Download de presentatie
De presentatie wordt gedownload. Even geduld aub
1
De atmosferische grenslaag
College 13 De atmosferische grenslaag Inleiding Atmosfeer College 13 Prof. Bert Holtslag Atmosferische grenslaag vanaf Mount Meru, Tanzania Foto: Alexis Merlaud, Belgium
2
De atmosferische grenslaag
INHOUD COLLEGE Inleiding Atmosferische Grenslaag Eigenschappen van turbulentie Verticale structuur en gedrag Turbulente transporten De atmosferische grenslaag
3
Wat is een grenslaag? Overgangslaag in een stroming van een gas of vloeistof bij een grensvlak (wand, object): In de grenslaag vindt aanpassing van de stroomsnelheid plaats
4
Atmosferische Grenslaag (Boundary Layer)
Atmosferische (planetaire) grenslaag: - directe invloed van aardoppervlak is merkbaar - dagelijkse gang is merkbaar (opwarming en afkoeling) - belangrijk kenmerk: turbulentie
5
Weer: Temperatuur, Wind, Wolken, Mist…
Waarom bestuderen we de atmosferische grenslaag? Allereerst: We leven in deze laag! Weer: Temperatuur, Wind, Wolken, Mist… Klimaat: Invloed van broeikasgassen, landgebruik, etc Luchtkwaliteit: Verspreiding van verontreinigingen Relevant voor voedselproductie, verkeer, energie, etc... As motivation... boundary layer scheme and surface exchange scheme; important problem for variety of customers Fog (radiation) forms in stable conditions, small differences in T structure could be difference of saturation or not Areas like Antarctic in winter persitistent SBLs, King changing SBL and surface exchange dramatic effect of surface T.. Katabatic drainage flows. Dispersion: deviations of plume day and night
6
De atmosferische grenslaag
Kenmerk: dagelijkse gang (De Bilt, Aug 1997) De atmosferische grenslaag
7
Wageningen Atmospheric Observatory
Atmosferische Waarnemingen in Wageningen op de Veensteeg
8
Wageningen Atmospheric Observatory
Atmosferische Waarnemingen in Wageningen op de Veensteeg Leerlingen Pantarijn doen zelf weermetingen op Veensteeg
9
Weer van gisteren op Veensteeg in Wageningen
Zie ook Hoofdstuk 3
10
Weer van gisteren op Veensteeg in Wageningen
Zie ook Hoofdstuk 6
11
Weer van gisteren op Veensteeg in Wageningen
12
De atmosferische grenslaag
2. Ander kenmerk Grenslaag: Turbulentie (onregelmatige stroming) De atmosferische grenslaag
13
De atmosferische grenslaag
Vergelijk: Laminaire (regelmatige) stroming - Interne wrijving wordt veroorzaakt door moleculaire viscositeit - Viscositeit is het afremmen van de vloeistof door aantrekking van de moleculen onderling - Luchtmoleculen aan de grond liggen stil: > sterke afname wind- snelheid bij oppervlak. De atmosferische grenslaag
14
De atmosferische grenslaag
Mechanische turbulentie - Eddy viscositeit is de interne wrijving die ontstaat als een laminaire luchtstroming wordt verstoord door obstakels De wervels (Engels: eddies) die zo ontstaan noemen we mechanische turbulentie Mechanische turbulentie remt de lucht veel sterker af dan moleculaire viscositeit. De atmosferische grenslaag
15
Mechanische turbulentie ontstaat door afremming
van wind bij het aardoppervlak: Wrijving, Windschering en Impulsuitwisseling
16
Gemiddelde windsnelheid en windstoot gemeten in Wageningen op 10 meter hoogte, 11 januari 2007
17
Turbulente windsnelheid op 3 meter hoogte gemeten in Wageningen, 11 januari 2007, uur (lokale tijd) (Dank aan Bert Heusinkveld en Adrie Jacobs)
18
De atmosferische grenslaag
Convectie of thermische turbulentie - Thermische turbulentie wordt veroorzaakt door stijgende en dalende themiekbellen (Thermiek, Convectie) Thermische turbulentie is ‘s middags maximaal als het aardoppervlak de hoogste temperatuur heeft De atmosferische grenslaag
19
De atmosferische grenslaag
Convectie of thermische turbulentie vochtig droog De atmosferische grenslaag
20
Convectie of thermische turbulentie
21
Thermiek boven heterogeen land
Kouder en vochtiger Warmer en droger (Dank aan Chiel van Heerwaarden, Jordi Vila, Kees van den Dries)
22
Convectie is zichtbaar door luchttrillingen (Scintillaties)
zijn maat voor turbulente uitwisseling van warmte en vocht tussen aardoppervlak en atmosfeer
23
Als er weinig turbulentie is… (nacht en ochtend bij weinig wind)
24
De atmosferische grenslaag
3. Structuur en gedrag Ontwikkeling van de grenslaag 06 uur - Stralingsinversie: de nachtelijke grenslaag - Geen thermische turbulentie - Weinig/geen mechanische turbulentie Weinig wind, windsterkte neemt toe boven de inversie De atmosferische grenslaag
25
De atmosferische grenslaag
Ontwikkeling van de grenslaag 11 uur - Verwarming aardoppervlak: ontstaan van thermiekbellen > zwakke thermische turbulentie > ontstaan van kleine Cu > grenslaag groeit omhoog > einde nachtelijke grenslaag -Thermiekbellen mengen de hogere windsnelheid boven naar omlaag > toename wind nabij oppervlak > toename mechanische turbulentie aan oppervlak De atmosferische grenslaag
26
De atmosferische grenslaag
Ontwikkeling van de grenslaag 15 uur - Verwarming aardoppervlak is nu maximaal > sterkste thermische turbulentie > ‘mooi-weer’ Cumulus > thermiekbellen mengen nog hogere windsnelheden naar omlaag > sterkste wind nabij aardoppervlak > grenslaag 1 à 1,5 km dik > grenslaag is goed gemengd De atmosferische grenslaag
27
De atmosferische grenslaag
Ontwikkeling van de grenslaag 18 uur - Verwarming aardoppervlak wordt minder sterk > opp.temperatuur daalt > geen thermische turbulentie > afname bewolking > begin nachtelijke grenslaag > wind neemt in sterkte af > afname mechanische turbulentie De atmosferische grenslaag
28
Zie ook Hoofdstuk 4 voor potentiele temperatuur!
Effect van menging Door menging en opbouw atmosfeer: vorming en instand- houding van de inversie aan de top van de grenslaag. Zie ook Hoofdstuk 4 voor potentiele temperatuur!
29
De atmosferische grenslaag
De convectieve grenslaag = menglaag capping inversion menglaag q oppervlaktelaag De atmosferische grenslaag
30
De atmosferische grenslaag
De convectieve grenslaag = menglaag De atmosferische grenslaag
31
De convectieve grenslaag met weinig wind
Luchtverontreiniging hoopt zich op onder de grenslaaginversie in Los Angeles (links) en Shanghai (rechts)
32
De atmosferische grenslaag
Temperatuur tot 200 m Cabauw 27 maart 2002 De atmosferische grenslaag
33
De atmosferische grenslaag
Pot. temperatuur tot 200 m Cabauw 27 maart 2002 De atmosferische grenslaag
34
De atmosferische grenslaag
De nachtelijke grenslaag (Nocturnal / Stable boundary layer) Kenmerken: - q neemt toe met hoogte - inversie > stabiele laag - opp.temperatuur daalt - alleen mechanische turb. - weinig wind & turbulentie - ontkoppeling van BL - ‘low-level jet’ De atmosferische grenslaag
35
De atmosferische grenslaag
Profielen in de nachtelijke grenslaag De atmosferische grenslaag
36
De atmosferische grenslaag
Dagelijkse gang boven land De atmosferische grenslaag
37
De atmosferische grenslaag
Indeling grenslaag De atmosferische grenslaag
38
De atmosferische grenslaag
4. Turbulente transporten Reynoldse splitsing Waarde = gemiddelde + fluctuatie C = C c` met c` 0 — De atmosferische grenslaag
39
De atmosferische grenslaag
Product van fluctuerende grootheden De atmosferische grenslaag
40
De atmosferische grenslaag
Product van fluctuerende grootheden A a’ B b’ a’b’ AB 4 10 -5 40 2 -2 50 35 -70 100 3 -1 -20 -35 -60 7 20 5 15 140 A = 4 a’ = 0 B = 15 b’ = 0 a’b’ = -5 AB = 55 — — — — — — — — AB = AB a`b` = — – De atmosferische grenslaag
41
De atmosferische grenslaag
Product van fluctuerende grootheden AB = AB a`b` Totaal = gemiddeld + turbulent — – Covariantie term Als A of B een windsnelheids- component (u, v of w) is, dan is AB een transport — De atmosferische grenslaag
42
Turbulente warmteflux
Bij het oppervlak
43
Voorbeeld van verticale turbulente flux: warmte uitwisseling
dag nacht
44
De atmosferische grenslaag
Verticale turbulente fluxen Verticale flux (-dichtheid): hoeveelheid warmte, vocht, impuls s-1 m-2 Sensibele warmteflux H (W m-2) = r cp w’q’ Latente warmteflux LE (W m-2) = r L w’q’ Impulsflux t (N m-2) = - r w’u’ Flux van scalar r (kg CO2 s-1 m-2) = r w’r’ — De atmosferische grenslaag
45
De atmosferische grenslaag
Meten van turbulente fluxen Meten van fluctuaties: - gevoelige sensoren - snelle sensoren - snelle datalogging K- THEORIE: Verband tussen - verticale flux(dichtheid) - gemiddelde grootheid De atmosferische grenslaag
46
K-theorie beschouwingen
T hoog T laag moleculaire diffusie Moleculaire diffusie: D Warmte transport = D x (Thoog – Tlaag) / afstand = - D x Temperatuur gradiënt D= mol.diff.coëff. 2x10-5 m2s-1 Turbulente (eddy) diffusie: transport = eddy-diffusie coëff. x gradiënt K= turb.diff.coëff. = 1 – 100 m2s-1
47
De atmosferische grenslaag
Verticale turbulente fluxen Sensibele warmteflux H (W m-2) = - rcpKh dq/dz Latente warmteflux LE (W m-2) = - rL Ke dq/dz Impulsflux t (N m-2) = rKm du/dz – Probleem: hoe groot is K ? De atmosferische grenslaag
48
De atmosferische grenslaag
Turbulente diffusiecoëfficiënten De atmosferische grenslaag
49
De atmosferische grenslaag
Verticale profielen in de menglaag De atmosferische grenslaag
50
Samenvatting Invloed van het aardoppervlak: Dagelijkse gang Turbulentie Belangrijke laag voor uitwisseling van warmte, vocht, impuls, verontreinigingen en sporegassen ‘Turbulente K – theorie’ voor fluxberekening
51
Voorbeelden van Grenslaagonderzoek
Wisselwerking tussen (heterogeen) land en de grenslaag, de invloed van een stad op de omgeving.. Invloed van grenslaag op wolkenvorming Concentratie en transport van broeikasgassen en luchtverontreinigingen Gevolgen van de uitwisseling van warmte en gassen boven de oceaan op de vorming van tropische cyclonen Etc…
52
Four interrelated themes Weather and Climate Dynamics Urban Meteorology and Air Quality Boundary layer Meteorology and Land-Atmosphere interactions Air Quality and Atmospheric Chemistry
Verwante presentaties
