A planetáris határréteg szerkezete, modellezési lehetıségei, felszín-légkör kölcsönhatások
Tartalom 1. Mi a mikrometeorológia? 2. A PHR szerkezete
Weidinger Tamás
3. A légköri hidro-termodinamikai egyenletrendszer, lezárási hipotézisek 4. A keveredési rétegvastagság modellezése 5. A felszínközeli réteg turbulens kicserélıdési folyamatai, a fluxusmérések módszertana
ELTE Földrajz- és Földtudományi Intézet, Meteorológiai Tanszék
A nagyskálájú idıjárási jelenségek, illetve az általános cirkuláció mozgásrendszereinek fejlıdéséhez szükséges energia túlnyomórészt a planetáris határrétegen keresztül kerül a légkörbe. (Arya, 1988)
6. Összefoglalás
A planetáris határréteg szerkezete z(m) 2000 Szabad légkör Beszívási zóna
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.
Felsı inverzió Beszívási zóna
Felhõréteg 1000
Átmeneti réteg
Konvektív Stabil (éjszakai) határréteg határréteg Felszíni réteg Felszíni réteg
Konvektív határréteg Felszíni réteg Dél
Napnyugta
Éjfél
Napkelte
Dél
A termodinamikai egyenlet:
d Θ Θ 1 dQ = . dt T c p dt
u, u,v, v,w, w,p, p,T, T,ρρ,, ρρvv,, qq== ρρvv//ρρ
R/cp ΘΘ=T(p =T(p00/p) /p)R/cp
A kontinuitási egyenlet: → dρ = − ρ div V . dt
A vízgızre vonatkozó kontinuitási egyenlet:
dq 1 = M . dt ρ Az állapotegyenlet:
pα =
p = RT ρ
1
Lezárási probléma
A A turbulens turbulens kicserélıdés kicserélıdés
_
x = x + x', y = y + y', x = x , y' = 0
Fluxus Fluxus == c’c’w’ w’ ==cc** uu**==KK (∆c (∆c//∆z) ∆z)
xy = x y + x ' y '
∂x ∂ x = ∂s ∂s
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-ed rendő momentumokat használunk.
Ha Haaatalaj talajill. ill. növényzet növényzet az azadott adott tulajdonság tulajdonságnyelıje nyelıje
A A felszíni felszíni energiamérleg, energiamérleg, turbulens turbulens áramok áramok
AAKonvektív Konvektívhatárréteg határréteg sematikus sematikusképe képe
Rn Rn --G G==HH++LE LE++Res Res Rn Rn––sugárzási sugárzásiegyenleg egyenleg
GG––talajba talajbajutó jutóhıáram hıáram
HH==ρρcp ρρcp ρρcp cp(T’ (T’w’) w’) ==-ρ -ρ cpTT**uu**==-ρ -ρ cpKKTT(dT (dT//dz) dz)––szenzibilis szenzibilishıáram hıáram LE ρρLLlv qq* uu* ==-ρ ρρcp LE==ρρLLlvlvcp cp(q’ (q’w’) w’) ==-ρ -ρ -ρ cpKKTT(dq (dq//dz) dz)––latens latenshıáram hıáram lv * * Res Res--maradéktag maradéktag
ττ==-ρ ρρ(u’ -ρ (u’w’) w’) ==ρρuu**uu**==ρρK Kuu(du (du//dz) dz)––impulzusáram impulzusáram Turbulencia Turbulenciaparaméterek: paraméterek: ττ (u*), (u*),H H (T*), (T*),z,z,ββ==g/T g/T
Monin-Obukhov Monin-Obukhovhossz: hossz: 2 κβ T ) L=u L=u**2/(κ /(κ κ β T**)
AAKonvektív Konvektívhatárréteg határréteg kormányzóegyenletei kormányzóegyenletei
Stabil planetáris határréteg Rádiószondás mérések felhasználásával (00 UTC):
A Phr átlagos potenciális hımérséklet változása ∂Θ (w' Θ' )s − (w' Θ' )h = ∂t h A potenciális hımérsékleti ugrás változása ∂∆Θ ∂h ∂Θ = γΘ − ∂t ∂t ∂t A Phr-be történı ”hıbeáramlás” a felsı határon − (w' Θ' )h = ∆Θ
∂h ∂t
h = Ric
(∆u )2 β ⋅ ∆Θv
Ric = 0.25
A felszíni réteg turbulencia paraméterei alapján
h=c*
u* ⋅ L* f
c* = 0.35
Ric: kritikus Richardson szám, β: stabilitási paraméter, ∆u: sebesség különbség, ∆Θv: virtuális potenciális hımérséklet különbség.
2
Érzékenységvizsgálat: konvektív határréteg fejlıdése Alapmodell
2000
Érzékenység: u*
∆u* = 30%
1500
∆u* = 10%
1000
Rádiószonda
500 h [m ]
Szélenergetikai vizsgálatok – Mosonmagyaróvár
Idı [UTC] (1996. 07. 08.)
0 4
6
8
2000
10
12
14
16
Alapmodell
Érzékennység: T grad
∆Tgrad = 0,1 oC/100 m
1500 1000
∆Θm > 0,25 oC
h [m]
500
Time [UTC] (1996. 07. 08.)
Rádiószonda
0 4
6
8
10
12
14
16
Korrigált szélbecslések
Modellezési tartomány
Hogy javítható az elırejelzés a modellparaméterek változtatásával, illetve a modell-output statisztikák alkalmazásával?
A mikrometeorológia, mint alkalmazott tudományterület
Mikrometeorológiai mérések Erdıhátpuszta 1950-1965 Talaj mintavétel
Erdıhátpusztai Mikroklímakutató Állomás
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) Meteorológiai mérıkert
3
Módosított Módosított Bowen-arány Bowen-arány módszer módszer
Turbulens Turbulens áramok áramok meghatározása meghatározása
Direkt árammérések: 5-20 Hz mérési frekvencia
Fc FT
Egy skalár fluxus és a hımérséklet fluxus aránya
=
w'c ' w 'T '
Eddy kovariancia (gyors szenzorok)
=
K c [C ( z1 ) − C ( z2 )] K H [T ( z1 ) − T ( z 2 )]
Gradiens módszer, több szint – profil módszer
=
bcσ w C ( w > wt ) − C ( w < − wt ) bT σ wT ( w > wt ) − T ( w < − wt )
B=
Eddy akkumulációs technika: szélsebesség mérés 5-20 Hz, nyomanyag mérés a feláramlás függvényében Profilmérés: 5 - 30 perces átlagos profilok, hasonlósági elmélet alkalmazása Energiaháztartási mérések:
Rn +G + H + LE = ( 0 )
Kamrás mérési technika: ismert tétfogatú kamrában mérjük a koncentráció változását.
Kolon-tó Kiskunsági Nemzeti Park
Relaxációs eddy akkumuláció
=
bcσ wC ( wT > wTt ) − C ( wT < − wTt ) bcσ wT ( wT > wTt ) − C ( wT < − wTt )
=
Cowc ( f lassú ) CowT ( f lassú )
Hiperbolikus relaxációs eddy akkumuláció
A spektrumok hasonlóságán alapuló eljárás Bandpass Covariance
II. Párolgásszámítás – Bowen-arány és gradiens módszer 1000
Rn Rn--GG==HH++LE LE BB=H =H/ /LE LE
Globál sugárzás Sugárzásegyenleg
W/m2
800 600 400 200 0
Napi Párolgás [mm]
-200
8 7 6 5 4 3 2 1 0
Log profil Bowen-arány
230
235
240
230
235 240 245 Év napjai (aug 18 - szept 7)
250
Rn Rn - G
245
250
Év napjai (aug. 18 - szept. 7)
Feladatok:
Bugac-puszta
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
Energiaháztartás mérések (szenzibilis és latens hıáram, szélsebesség) a Ross Barnett víztárolón,(Mississippi, USA) 2007-ben és 2008-ban (Liu et al, 2011)
4
Toronymérések, dinamikus és statikus kamrák
Eddy-kovariancia és gradiens mérések
Kamrás mérések
Plexi kamra Helsinki Egyetem
Dinamikus és statikus kamrás mérések (NO, N2O és CH4)
Poznan-2008
Olasz fejlesztéső mérıkamra nyomáskiegyenlítıvel
Dániai Expedíció, 2009
Debreceni mérıállomás Annual variation of surface radiation balance Daily averages Shortwave Balance 350
Longwave Balance
300
Radiation Balance
Feladatok:
250
W/m2
200
1. Automata kamrás mérések (rendszerépítés, korábbi mérések feldolgozása)
150 100 50 0 -50 -100 -150 1
30
59
88
117
146
175
204
Julian day 2009
233
262
291
320
349
2. A átlagolási hossz várhatóérték és a kovariancia optimális becslése 3. A légoszlop teljes víztartalmának összehasonlító elemzése 4. Szélenergetikai és sugárzási energia becslések verifikálása és pontosítása 5. Hogy mőködik az ALADIN modell egyetemi változata?
5
Milyen idı lesz a hétvégén?
Hullámzó frontrendszer érkezik nyugat felıl a hétvégén: elıbb esıt, záport, ónos esıt hoz, majd hétfın markáns hidegfront érkezik esıvel és viharos széllel. A frontérzékenyekre nehéz hétvége vár.
6
7
