Uitwisselingen aan het aardoppervlak Inleiding Atmosfeer College 14 Docent: Prof. Bert Holtslag

(Haiden et al, 2015, ECMWF, Tech. Memo 765) Still significant day (+72 h) and night (+60h) temperature errors in weather forecasts (Monthly averages over Europe by ECMWF) Standard deviation This the long term series of the 2m temperature errors (day in red, and night in blue) over Europe as monthly averages. They show a rich history with many model changes. Three are highlighted. The first is the new land surface scheme which reduced the day time biases, but by shifting the entire diurnal cycle in increased the night time bias. Then the stable diffusion was increased and soil freezing was introduced to cure this which turned out to be effective. More recently the night time bias increased again because the stable diffusion was decreased above the surface layer because it was destroying too much stratocumulus. Unfortunately it had an adverse effect on the temperature. Mean error (Haiden et al, 2015, ECMWF, Tech. Memo 765)

Relevantie uitwisselingsprocessen boven land voor klimaat Als voorbeeld: Verschil tussen resultaten van klimaatmodel en waarnemingen op 2 meter hoogte voor huidige winterklimaat (30 jaar gemiddeld) (Bron: Geert Lenderink KNMI)

Bias of 2 m temperature in DJF EC-Earth climate model – ERA-Interim (Jan 1989-Jan 2009) (Hazeleger et al., 2011)

INHOUD COLLEGE Wat kunnen we leren uit observaties in de oppervlaktelaag? Verdamping: Hoe praktisch te bepalen? Hoe varieert de wind met de hoogte? Toepassingen

Indeling grenslaag: Oppervlaktelaag is ruwweg de onderste 10%

De 213 m meetmast van het KNMI te Cabauw Waarnemingen in de oppervlaktelaag De 213 m meetmast van het KNMI te Cabauw

Observaties Cabauw, 30 juni 1995, onbewolkt (‘Gouden Dag’) 02 UTC 14 UTC Potentiële temperaturen op 0.6 m (volle lijn), 2 m (stippellijn), 80 m en 200 m (streepjeslijnen) Verticaal profiel van de potentiële temperatuur om 02 UTC (volle lijn) en 14 UTC (stippellijn)

Observaties Cabauw, 30 juni 1995, onbewolkt (‘Gouden Dag’) 14 UTC 02 UTC Specifieke vochtigheid op 0.6 m (volle lijn), 2 m ( streepjeslijn) en 140 m (stippellijn) Verticaal profiel van de specifieke vochtigheid om 02 UTC (volle lijn) en 14 UTC (stippellijn)

Observaties Cabauw, 30 juni 1995, onbewolkt (‘Gouden Dag’) 02 UTC 14 UTC De windsnelheid op 10 m (volle lijn), 20 m, 140 m en 200 m (stippellijnen) Verticaal profiel van de windsnelheid om 02 UTC (volle lijn) en 14 UTC (stippellijn)

De oppervlaktelaag impuls warmte vocht

Verticale profielen in de menglaag Temperatuur Vocht Wind Warmteflux Vochtflux Impulsflux

Kenmerken oppervlaktelaag - Onderste deel (10%) van de grenslaag - Voortdurende wisselwerking met oppervlak - Sterke verandering T, q, U, etc. met de hoogte - Sterkste gradiënten > grootste fluxen - Verandering van fluxen met hoogte is klein

K in L uit L in K uit Dagelijkse gang stralingscomponenten boven grasland bij onbewolkt zomerweer K in L uit L in Q* (netto straling) K uit

LE maakt grenslaag vochtiger Dagelijkse gang energiecomponenten boven grasland bij onbewolkt zomerweer Q* (= netto straling) LE Overdag: H warmt grenslaag op LE maakt grenslaag vochtiger G warmt bodem op H G

Metingen van LE versus (Q*-G) (Hupselse beek) 2. Verdamping Metingen van LE versus (Q*-G) (Hupselse beek) LE (W/m2) Q* - G (W/m2) Bij een optimaal verdampend gewas geldt: verdamping bepaald door de beschikbare hoeveelheid energie

Hoe kunnen we een praktische schatting maken van LE zonder directe metingen te doen? Definieer allereerst de “Bowen” verhouding: Droog terrein: LE 0, H groot dus b >> 1 Nat terrein: H << LE dus b  0 ‘s nachts: H < 0, LE? b variabel (>0 of <0)

De Bowen verhouding is niet constant! Netto straling LE H G b = H / LE

K-theorie met flux-gradient relatie Sensibele warmteflux (W m-2) Latente warmteflux (W m-2) Bowen verhouding: Neem lineaire gradienten:

Bepaling Bowen verhouding tussen twee hoogte’s Neem aan dat turbulente uitwisseling van waterdamp en voelbare warmte gelijk zijn: Ke = Kh z z2 z1 q

Meet temperatuur en vocht op twee hoogten dichtbij het oppervlak Foto: Veldpracticum op het weerveld

Bepaling potentiële temperatuur z z2 z1 T q (z1) q (z2) Neem nieuw referentieniveau: z = 0 m in plaats van: p = 100 kPa Uitwisselingen aan het aardoppervlak

Gebruik Bowen verhouding Energiebalans: Bowen verhouding: Energiebalans methode: - geen metingen windsnelheid nodig - meting Q* (netto straling) en G (bodemwarmtestroom) - fluxen H en LE uit metingen T en q op 2 hoogtes

Metingen van LE versus (Q*-G) (Hupselse beek) (W/m2) Q* - G (W/m2) Richtingscoefficient van de lijn: Als Bowen-verhouding constant zou zijn, dan alle observaties op de getrokken lijn!

Afremming van wind bij het aardoppervlak: 3. Windprofielen Afremming van wind bij het aardoppervlak: Wrijving en uitwisseling impuls (wrijvingskracht per m2): U

Afremming van wind bij het aardoppervlak: Wrijving en uitwisseling impuls (wrijvingskracht per m2): U Definieer een maat voor mechanische turbulentie: de wrijvingssnelheid u*

In ‘neutrale’ omstandigheden (als afkoeling of opwarming oppervlak geen rol speelt en/of bij sterke wind) k  0.4 Von Karman Constante Integreren van z1 → z2

Windprofiel in neutrale situaties Introduceer z0: de hoogte waarop u(z) na extrapolatie op 0 uitkomt z0 ruwheidslengte Hoogte z op logarithmische as!

Oppervlak z0 (m) Ruwheidslengte z0 z0 ruwheidslengte: stromingsparameter (uit windprofiel) blijkt bepaald door ruwheid oppervlak Oppervlak z0 (m) open, vlakke zee 0.0002 moddervlakte, sneeuw 0.005 open, vlak terrein, grasland 0.03 lage gewassen/vegetatie 0.10 hoge gewassen/vegetatie 0.25 parkland, veel obstakels 0.5 laagbouw stad, bos 1

Ruwheidskaart uit satelietobservaties (SARS)

Ruwheidskaart uit landgebruik Bron: Louis T. Steyaert Robert G. Knox Reconstructed historical land cover and biophysical parameters for studies of land-atmosphere interactions within the eastern United States JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, VOL. 113, D02101, doi:10.1029/2006JD008277, 2008

Windprofiel in neutrale situaties Bij gelijke ruwheidslengte geeft hogere windsnelheid een hogere wrijvingsnelheid

Windprofiel in neutrale situaties Introduceer d: de hoogte waarover het u(z)-profiel is verschoven d: nulvlaksverplaatsing

Windprofiel in neutrale situaties Praktisch geldig als 10 meter windsnelheid groter is dan 5 a 6 m/s Bij lagere windsnelheid speelt doorgaans ook de voelbare warmtestroom H een rol (als maat voor (on)stabiliteit)!

K-theorie voor warmtefluxen en impuls Sensibele warmteflux (W m-2) Latente warmteflux (W m-2) Impulsflux (N m-2) Neutrale oppervlaktelaag: - H is klein - T(z) is adiabatisch Kh Ke en Km blijken allemaal ongeveer even groot (bij neutraal):

Herhaling voor neutrale omstandigheden k  0.4 Bevestiging van eerdere aanname!

Windprofielen voor windturbines 4. Toepassingen Windprofielen voor windturbines

Windprofielen voor windturbines 4. Toepassingen Windprofielen voor windturbines

Windprofielen voor windturbines

Windprofielen voor windturbines

Windprofielen voor windturbines

Samenvatting Grote dagelijkse gang van grootheden in de oppervlakte laag boven land bij ‘mooi’ weer Waarnemingen spelen belangrijke rol voor ontwikkeling theorie en modellen Theorie van belang voor allerlei toepassingen (windenergie, verdamping …)