Смедман, А.С. (2002). «Влияет ли высота пограничного слоя на структуру турбулентности у поверхности Балтийского моря?» . 15-я конференция «Пограничный слой и турбулентность» . 15-я конференция «Пограничный слой и турбулентность» . Американское метеорологическое общество .
- ^ Шао, Япин (2000). Физика и моделирование ветровой эрозии . Город: Клювер Академический. п. 69. ИСБН 978-0-7923-6657-7 .
В глубине конвективного пограничного слоя сильное перемешивание уменьшает вертикальный градиент ветра...
- ^ Jump up to: а б с д Фокен 2017 , с. 7.
- ^ Jump up to: а б с д Фокен 2017 , с. 8.
- Фокен, Томас (2017). Микрометеорология . Перевод Наппо, Кармен Дж.; Кляйн. Берлин, Германия: Шпрингер. ISBN 978-3-642-25439-0 .
