Конвективный пограничный слой планеты

Для более широкого освещения этой темы см. В планетарном пограничном слое .

Пограничный слой конвективного планеты ( CPBL ), также известный как дневной планетный пограничный слой (или просто конвективный пограничный слой , CBL , когда в контексте) является частью нижней тропосферы , наиболее непосредственно затронутой солнечным нагревом поверхности Земли.

Этот слой простирается от поверхности Земли до перепадной инверсии , которая обычно находится на высоте 1–2 км к полудню над землей. Ниже инверсии перекрытия (10–60% глубины CBL, также называемой зоной увлечения в дневное время), CBL делится на два подслои: смешанный слой (35–80% глубины CBL) и поверхностный слой (5–10% глубины CBL). Смешанный слой, основная часть CBL, имеет почти постоянное распределение количеств, таких как потенциальная температура , скорость ветра , концентрация влаги и загрязняющих веществ из -за сильной плавучести, генерируемой конвективным турбулентным смешиванием.

Параметризация турбулентного транспорта используется для имитации вертикальных профилей и временного изменения интересующих величин из -за случайности и неизвестной физики турбулентности. Тем не менее, турбулентность в смешанном слое не является полностью случайной, но часто организуется в идентифицируемые структуры, такие как тепловые и шлейфы в CBL. Моделирование этих больших вихрей сильно отличается от моделирования меньших вихрей, генерируемых локальными ножницами в поверхностном слое. Нелокальное свойство больших вихрей должно учитываться в параметризации.

Средние характеристики

Средние характеристики трех слоев CBL следующие.

Вертикальные профили средних переменных в конвективном пограничном слое. Адаптировано из Stull 1988 Введение в метеорологию пограничного слоя страница 13

(1) Поверхностный слой представляет собой очень мелкую область вблизи земли (нижняя часть 5–10% CBL). Он характеризуется суперадиабатической скоростью перерыва , уменьшением влаги с высотой и сильным сдвигом ветра . Почти весь сдвиг ветра и весь потенциальный градиент температуры в CBL ограничены поверхностным слоем.

(2) Смешанный слой, составляющий средние 35–80% CBL характеризуется консервативными переменными, такими как потенциальная температура , скорость ветра и влажность.

(3) Зона увлечения (или инверсия укрытия) может быть довольно толстой, в среднем около 40% глубины CBL. Это область статически стабильного воздуха в верхней части смешанного слоя, где есть увлечение свободным атмосферным воздухом вниз и превышает тепловые тепловы вверх. Потенциальная температура и скорость ветра имеют резкое увеличение по всей инверсии утилизации, в то время как влага имеет резкое снижение.

Эволюция

Глубина CBL имеет сильный суточный цикл с четырехфазным ростом процесса:

Эволюция конвективного пограничного слоя. Адаптировано из Stull 1988 Введение в метеорологию пограничного уровня страница 11

(1) Образование мелкого смешанного слоя: в раннем утре смешанное слой неглубокий, и его глубина медленно увеличивается из -за сильного неактивного стабильного перекрытия инверсии.

(2) Быстрый рост. К концу утра прохладный ночной воздух был нагреван до температуры, близкой к температуре остаточного слоя, поэтому тепловы быстро проникают вверх во время второго этапа, что позволяя вершине смешанного слоя расти со скоростью до 1 км за 15 минут.

(3) Глубокий смешанный слой почти постоянной толщины: когда тепловые достигают инверсии переплетения в верхней части остаточного слоя, они встречаются с сопротивлением вертикальному движению, а скорость роста смешанного слоя быстро уменьшается. Во время этой третьей фазы, которая простирается в течение большей части дня, глубина смешанного слоя относительно постоянна. Скорость температуры в CBL составляет 1 °/100 м.

(4) Размещение: турбулентность , генерируемая плавучестью , которая движет распадами в смешивании после обрушения солнца и CBL.

Турбулентность в CBL

В атмосферном пограничном слое сдвиг ветра отвечает за горизонтальный транспорт тепла, импульса , влаги и загрязняющих веществ, в то время как плавучесть доминирует в вертикальном смешивании. Турбуленции генерируются плавучестью и сдвигом ветра . Если плавучесть доминирует над производством сдвига, поток пограничного слоя находится в свободной конвекции. Когда сдвиг сдвиг турбулентность сильнее, чем те, которые генерируются плавучестью, поток находится в принудительной конвекции.

Нормализованная турбулентная кинетическая энергия, генерируемая плавучестью и сдвигом за счет поверхностной плавучести. Адаптировано из Stull 1988 Введение в метеорологию пограничного слоя Page 155

В поверхностном слое производство сдвига всегда превышает производство плавучести из -за сильного сдвига, генерируемого поверхностным сопротивлением. В смешанном слое плавучесть, создаваемая нагревом с поверхности земли, является основным фактором конвективной турбулентности. Радиационное охлаждение от облачных вершин также является эффективным фактором конвекции. Плавучесть, создаваемая турбулентностью во второй половине дня, следовательно, поток пограничного слоя находится в свободной конвекции в течение большей части дня.

Вверх и нисходящие народы конвекции пограничного слоя являются основным способом, которым атмосфера перемещает тепло, импульс, влагу и загрязняющие вещества между поверхностью Земли и атмосферой. пограничного слоя Таким образом, конвекция важна для глобального моделирования климата, числового прогнозирования погоды, моделирования воздушного качества и динамики многочисленных мезомасштабных явлений.

Математическое моделирование

Уравнение сохранения

Чтобы количественно описать изменение количества в CBL, нам необходимо решить уравнения сохранения. Упрощенная форма уравнения сохранения для пассивного скаляр в типичном CBL

${\frac {\partial {\bar {c}}}{\partial t}}=-{\frac {\partial {\overline {w'c'}}}{\partial z}}$

где ${\bar {c}}$ это среднее количество $c$, который может быть соотношение смешивания водяного пара $q$, потенциальная температура $\theta$, двигаться на восток $u$ и на север $v$ Скорость ветра. ${\overline {w'c'}}$ вертикальный турбулентный поток $c$.

Мы сделали несколько приближений, чтобы получить вышеуказанное упрощенное уравнение: игнорируйте источник тела, приближение Bousinesq, горизонтальную однородность и отсутствие оседания. Приближение Bousinesq должно игнорировать изменение плотности из -за возмущения давления и поддерживать изменение плотности из -за изменения температуры. Это довольно хорошее приближение в CBL. Последние два приближения не всегда эффективны в реальном CBL. Но это приемлемо в теоретических исследованиях. Наблюдения показывают, что турбулентное смешивание составляет 50% от общего изменения потенциальной температуры в типичном CBL.

Тем не менее, из -за случайности турбулентности и недостатка знаний о точном физическом поведении его, параметризация турбулентного транспорта необходима для моделирования модели. В отличие от турбулентности в поверхностном слое, большие вихри, связанные с появлением теплого воздушного посылок, которые переносят тепло от горячего в холод, независимо от местного градиента фоновой среды в смешанном слое. Следовательно, нелокальный контр-градиентный транспорт должен быть должным образом представлен в моделировании модели.

В числовых моделях обычно следует несколько подходов, чтобы получить вертикальные профили и временные изменения количеств в CBL. Полная схема смешивания для всего CBL, локальная схема для областей, в которых доминирует сдвиг, нелокальная схема и схема диффузии сверху вниз и снизу вверх для смешанного слоя, в котором доминировал плавучесть. В схеме полного смешивания предполагается, что все величины распределены равномерно, а турбулентные потоки предполагаются линейно связаны с высотой, с прыжком вверху. В локальной схеме турбулентный поток масштабируется локальным градиентом количества. В нелокальной схеме потоки турбулентности связаны с известными количествами в любом количестве точек сетки в других местах вертикали. В нисходящем и снизу вверх диффузию вертикальный профиль определяется диффузией из двух направлений, а турбулентные потоки в подсчете получены из известных величин или их вертикальных производных в одной и той же точке сетки.

Полная схема смешивания

Полное смешивание является самым простым представлением CBL в некоторых глобальных моделях. Предполагается, что потоки в этом слое линейно уменьшаются с высотой, а средние переменные сохраняют свой вертикальный профиль на каждом шаге времени моделирования. Все средние переменные равномерно распределены по всему CBL и имеют прыжок на вершине CBL. Эта простая модель долгое время использовалась в метеорологии и продолжает оставаться популярным подходом в некоторых глобальных моделях разрешения курса.

Местное закрытие

Локальное закрытие K-теории -это простая и эффективная схема для турбулентного транспорта, преобладающей сдвиг в поверхностном слое. К-теория предполагает, что смешивание для тепла, водяного пара и концентрации загрязняющих веществ происходит только между соседними слоями CBL, и что величина смешивания определяется коэффициентом вихревой диффузии $K_{c}$ и местные градиенты соответствующих скаляр ${\frac {\partial c}{\partial z}}$.

${\overline {w'c'}}=-K_{c}{\frac {\partial c}{\partial z}}$

Где $K_{c}$ «коэффициент вихревой диффузии» для $c$, который обычно воспринимается как функция шкалы длины $l_{c}$ и местные вертикальные градиенты $c$Полем Для нейтрального состояния, $K_{c}$ параметризуется с использованием теории длины смешивания .

$K_{c}=l_{c}^{2}\left|{\frac {\partial {\bar {u}}}{\partial z}}\right\vert$

Если турбулентный вихрь перемещает посылку воздуха вверх по количеству $z$ в течение которого нет ни смешивания, ни других изменений в значении $c$ Внутри посылки мы определяем $l_{c}$ к

$l_{c}=\kappa z$

где $\kappa$ является константой фон Кармана эмпирически полученной (0,35 или 0,4).

Теория смешивания имеет свое собственное ограничение. Теория применима только к статически нейтральному состоянию. Это смещается за статически стабильными и нестабильными условиями.

Теория смешанной длины терпит неудачу, когда скорость ветра равномерно распределяется, люди используют знания турбулентной кинетической энергии (TKE) для улучшения параметризации коэффициента вихревой диффузии $K_{c}$ Чтобы учесть большой вихревый транспорт в типичном CBL. TKE дает нам меру интенсивности и эффективности турбулентности, и это может быть измерено точно.

$K_{c}=Sl_{c}e^{\text{1/2}}$

где $S$ является безразмерной функцией стабильности, и $e$ это TKE. Диагностические уравнения, используемые для получения параметров $S$ и $l_{c}$ отличаются различными закрытиями TKE.

Нелокальное закрытие

В регионах, где доминируют плавучесть, K-теория терпит неудачу, поскольку она всегда дает нереалистичный нулевой поток в единой среде. Нелокальные характеристики больших вихрей плавучести учитываются путем добавления нелокальной коррекции в локальную схему. Поток любого скалярного $c$ может быть описан с

${\overline {w'c'}}=-K_{c}({\frac {\partial c}{\partial z}}-\gamma _{c})$

где $\gamma _{c}$ является коррекцией к местному градиенту для представления транспорта потока градиента противостояния крупномасштабные вихри. Этот термин невелик в стабильных условиях и поэтому игнорируется в таких условиях. Однако в нестабильных условиях большая часть транспорта осуществляется турбулентными вихрями с размерами по порядку глубины пограничного слоя. В таких случаях,

$\gamma _{c}=b{\frac {\overline {(w'c')_{s}}}{w_{s}}}$

где ${\overline {(w'c')_{s}}}$ соответствующий поток поверхности для скалярного $c$, и $b$ является коэффициентом пропорциональности. $w_{s}$ Является ли шкала скорости смешанного слоя, определяемая из скорости поверхностного трения и функции профиля ветра в верхней части поверхностного слоя.

Вихревая диффузии для импульса определяется как

$K_{c}=\kappa zw_{s}(1-{\frac {z}{h}})^{2}$

где $\kappa$ это постоянная фон Карман, $z$ высота над землей, $h$ высота пограничного слоя.

По сравнению с полной схемой смешивания, нелокальная схема значительно улучшает моделирование вертикальных распределений для № ₂ и O ₃ , как оценивается в исследовании, проведенном летом с использованием измерений самолетов. Он также уменьшает смещения модели на поверхности над США на 2-5 ppb для пика O ₃ (концентрация O ₃ составляет 40-60ppb) во второй половине дня, как оценивается с использованием наблюдений за землей.

Диффузия сверху вниз и снизу вверх

Потоки увлечения количеств не обрабатываются в нелокальной схеме. В схеме сверху вниз и снизу вверх представлены как потоки поверхности, так и потоки увлечения. Средние скалярные потоки - это сумма двух потоков

${\overline {w'c'}}={\overline {(w'c')_{s}}}(1-z/h_{1})+{\overline {(w'c')_{l}}}(z/h_{1})$

Где $h_{1}$ высота смешанного слоя. ${\overline {(w'c')_{l}}}$ и ${\overline {(w'c')_{s}}}$ скалярные поток в верхней и дне CBL и масштаб как

Смоделирован вертикальный профиль и турбулентный поток виртуальной потенциальной температуры. Адаптировано из Stull 1988 Введение в метеорологию пограничного слоя Page 457 и Wyngaard and Brost, 1983

${\overline {(w'c')_{s}}}=K_{s}{\frac {\partial c_{s}}{\partial z}}$

${\overline {(w'c')_{l}}}=K_{l}{\frac {\partial c_{l}}{\partial z}}$

Где $K_{s}$ и $K_{l}$ являются

$K_{s}={\frac {w_{*}h_{1}(1-z/h_{1})}{g_{s}}}$

$K_{l}={\frac {w_{*}z}{g_{l}}}$

$w_{*}$ это шкала конвективной скорости $w_{*}=(g{\overline {w_{s}\theta }}h_{1}T)^{\text{1/3}}$. $g_{b}$ безразмерный градиент для направления снизу вверх, функция $z/h_{1}$. $g_{l}$ Безразмерный градиент для сверху вниз. Вертикальный профиль $g_{t}$ и $g_{l}$ представлены в Wyngarard et al.

Смотрите также

• Планетарный пограничный слой
• Смешанный слой
• Турбулентный