Планетарный пограничный слой

В метеорологии , то планетарный пограничный слой ( PBL ), также известный как атмосферный пограничный слой ( АПС ) или peplosphere , является самым нижней частью атмосферы и ее поведение напрямую зависят от его контакта 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, демонстрируют быстрые колебания ( турбулентность ) и сильное вертикальное перемешивание. Над PBL - «свободная атмосфера»,[2], где ветер приблизительно геострофический (параллельный изобарам), [3] в то время как внутри PBL ветер подвержен поверхностному сопротивлению и поворачивает поперек изобар (см.Более подробную информацию в слое Экмана ).

"> Файл: Воздух над Лос-Анджелесом.ogvВоспроизвести медиа
Этот фильм представляет собой комбинированную визуализацию PBL и динамики ветра над бассейном Лос-Анджелеса за период в один месяц. Вертикальное движение PBL представлено серым «одеялом». Высота PBL в значительной степени определяется конвекцией, связанной с изменением температуры поверхности Земли (например, повышение днем ​​и опускание ночью). Цветные стрелки обозначают силу и направление ветра на разных высотах.
Изображение того, где находится пограничный слой планеты в солнечный день.

На этом аэрофотоснимке легко увидеть разницу в количестве аэрозолей ниже и выше пограничного слоя. Световое загрязнение от Берлина сильно рассеивается под слоем, но над слоем оно в основном распространяется в космос.

Обычно из-за аэродинамического сопротивления существует градиент ветра в ветровом потоке всего в нескольких сотнях метров над поверхностью Земли - поверхностный слой пограничного слоя планеты. Скорость ветра увеличивается с увеличением высоты над землей, начиная с нуля [4] из -за условия отсутствия проскальзывания . [5] Поток у поверхности встречает препятствия, которые снижают скорость ветра и вносят случайные вертикальные и горизонтальные составляющие скорости под прямым углом к ​​основному направлению потока. [6] Эта турбулентность вызывает вертикальное перемешивание 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 эрозии почвы . [8]

Снижение скорости у поверхности зависит от шероховатости 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 от 20% до 30%. [11] [12] Эти эффекты учитываются при размещении ветряных турбин . [13] [14]

Для инженерных целей 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 «градиентной высотой», а скорость ветра выше этой высоты считается постоянной, называемой «градиентной скоростью ветра». [10] [15] [16] Например, типичные значения для прогнозируемой высоты градиента составляют 457 м для больших городов, 366 м для пригородов, 274 м для открытой местности и 213 м для открытого моря. [17]

Хотя степенная аппроксимация экспоненты удобна, она не имеет теоретической основы. [18] Когда профиль температуры адиабатический, скорость ветра должна логарифмически изменяться с высотой. [19] Измерения на открытой местности в 1961 году показали хорошее согласие с логарифмической аппроксимацией до 100 м или около того (в приземном слое ), с почти постоянной средней скоростью ветра до 1000 м. [20]

Сдвиг ветра, как правило , трехмерный, [21] , то есть существует также изменение в направлении между «свободными» давлением с приводом геострофических ветрами и ветрами близко к земле. [22] Это связано со спиральным эффектом Экмана . Поперечный изобарный угол отклоненного агеострофического потока у поверхности колеблется от 10 ° над открытой водой до 30 ° над пересеченной холмистой местностью и может увеличиваться до 40 ° -50 ° над сушей ночью, когда скорость ветра очень низкая. [12]

После захода солнца градиент ветра у поверхности увеличивается с увеличением устойчивости. [23] Атмосферная стабильность, возникающая ночью при радиационном охлаждении, имеет тенденцию вертикально сдерживать турбулентные водовороты , тем самым увеличивая градиент ветра. [8] На величину градиента ветра в значительной степени влияет погода , в основном стабильность атмосферы и высота любого конвективного пограничного слоя или инверсии Кеппинга . Этот эффект еще больше над морем, где нет суточных изменений высоты пограничного слоя, как над сушей. [24] В конвективном пограничном слое сильное перемешивание уменьшает вертикальный градиент ветра. [25]

Облако полка на переднем крае грозовой комплекса на южной стороне Чикаго , который простирается от Гайд - парка сообщества области , чтобы над Риджентс Парк башен - близнецов и над озером Мичиган

Как показывают уравнения Навье – Стокса , турбулентность планетарного пограничного слоя создается в слое с наибольшими градиентами скорости, который находится в непосредственной близости от поверхности. Этот слой, обычно называемый поверхностным слоем, составляет около 10% от общей глубины PBL. Выше поверхностного слоя турбулентность PBL постепенно рассеивается, теряя свою кинетическую энергию из-за трения, а также преобразовывая кинетическую энергию в потенциальную в потоке, стратифицированном по плотности. Баланс между скоростью производства турбулентной кинетической энергии и ее диссипацией 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, PBL в зимнее время в Арктике может быть такой мелкой, как 50 м, ночная PBL в средних широтах обычно может иметь толщину 300 м. , а тропический PBL в зоне пассата может вырасти на полную теоретическую глубину 2000 м.

В дополнение к поверхностному слою, планетарный пограничный слой также включает ядро PBL (от 0,1 до 0,7 глубины PBL) и верхний или захватывающий слой или закрывающий инверсионный слой (от 0,7 до 1 глубины PBL). Четыре основных внешних фактора определяют глубину PBL и его среднюю вертикальную структуру:

  1. скорость ветра в свободной атмосфере;
  2. баланс тепла (точнее плавучести) поверхности;
  3. стратификация плотности свободной атмосферы;
  4. вертикальный сдвиг ветра или бароклинность в свободной атмосфере .

Atmospheric boundary layer.svg

Конвективный планетарный пограничный слой (CBL)

Конвективный планетарный пограничный слой - это тип планетарного пограничного слоя, в котором поток положительной плавучести на поверхности создает тепловую нестабильность и, таким образом, создает дополнительную или даже большую турбулентность. (Это также известно как наличие CAPE или конвективной доступной потенциальной энергии ); см. атмосферную конвекцию .) Конвективный пограничный слой характерен для тропических и средних широт в дневное время. Нагревание Солнцем за счет тепла, выделяемого при конденсации водяного пара, может создать настолько сильную конвективную турбулентность, что свободный конвективный слой охватывает всю тропосферу вплоть до тропопаузы (граница в атмосфере Земли между тропосферой и стратосферой ), которая находится на уровне 10 км до 18 км в зоне межтропической конвергенции ).

Стабильно стратифицированный планетарный пограничный слой (SBL)

SBL - это 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 в свободной атмосфере. SBL типичен в ночное время во всех местах и ​​даже в дневное время в тех местах, где поверхность Земли холоднее, чем воздух над ней. SBL играет особенно важную роль в высоких широтах, где он часто длится (от нескольких дней до месяцев), что приводит к очень низким температурам воздуха.

Физические законы и уравнения движения, которые управляют динамикой и микрофизикой пограничного слоя планеты, сильно нелинейны и в значительной степени зависят от свойств поверхности Земли и развития процессов в свободной атмосфере. Чтобы справиться с этой сложностью, был предложен целый ряд моделей турбулентности . Однако они часто недостаточно точны для удовлетворения практических требований. Ожидаются значительные улучшения от применения метода моделирования крупных вихрей к проблемам, связанным с PBL.

Возможно, наиболее важными процессами [ требуется пояснение ], которые критически зависят от правильного представления PBL в атмосферных моделях ( проект взаимного сравнения атмосферных моделей ), являются турбулентный перенос влаги ( эвапотранспирация ) и загрязнителей ( загрязнители воздуха ). Облака в пограничном слое влияют на пассаты , гидрологический цикл и энергообмен.

  • Пограничный слой
  • Слой Экмана
  • Смешанный слой
  • Альпийский планетарный пограничный слой
  • Турбулентность
  • Сдвиг ветра
  • Микровзрыв
  • Физика атмосферы
  • Атмосферные науки
  • Атмосферное электричество
  • Астрономическое видение
  • Пограничный слой атмосферы с помощью дистанционного зондирования
  • Представления атмосферного пограничного слоя в глобальных климатических моделях
  • Моделирование атмосферной дисперсии

  1. ^ https://www.britannica.com/science/planetary-boundary-layer Проверено 28 июня 2020 г.
  2. ^ http://glossary.ametsoc.org/wiki/Free_atmosphere Проверено 21 марта 2021 года.
  3. ^ http://glossary.ametsoc.org/wiki/Geostrophic_wind_level Проверено 20 сентября 2018 г.
  4. ^ Wizelius, Торе (2007). Разработка проектов ветроэнергетики . Лондон: Earthscan Publications Ltd. стр. 40 . ISBN 978-1-84407-262-0. Связь между скоростью ветра и высотой называется профилем ветра или градиентом ветра.
  5. ^ а б Браун, Г. (2001). Солнце, ветер и свет . Нью-Йорк: Вили. п. 18. ISBN 0-471-34877-5.
  6. ^ Дэлглиш, Вашингтон и Д. У. Бойд (1962-04-01). «CBD-28. Ветер на здания» . Канадский строительный дайджест . Архивировано из оригинала на 2007-11-12 . Проверено 30 июня 2007 . Поток у поверхности встречает небольшие препятствия, которые изменяют скорость ветра и вносят случайные вертикальные и горизонтальные составляющие скорости под прямым углом к ​​основному направлению потока.
  7. ^ Хэдлок, Чарльз (1998). Математическое моделирование в окружающей среде . Вашингтон: Математическая ассоциация Америки. ISBN 0-88385-709-X.
  8. ^ а б Лал, Р. (2005). Энциклопедия почвоведения . Нью-Йорк: Марсель Деккер. п. 618. ISBN 0-8493-5053-0.
  9. ^ Оке, Т. (1987). Климат пограничного слоя . Лондон: Метуэн. п. 54. ISBN 0-415-04319-0. Следовательно, вертикальный градиент средней скорости ветра (dū / dz) наибольший на гладкой местности и наименьший на неровной.
  10. ^ а б Кроули, Стэнли (1993). Стальные здания . Нью-Йорк: Вили. п. 272. ISBN. 0-471-84298-2.
  11. ^ Харрисон, Рой (1999). Понимание окружающей среды . Кембридж: Королевское химическое общество. п. 11 . ISBN 0-85404-584-8.
  12. ^ а б Томпсон, Рассел (1998). Атмосферные процессы и системы . Нью-Йорк: Рутледж. стр.  102 -103. ISBN 0-415-17145-8.
  13. ↑ Маэда, Такао, Шуичиро Хомма и Ёсики Ито. Влияние сложной местности на вертикальный профиль ветра, измеренный методом SODAR. Проверено 4 июля 2008.
  14. ^ Любосны, Збигнев (2003). Эксплуатация ветряных турбин в электроэнергетических системах: расширенное моделирование . Берлин: Springer. п. 17. ISBN 3-540-40340-Х.
  15. ^ Гупта, Аджая (1993). Методические рекомендации по проектированию малоэтажных зданий, подверженных боковым нагрузкам . Бока-Ратон: CRC Press. п. 49. ISBN 0-8493-8969-0.
  16. ^ Столтман, Джозеф (2005). Международные перспективы стихийных бедствий: возникновение, смягчение последствий и последствия . Берлин: Springer. п. 73. ISBN 1-4020-2850-4.
  17. ^ Чен, Вай-Фа (1997). Справочник по проектированию конструкций . Бока-Ратон: CRC Press. С.  12 –50. ISBN 0-8493-2674-5.
  18. ^ Госал, М. (2005). «7.8.5 Вертикальный градиент скорости ветра». Возобновляемые источники энергии . Город: Alpha Science International, Ltd., стр. 378–379. ISBN 978-1-84265-125-4.
  19. ^ Стулл, Роланд (1997). Введение в метеорологию пограничного слоя . Бостон: Kluwer Academic Publishers. п. 442. ISBN. 90-277-2768-6. ... как градиент ветра, так и сам профиль среднего ветра обычно можно диагностировать с помощью профиля ветра в бревнах.
  20. ^ Thuillier, RH; Лаппе, UO (1964). «Характеристики профиля ветра и температуры по результатам наблюдений на башне высотой 1400 футов» . Журнал прикладной метеорологии . Американское метеорологическое общество . 3 (3): 299–306. Bibcode : 1964JApMe ... 3..299T . DOI : 10,1175 / 1520-0450 (1964) 003 <0299: WATPCF> 2.0.CO; 2 . ISSN  1520-0450 .
  21. ^ Mcilveen, J. (1992). Основы погоды и климата . Лондон: Чепмен и Холл. п. 184 . ISBN 0-412-41160-1.
  22. ^ Бертон, Тони (2001). Справочник по ветроэнергетике . Лондон: Дж. Вили. п. 20 . ISBN 0-471-48997-2.
  23. ^ Köpp, F .; Schwiesow, RL; Вернер, К. (январь 1984 г.). «Дистанционные измерения профилей ветра в пограничном слое с помощью непрерывного доплеровского лидара» . Журнал прикладной метеорологии и климатологии . Американское метеорологическое общество . 23 (1): 153. Bibcode : 1984JApMe..23..148K . DOI : 10,1175 / 1520-0450 (1984) 023 <0148: RMOBLW> 2.0.CO; 2 . ISSN  1520-0450 .
  24. ^ Johansson, C .; Упсала, С .; Смедман, А.С. (2002). «Влияет ли высота пограничного слоя на структуру турбулентности у поверхности над Балтийским морем?» . 15-я конференция по пограничному слою и турбулентности . http://ams.confex.com/ams/BLT/techprogram/program_117.htm отсутствует заголовок ( справка ) . Американское метеорологическое общество . |conference-url=
  25. ^ Шао, Япин (2000). Физика и моделирование ветровой эрозии . Город: Kluwer Academic. п. 69. ISBN. 978-0-7923-6657-7. В толще конвективного пограничного слоя сильное перемешивание уменьшает вертикальный градиент ветра ...

  • Описание планетарного пограничного слоя на theweatherprediction.com
  • Глоссарий Американского метеорологического общества