1 Uitwisselingen aan het aardoppervlak Inleiding Atmosfeer College 14 Inleiding Atmosfeer College 14

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

3 INHOUD COLLEGE 1. De oppervlaktelaag 2. Verdamping 3. Wind bij het oppervlak 4. Toepassingen

4 Indeling grenslaag: Oppervlaktelaag onderste 10% Uitwisselingen aan het aardoppevlak 1. De oppervlaktelaag

5 De 213 m meetmast van het KNMI te Cabauw Waarnemingen in de oppervlaktelaag Uitwisselingen aan het aardoppervlak 1. De oppervlaktelaag

6 Potentiële temperatuur op 0.6 m (volle lijn), 2 m (stippellijn), 80 m en 200 m (streepjeslijnen) Uitwisselingen aan het aardoppervlak 02 UTC14 UTC Verticaal profiel van de potentiële temperatuur om 02 UTC (volle lijn) en 14 UTC (stippellijn) 1. De oppervlaktelaag Observaties Cabauw, onbewolkte, zomerse dag (‘Gouden Dag’)

7 Specifieke vochtigheid op 0.6 m (volle lijn), 2 m ( streepjeslijn) en 140 m (stippellijn) Uitwisselingen aan het aardoppervlak Observaties Cabauw, onbewolkte, zomerse dag (‘Gouden Dag’) 14 UTC02 UTC Verticaal profiel van de specifieke vochtigheid om 02 UTC (volle lijn) en 14 UTC (stippellijn) 1. De oppervlaktelaag

8 De windsnelheid op 10 m (volle lijn), 20 m, 140 m en 200 m (stippellijnen) Uitwisselingen aan het aardoppervlak Observaties Cabauw, onbewolkte, zomerse dag (‘Gouden Dag’) 02 UTC14 UTC Verticaal profiel van de windsnelheid om 02 UTC (volle lijn) en 14 UTC (stippellijn) 1. De oppervlaktelaag

9 De oppervlaktelaag impuls warmtevocht 1. De oppervlaktelaag

10 De atmosferische grenslaag Verticale profielen in de menglaag Temperatuur Vocht Wind Warmteflux Vochtflux Impulsflux 1. De oppervlaktelaag

11 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 Uitwisselingen aan het aardoppervlak 1. De oppervlaktelaag

12 Dagelijkse gang stralingscomponenten boven grasland bij onbewolkt zomerweer K in K uit L uit L in Q* (netto straling) Uitwisselingen aan het aardoppervlak 1. De oppervlaktelaag

13 Dagelijkse gang energiecomponenten boven grasland bij onbewolkt zomerweer Q* (= netto straling) LE H G Overdag: H warmt grenslaag op LE maakt grenslaag vochtiger G warmt bodem op 1. De oppervlaktelaag Beschikbare hoeveelheid energie

14 Metingen van LE versus (Q*-G) (Hupselse beek) LE (W/m 2 ) Q* - G (W/m 2 ) Uitwisselingen aan het aardoppervlak 2. Verdamping Bij een optimaal verdampend gewas (afh. div. factoren) geldt: De verdamping wordt bepaald door de beschikbare hoeveelheid energie (Q*-G)

15 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  >> 1 Nat terrein:H << LE dus   0 ‘s nachts:H 0 of <0) Uitwisselingen aan het aardoppervlak 2. Verdamping

16 De Bowen verhouding is niet constant! Netto straling LE H G  = H / LE Uitwisselingen aan het aardoppervlak 2. Verdamping

17 K-theorie met flux-gradient relatie Uitwisselingen aan het aardoppervlak Sensibele warmteflux (W m -2 ) Latente warmteflux (W m -2 ) 2. Verdamping NB:  en q op dezelfde 2 hoogtes meten!

18 Meet temperatuur en vocht op twee hoogten dichtbij het oppervlak Foto: Veldpracticum op het weerveld 2. Verdamping

19 Bepaling Bowen verhouding Neem aan: turbulente uitwisseling van waterdamp en voelbare warmte zijn gelijk: K e = K h Uitwisselingen aan het aardoppervlak z z2z2 z1z1 q  2. Verdamping

20 Bepaling potentiële temperatuur Neem nieuw referentieniveau: z = 0 m in plaats van: p = 100 kPa Uitwisselingen aan het aardoppervlak z z2z2 z1z1 T  (z 1 )  (z 2 ) 2. Verdamping

21 Gebruik Bowen verhouding Energiebalans: Bowen verhouding: Uitwisselingen aan het aardoppervlak 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 2. Verdamping

22 Metingen van LE versus (Q*-G) (Hupselse beek) LE (W/m 2 ) Q* - G (W/m 2 ) Als Bowen-verhouding constant zou zijn, dan alle observaties op de getrokken lijn! Richtingscoefficient lijn: 2. Verdamping

23 Afremming van wind bij het aardoppervlak: Wrijving en uitwisseling impuls (wrijvingskracht per m2): Definieer een maat voor mechanische turbulentie: de wrijvingssnelheid u * 3. Wind bij het oppervlak

24 In ‘neutrale’ omstandigheden (als afkoeling of opwarming oppervlak geen rol speelt en/of bij sterke wind) k  0.4 Von Karman Constante Integreren van z 1 → z 2 3. Wind bij het oppervlak

25 Windprofiel in neutrale situaties Introduceer z 0 : de hoogte waarop u(z) na extrapolatie op 0 uitkomt z 0 : ruwheidslengte Hoogte z op logarithmische as! 3. Wind bij het oppervlak

26 Ruwheidslengte z 0 z 0 ruwheidslengte: - stromingsparameter (uit windprofiel) - blijkt bepaald door ruwheid oppervlak Oppervlakz 0 (m) open, vlakke zee moddervlakte, sneeuw0.005 open, vlak terrein, grasland0.03 lage gewassen/vegetatie0.10 hoge gewassen/vegetatie0.25 parkland, veel obstakels0.5 laagbouw stad, bos1 Uitwisselingen aan het aardoppervlak 3. Wind bij het oppervlak

27 Ruwheidskaart uit satelietobservaties (SARS) Uitwisselingen aan het aardoppervlak 3. Wind bij het oppervlak

28 Ruwheidskaart uit landgebruik Uitwisselingen aan het aardoppervlak 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: /2006JD008277, Wind bij het oppervlak

29 Windprofiel in neutrale situaties Bij gelijke ruwheidslengte geeft hogere windsnelheid een hogere wrijvingsnelheid 3. Wind bij het oppervlak

30 Windprofiel in neutrale situaties Introduceer d: de hoogte waarover het u(z)-profiel is verschoven d: nulvlaksverplaatsing 3. Wind bij het oppervlak

31 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)! 3. Wind bij het oppervlak

32 K-theorie voor warmtefluxen en impuls Sensibele warmteflux (W m -2 ) Latente warmteflux (W m -2 ) Impulsflux (N m -2 ) K h K e en K m blijken allemaal ongeveer even groot (bij neutraal): Neutrale oppervlaktelaag: - H is klein - T(z) is adiabatisch 3. Wind bij het oppervlak

33 Herhaling voor neutrale omstandigheden k  0.4 Bevestiging van eerdere aanname! 3. Wind bij het oppervlak

34 Windprofielen voor windturbines 4. Toepassingen

35 Windprofielen voor windturbines 4. Toepassingen

36 Windprofielen voor windturbines 4. Toepassingen

37 Windprofielen voor windturbines 4. Toepassingen

38 Windprofielen voor windturbines 4. Toepassingen

39 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, energie …)