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

De atmosferische grenslaag INHOUD COLLEGE Inleiding Atmosferische Grenslaag Eigenschappen van turbulentie Verticale structuur en gedrag Turbulente transporten De atmosferische grenslaag

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

Atmosferische Grenslaag (Boundary Layer) Atmosferische (planetaire) grenslaag: - directe invloed van aardoppervlak is merkbaar - dagelijkse gang is merkbaar (opwarming en afkoeling) - belangrijk kenmerk: turbulentie

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

De atmosferische grenslaag Kenmerk: dagelijkse gang (De Bilt, Aug 1997) De atmosferische grenslaag

Wageningen Atmospheric Observatory Atmosferische Waarnemingen in Wageningen op de Veensteeg www.wageningenur.nl/maq

Wageningen Atmospheric Observatory Atmosferische Waarnemingen in Wageningen op de Veensteeg Leerlingen Pantarijn doen zelf weermetingen op Veensteeg

Weer van gisteren op Veensteeg in Wageningen Zie ook Hoofdstuk 3

Weer van gisteren op Veensteeg in Wageningen Zie ook Hoofdstuk 6

Weer van gisteren op Veensteeg in Wageningen

De atmosferische grenslaag 2. Ander kenmerk Grenslaag: Turbulentie (onregelmatige stroming) De atmosferische grenslaag

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

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

Mechanische turbulentie ontstaat door afremming van wind bij het aardoppervlak: Wrijving, Windschering en Impulsuitwisseling

Gemiddelde windsnelheid en windstoot gemeten in Wageningen op 10 meter hoogte, 11 januari 2007

Turbulente windsnelheid op 3 meter hoogte gemeten in Wageningen, 11 januari 2007, 8.40-8.42 uur (lokale tijd) (Dank aan Bert Heusinkveld en Adrie Jacobs)

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

De atmosferische grenslaag Convectie of thermische turbulentie vochtig droog De atmosferische grenslaag

Convectie of thermische turbulentie

Thermiek boven heterogeen land Kouder en vochtiger Warmer en droger (Dank aan Chiel van Heerwaarden, Jordi Vila, Kees van den Dries)

Convectie is zichtbaar door luchttrillingen (Scintillaties) zijn maat voor turbulente uitwisseling van warmte en vocht tussen aardoppervlak en atmosfeer

Als er weinig turbulentie is… (nacht en ochtend bij weinig wind)

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

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

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

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

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!

De atmosferische grenslaag De convectieve grenslaag = menglaag capping inversion menglaag  q oppervlaktelaag De atmosferische grenslaag

De atmosferische grenslaag De convectieve grenslaag = menglaag De atmosferische grenslaag

De convectieve grenslaag met weinig wind Luchtverontreiniging hoopt zich op onder de grenslaaginversie in Los Angeles (links) en Shanghai (rechts)

De atmosferische grenslaag Temperatuur tot 200 m Cabauw 27 maart 2002 De atmosferische grenslaag

De atmosferische grenslaag Pot. temperatuur tot 200 m Cabauw 27 maart 2002 De atmosferische grenslaag

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

De atmosferische grenslaag Profielen in de nachtelijke grenslaag De atmosferische grenslaag

De atmosferische grenslaag Dagelijkse gang boven land De atmosferische grenslaag

De atmosferische grenslaag Indeling grenslaag De atmosferische grenslaag

De atmosferische grenslaag 4. Turbulente transporten Reynoldse splitsing Waarde = gemiddelde + fluctuatie C = C + c` met c` 0 — De atmosferische grenslaag

De atmosferische grenslaag Product van fluctuerende grootheden De atmosferische grenslaag

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` 55 = 60 + -5 — – De atmosferische grenslaag

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

Turbulente warmteflux Bij het oppervlak

Voorbeeld van verticale turbulente flux: warmte uitwisseling dag nacht

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

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

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

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

De atmosferische grenslaag Turbulente diffusiecoëfficiënten De atmosferische grenslaag

De atmosferische grenslaag Verticale profielen in de menglaag De atmosferische grenslaag

Samenvatting Invloed van het aardoppervlak: Dagelijkse gang Turbulentie Belangrijke laag voor uitwisseling van warmte, vocht, impuls, verontreinigingen en sporegassen ‘Turbulente K – theorie’ voor fluxberekening

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…

Four interrelated themes Weather and Climate Dynamics Urban Meteorology and Air Quality Boundary layer Meteorology and Land-Atmosphere interactions Air Quality and Atmospheric Chemistry www.wageningenur.nl/maq