В метеорологии планетарный пограничный слой ( ППС ), также известный как атмосферный пограничный слой ( АПС ) или пеплосфера , является самой нижней частью атмосферы, и на его поведение напрямую влияет его контакт 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, быстро колеблются ( турбулентность ), а вертикальное перемешивание сильное. Над ППС находится «свободная атмосфера», [2] где ветер приблизительно геострофический (параллельный изобарам), [3] тогда как внутри ППС на ветер влияет поверхностное сопротивление и он поворачивается поперёк изобар (см. слой Экмана для Подробнее).
Обычно из-за аэродинамического сопротивления в ветровом потоке возникает градиент ~100 метров над поверхностью Земли — поверхностным слоем планетарного пограничного слоя. Скорость ветра увеличивается с увеличением высоты над землей, начиная с нуля [4] из-за условия прилипания . [5] Поток у поверхности сталкивается с препятствиями, которые уменьшают скорость ветра и вносят случайные вертикальные и горизонтальные компоненты скорости под прямым углом к основному направлению потока. [6] Эта турбулентность вызывает вертикальное смешивание 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 является функцией неровности поверхности, поэтому профили скорости ветра сильно различаются для разных типов местности. [5] Грубая, 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 принимаются во внимание при размещении ветряных турбин . [13] [14]
В инженерных целях 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 «высотой градиента», а скорость ветра выше этой высоты считается постоянной, называемой «скоростью градиента ветра». [10] [15] [16] Например, типичные значения прогнозируемой высоты градиента составляют 457 м для крупных городов, 366 м для пригородов, 274 м для открытой местности и 213 м для открытого моря. [17]
Хотя степенная аппроксимация показателя удобна, она не имеет теоретической основы. [18] Когда температурный профиль адиабатический, скорость ветра должна изменяться логарифмически с высотой. [19] Измерения на открытой местности в 1961 году показали хорошее согласие с логарифмическим приближением примерно до 100 м (в приземном слое ) с почти постоянной средней скоростью ветра до 1000 м. [20]
Сдвиг ветра обычно трехмерный, [21] то есть также происходит изменение направления между «свободным» геострофическим ветром, вызванным градиентом давления , и ветром у земли. [22] Это связано со спиральным эффектом Экмана . Поперечный изобарный угол отклоняемого агеострофического потока у поверхности колеблется от 10° над открытой водой до 30° над пересеченной холмистой местностью и может увеличиваться до 40°—50° над сушей в ночное время при очень слабой скорости ветра. [12]
После захода солнца градиент ветра у поверхности увеличивается с увеличением устойчивости. [23] Стабильность атмосферы , возникающая ночью при радиационном охлаждении, имеет тенденцию сдерживать турбулентные вихри по вертикали , тем самым увеличивая градиент ветра. [8] На величину градиента ветра в значительной степени влияет погода , в первую очередь стабильность атмосферы и высота любого конвективного пограничного слоя или перекрывающей инверсии . Этот эффект еще сильнее над морем, где суточный ход высоты пограничного слоя гораздо меньше, чем над сушей. [24] В конвективном пограничном слое сильное перемешивание уменьшает вертикальный градиент ветра. [25]
Планетарный пограничный слой различен днем и ночью. Днем инверсионные слои , образовавшиеся ночью, разрушаются вследствие турбулентного подъема нагретого воздуха. [26] Пограничный слой стабилизируется «незадолго до захода солнца» и остается таковым в течение ночи. [26] Все это составляет суточный цикл. [26] В зимние и пасмурные дни разрушение ночной слоистости происходит неполно, и атмосферные условия, установившиеся в предыдущие дни, могут сохраняться. [26] [27] В солнечные дни разрушение структуры пограничного слоя в ночное время происходит быстро. [27] Движущей силой являются конвективные ячейки с узкими областями восходящего потока и большими областями с пологим нисходящим потоком. [27] Эти ячейки превышают 200–500 м в диаметре. [27]
Как следует из уравнений Навье–Стокса , турбулентность планетарного пограничного слоя возникает в слое с наибольшими градиентами скорости, который находится в самой близости от поверхности. Этот слой, условно называемый поверхностным слоем , составляет около 10% от общей глубины ППС. Выше поверхностного слоя турбулентность PBL постепенно рассеивается, теряя свою кинетическую энергию из-за трения, а также преобразуя кинетическую энергию в потенциальную в стратифицированном по плотности потоке. Баланс между скоростью производства турбулентной кинетической энергии и ее диссипации 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, ППС в зимней Арктике может достигать глубины 50 м, а ночная ППС в средних широтах обычно может иметь толщину 300 м. , а тропический ППС в пассатной зоне может вырасти до полной теоретической глубины 2000 м. Глубина PBL может достигать 4000 м и выше ближе к вечеру над пустыней.
Помимо поверхностного слоя, планетарный пограничный слой также включает ядро ППС (между 0,1 и 0,7 глубины ППС) и верхний слой ППС, или захватывающий слой , или перекрывающий инверсионный слой (между 0,7 и 1 глубиной ППС). Четыре основных внешних фактора определяют глубину PBL и ее среднюю вертикальную структуру:
Конвективный планетарный пограничный слой — это тип планетарного пограничного слоя, в котором поток положительной плавучести на поверхности создает тепловую нестабильность и, таким образом, порождает дополнительную или даже значительную турбулентность. (Это также известно как наличие CAPE или доступной конвективной потенциальной энергии ; см. Атмосферную конвекцию .) Конвективный пограничный слой типичен в тропических и средних широтах в дневное время. Солнечный нагрев, сопровождаемый теплом, выделяющимся при конденсации водяного пара, может создать настолько сильную конвективную турбулентность, что слой свободной конвекции охватывает всю тропосферу вплоть до тропопаузы (границы в атмосфере Земли между тропосферой и стратосферой ), которая находится на высоте 10°С. км до 18 км во внутритропической зоне конвергенции ).
SBL представляет собой 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 свободной атмосферы. SBL типичен в ночное время во всех местах и даже в дневное время в местах, где поверхность Земли холоднее воздуха над ней. SBL играет особенно важную роль в высоких широтах, где он часто длится продолжительно (от нескольких дней до месяцев), что приводит к очень низким температурам воздуха.
Физические законы и уравнения движения, управляющие динамикой и микрофизикой пограничного слоя планет, сильно нелинейны и существенно зависят от свойств земной поверхности 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 больших вихрей для решения проблем, связанных с PBL.
Пожалуй, наиболее важными процессами, [ необходимы разъяснения ] , которые критически зависят от правильного представления PBL в атмосферных моделях ( Проект по сравнению атмосферных моделей ), являются турбулентный перенос влаги ( эвапотранспирация ) и загрязняющих веществ ( загрязнители воздуха ). Облака в пограничном слое влияют на пассаты , гидрологический цикл и энергетический обмен.
Связь между скоростью ветра и высотой называется профилем ветра или градиентом ветра.
Поток у поверхности встречает небольшие препятствия, которые изменяют скорость ветра и вносят случайные вертикальные и горизонтальные компоненты скорости под прямым углом к основному направлению потока.
Поэтому вертикальный градиент средней скорости ветра (dū/dz) наибольший на гладкой местности и наименьший на неровной поверхности.
... и градиент ветра, и сам профиль среднего ветра обычно можно диагностически описать с помощью логарифмического профиля ветра.
В глубине конвективного пограничного слоя сильное перемешивание уменьшает вертикальный градиент ветра...
