Gezegensel sınır tabakası - Planetary boundary layer

Bu film, bir aylık bir dönem için Los Angeles havzasında PBL ve rüzgar dinamiklerinin birleştirilmiş bir görselleştirmesidir. PBL'nin dikey hareketi gri "battaniye" ile temsil edilir. PBL'nin yüksekliği, büyük ölçüde , Dünya'nın değişen yüzey sıcaklığıyla ilişkili konveksiyon tarafından yönlendirilir (örneğin, gün boyunca yükselen ve geceleri batan). Renkli oklar, farklı irtifalardaki rüzgarların gücünü ve yönünü temsil eder.
Güneşli bir günde gezegen sınır tabakasının bulunduğu yerin tasviri.

Olarak meteoroloji , planet sınır tabakası ( PBL olarak da bilinir), atmosferik sınır tabaka ( ABL ) ya da peplosphere , en alt parçası olan bir atmosfer ve davranışı doğrudan ile teması etkilenir planet yüzeyi . Dünya'da genellikle bir saat veya daha kısa sürede yüzey ışınımsal zorlamasındaki değişikliklere yanıt verir . Bu katmanda akış hızı , sıcaklık ve nem gibi fiziksel nicelikler hızlı dalgalanmalar ( türbülans ) gösterir ve dikey karışım kuvvetlidir. PBL'nin üstünde, rüzgarın yaklaşık olarak jeostrofik (izobarlara paralel) olduğu "serbest atmosfer" bulunurken, PBL içinde rüzgar yüzey sürtünmesinden etkilenir ve izobarlar boyunca döner ( daha fazla ayrıntı için Ekman katmanına bakınız ).

Yüzey rüzgar gradyanının nedeni

Sınır tabakasının altındaki ve üstündeki aerosol miktarındaki fark, bu hava fotoğrafında kolayca görülebilir. Berlin kentinden gelen ışık kirliliği, katmanın altında güçlü bir şekilde dağılmış durumda, ancak katmanın üzerinde çoğunlukla uzaya yayılıyor.

Tipik olarak, aerodinamik sürtünme nedeniyle , rüzgar akışında Dünya yüzeyinin ~100 metre yukarısında bir rüzgar gradyanı vardır - gezegensel sınır tabakasının yüzey tabakası. Rüzgar hızı, kaymama durumu nedeniyle sıfırdan başlayarak yerden yükseklik arttıkça artar . Yüzeye yakın akış, rüzgar hızını azaltan ve ana akış yönüne dik açılarda rastgele dikey ve yatay hız bileşenleri getiren engellerle karşılaşır. Bu türbülans , bir seviyede yatay hareket eden hava ile hemen üstündeki ve altındaki seviyelerdeki hava arasında dikey karışmaya neden olur ki bu da kirleticilerin dağılmasında ve toprak erozyonunda önemlidir .

Yüzeye yakın hızdaki azalma, yüzey pürüzlülüğünün bir fonksiyonudur, bu nedenle rüzgar hızı profilleri farklı arazi türleri için oldukça farklıdır. Kaba, düzensiz zemin ve zemindeki insan yapımı engeller, jeostrofik rüzgar hızını %40 ila %50 oranında azaltabilir . Açık su veya buz üzerinde, azalma sadece %20 ila %30 olabilir. Rüzgar türbinleri yerleştirirken bu etkiler dikkate alınır .

İçin mühendislik amacıyla, rüzgar gradyanı olarak modellenmiştir basit kesme bir göre değişen bir düşey hız profiline sahip güç kanununa bir sabit ile üstel yüzey tipine göre katsayısı. Yüzey sürtünmesinin rüzgar hızı üzerinde ihmal edilebilir bir etkiye sahip olduğu yerden yüksekliğe "gradyan yüksekliği" denir ve bu yüksekliğin üzerindeki rüzgar hızının "gradyan rüzgar hızı" olarak adlandırılan bir sabit olduğu varsayılır. Örneğin, tahmin edilen eğim yüksekliği için tipik değerler büyük şehirler için 457 m, banliyöler için 366 m, açık arazi için 274 m ve açık deniz için 213 m'dir.

Kuvvet yasası üs yaklaşımı uygun olsa da, teorik bir temeli yoktur. Sıcaklık profili adyabatik olduğunda, rüzgar hızı yükseklikle logaritmik olarak değişmelidir . 1961'de açık arazi üzerinde yapılan ölçümler , 100 m'ye kadar ( yüzey tabakası içinde ) logaritmik uyum ile 1000 m'ye kadar neredeyse sabit ortalama rüzgar hızı ile iyi bir uyum gösterdi .

Kesme rüzgarın olduğu da 'serbest' basınç gradyanı tahrikli jeostrofik rüzgar ve toprağa rüzgar yakın arasındaki yönde bir değişiklik olduğunda, genellikle üç boyutludur. Bu Ekman sarmal etkisi ile ilgilidir. Yüzeye yakın yönlendirilmiş ageostrofik akışın çapraz izobar açısı, açık suda 10°'den engebeli arazide 30°'ye kadar değişir ve rüzgar hızının çok düşük olduğu gecelerde karada 40°-50°'ye kadar çıkabilir.

Gün batımından sonra, artan stabilite ile birlikte yüzeye yakın rüzgar gradyanı artar. Radyasyonlu soğutma ile gece meydana gelen atmosferik kararlılık , türbülanslı girdapları dikey olarak sınırlama ve böylece rüzgar gradyanını artırma eğilimindedir . Rüzgar gradyanının büyüklüğü büyük ölçüde hava koşullarından , özellikle atmosferik kararlılıktan ve herhangi bir konvektif sınır tabakasının yüksekliğinden veya Capping inversiyonundan etkilenir . Bu etki, sınır tabakasının yüksekliğinde karadan çok daha az günlük değişimin olduğu deniz üzerinde daha da büyüktür. Konvektif sınır tabakasında kuvvetli karışım, dikey rüzgar gradyanını azaltır.

kurucu katmanlar

Bir raf bulut üzerinde bir fırtına kompleksinin ön kenarında Chicago South Side uzanır Hyde Park topluluğu alana üstü ile Regents Park üzerinde ikiz kuleleri ve dışarı Michigan Gölü

As Navier Stokes denklemleri önermek, gezegen sınır tabakası türbülansı çok yüzey yakınlığı olan büyük hız değişim dereceleriyle katmanda üretilir. Geleneksel olarak yüzey katmanı olarak adlandırılan bu katman , toplam PBL derinliğinin yaklaşık %10'unu oluşturur. Yüzey tabakasının üzerinde, PBL türbülansı kademeli olarak dağılır, kinetik enerjisini sürtünmeye kaybeder ve aynı zamanda yoğunluk tabakalı bir akışta kinetik enerjiyi potansiyel enerjiye dönüştürür. Türbülanslı kinetik enerji üretiminin hızı ile bunun dağılması arasındaki denge, gezegensel sınır tabaka derinliğini belirler. PBL derinliği büyük ölçüde değişir. Belirli bir rüzgar hızında, örneğin 8 m/s ve dolayısıyla belirli bir türbülans üretim hızında, kışın Kuzey Kutbu'nda bir PBL 50 m kadar sığ olabilir, orta enlemlerde gece PBL'si tipik olarak 300 m kalınlığında olabilir ve ticaret-rüzgar bölgesindeki tropikal bir PBL, 2000 m'lik tam teorik derinliğine kadar büyüyebilir. PBL derinliği öğleden sonra çöl üzerinde 4000 m veya daha yüksek olabilir.

Yüzey tabakasına ek olarak, gezegensel sınır tabakası ayrıca PBL çekirdeğini (PBL derinliğinin 0,1 ila 0,7'si arasında) ve PBL üst veya sürüklenme tabakasını veya tepe ters çevirme tabakasını (PBL derinliğinin 0,7 ila 1'i arasında) içerir. Dört ana dış faktör PBL derinliğini ve ortalama dikey yapısını belirler:

  1. serbest atmosfer rüzgar hızı;
  2. yüzey ısısı (daha doğrusu kaldırma kuvveti) dengesi;
  3. serbest atmosfer yoğunluğu tabakalaşması;
  4. serbest atmosfer dikey rüzgar kayması veya barokliniklik .

ana türleri

Atmosferik sınır katmanı.svg

Konvektif gezegen sınır tabakası (CBL)

Bir konvektif gezegen sınır tabakası, yüzeydeki pozitif yüzdürme akısının termal bir kararsızlık yarattığı ve dolayısıyla ek veya hatta büyük türbülans oluşturduğu bir tür gezegensel sınır tabakasıdır. (Bu aynı zamanda CAPE veya konvektif kullanılabilir potansiyel enerjiye sahip olarak da bilinir ); bkz. atmosferik konveksiyon .) Bir konvektif sınır tabakası, gündüzleri tropikal ve orta enlemlerde tipiktir. Su buharı yoğunluğunda salınan ısı ile destekli Güneş enerjisi böylece kuvvetli konvektif bir türbülans meydana olabilir Ücretsiz konvektif tabaka tüm kadar troposfer içerir tropopause (arasında dünya atmosferinin sınır troposfer ve stratosfer 10 olan), Intertropikal yakınsama bölgesinde km ila 18 km ).

Kararlı tabakalı gezegen sınır tabakası (SBL)

SBL, yüzeydeki negatif yüzdürme akısı türbülansı sönümlediğinde bir PBL'dir; bkz. Konvektif inhibisyon . Bir SBL, yalnızca rüzgar kesme türbülansı tarafından sürülür ve bu nedenle SBL, serbest atmosfer rüzgarı olmadan var olamaz. Bir SBL, gece tüm yerlerde ve hatta Dünya yüzeyinin yukarıdaki havadan daha soğuk olduğu yerlerde gündüz bile tipiktir. Bir SBL, genellikle uzayan (günlerden aylara kadar) yüksek enlemlerde özellikle önemli bir rol oynar ve bu da çok soğuk hava sıcaklıklarına neden olur.

Gezegensel sınır tabakası dinamiklerini ve mikrofiziği yöneten fiziksel yasalar ve hareket denklemleri, kuvvetle doğrusal değildir ve Dünya yüzeyinin özelliklerinden ve serbest atmosferdeki süreçlerin evriminden önemli ölçüde etkilenir. Bu karmaşıklıkla başa çıkmak için, tüm dizi türbülans modellemesi önerilmiştir. Ancak, genellikle pratik gereksinimleri karşılayacak kadar doğru değildirler. PBL ile ilgili problemlere büyük bir girdap simülasyon tekniğinin uygulanmasından önemli gelişmeler beklenmektedir .

PBL'nin atmosferik modellerde ( Atmospheric Model Intercomparison Project ) doğru temsiline kritik olarak bağlı olan belki de en önemli süreçler, türbülanslı nemin ( buharlaşma ) ve kirleticilerin ( hava kirleticileri ) taşınmasıdır . Sınır tabakasındaki bulutlar , ticaret rüzgarlarını , hidrolojik döngüyü ve enerji alışverişini etkiler .

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar