Caracteristicile stratului limita planetar

CARACTERISTICILE STRATULUI LIMITA PLANETAR

1. Introducere

Stratul Limita Planetar (PBL in abrevierea din limba engleza), este partea inferioara a troposferei care are un rol foarte important in viata noastra de toate zilele pentru ca in aceasta parte este aerul pe care il respiram. In acelasi timp, el are un rol important pentru sistemul Atmosfera-Pamant deoarece actioneaza ca "interfata" pentru cuplajul dintre atmosfera si suprafata Pamantului iar adancimea PBL-ului controleaza transferul de impuls, caldura sau vapori de apa. Stratul limita planetar (PBL) contine cea mai mare parte din aerosolul si vaporii de apa din atmosfera si astfel are o influenta majora asupra fluxurilor radiative. In plus, oamenii isi petrec tot timpul in aceasta parte a troposferei, simtind modificarile in aspectele de vreme prin temperatura, presine, vant, poluarea este malora tot in acest strat ca si ceata sau furtunile puternice. Se poate spune, de asemenea ca economi ceste important acest strat atmosferic limita date fiind transporturile de orice fel dar si toate culturile.

De aceea studiile proceselor din atmosfera, necesita considerarea cu multa atentie a stratului limita.Cunoasterea structurii si proprietatilor Stratului Limita ajuta pentru: a) o corecta parametrizare a proceselor fizice care au loc in aceasta parte a troposferei; b) la validarea parametrizarilor in modelle de circulatie generala si a celor de calitatea aerului; c) la imbunatatirea modelarii cuplajului dintre atmosfera si suprafata Pamantului. In aceasta lucrare care face subiectul proiectului "Teledetectia Optica in studiul integrat al Poluarii din stratul limita planetar urban-TOP" sunt prezentate caracteristicile stratului limita planetar sau Stratului Limita Atmosferic (ABL in abrevierea din l.engleza) cum i se mai spune, in sectiunea 2. Structura stratului si variatia diurna a inaltimii lui de amestec este abordata in Sectiunea 3 ca in Sectiunea 4 sa se prezinte metodele de determinare a adancimii stratului limita atmosferic sau altfel spus a inaltimii de amestec, parametru de referinta in studiul acestui strat.

Caractericile Stratului Limita Planetar (PBL)

Stratul limita planetar are o grosime de 1-3 km in care are loc un schimb activ de caldura, de vapori de apa si de impuls intre pamant si atmosfera. In acest strat se formeaza fronturile atmosferice bine conturate si au loc toate fenomenele asociate acestora. In cadrul acestui strat se separa stratul atmosferic adiacent (suprafata subiacenta), partea inferioara a stratului limita planetar, cu o grosime de 50-100 m. In acest strat gradientul vertical de temperatura si de umiditate precum si viteza vantului sunt deosebit de ridicate. Ca urmare, aerul in acest strat este turbulent si turbulenta realizeaza in mod rapid schimbul de energie sub forma de caldura, umezeala, impuls intre atmosfera si suprafata. Cele mai importante schimburi sunt cel de umezeala prin evaporarea de la suprafata si cel de impuls datorita frecarii.

Caracteristicile stratului limita sunt determinate in special de doi parametri meteorologici importanti: vantul si temperatura. Trebuie adaugata umezeala si tinut seama de adancimea stratului limita sau inaltimea de amestec cum i se mai spune.

2.1.Vantul

Curgerea aerului in stratul limita se poate descrie analitic prin ecuatiile de baza pentru fluxurile de caldura (ecuatia energiei) si fluxurile de impuls (ecuatia impulsului). Curgerea se considera bidimensionala de‑a lungul unei suprafete cu rugozitatea cunoscuta..

Viteza vantului este influentata, in stratul de suprafata, de frecare datorita vegetatiei si topografiei si ca urmare apar curenti turbionari care intensifica turbulenta in PBL. Deasupra stratului limita atmosferic, viteza vantului este mult mai uniforma datorita descresterii frecarii. La latitudini medii vantul in atmosfera libera poate fi considerat ca vant geostrofic. Vantul geostrofic este rezultatul echilibrului dintre doua forte importante care actioneaza asupra particulelor de aer: forta de gradient baric si forta Coriolis. In stratul limita prezenta fortei de frecare alaturi de celelalte doua determina la echilibru asa numitul vant de gradient. De la baza pana la partea superioara a stratului limita se observa in mod obisnuit the winds veering or backing. Aceasta deoarece frecarea scade cu inaltimea.

Asadar, vantul este turbulent in PBL si se poate vorbi de trei categorii fiecare manifestandu-se separat sau uneori impreuna:

Vantul mediu important in advectia (transportul pe orizontala) impulsului, umezelii, caldurii si poluantilor;

Vantul turbulent -important in transportul vertical: asa cum am precizat mai sus turbulenta consta in curenti turbionari de diferite dimensiuni care se suprapun unii peste altii;

Undele sunt cele care transporta energie si impuls.

Fig.1. Curgerea laminara (a) si turbulenta (b).

Inregistrarea vitezei vantului la suprafata Pamantului (Fig.2) arata prezenta turbulentei.

Fig.2. Inregistrarea la amiaza a vitezei vantului in stratul de suprafata.

2.2. Temperatura

In PBL temperatura aerului este dominata de advectie si bilantul energiei termice prin comparatie cu cea de la nivelurile de deasupra stratului limita. Pamantul castiga cea mai mare parte din energia sa si pierde cea mai mare parte din aceeasi energie de la suprafata. Este incalzit prin energia solara si racit prin emisia de radiatie de unda lunga. Cea mai puternica variatie a temperaturii are loc in interiorul stratului limita. Acest strat se poate incalzi semnificativ in timpul zilei si se raceste in timpul noptii, in timp ce restul atmosferei isi pastreaza temperatura aproape constanta. Stratul limita atmospheric (ABL) este furnizorul major de caldura si umezeala in cazul furtunilor.Pentru prevederea vremii este foarte important sa se monitorizeze advectiile termice si de umiditate. O crestere a umiditatii si temperaturii aerului in acest strat implica instabilizarea aerului urmata de procese convective, uneori foarte periculoase (Fig.3).

Variatia diurna a radiatiei solare determina un ciclu de racire si incalzire a stratului limita planetar care este puternic reflectat in campul vantului. Dimineata, devreme, inainte de rasarit, stratificarea stratului de aer este stabila din cauza ca pamantul este mai rece decat masele de aer de deasupra (fig. 4a). Cu ridicarea soarelui intr‑o zi senina, radiatia solara face ca pamantul sa se incalzeasca mai repede decat aerul de deasupra. Cand solul este mai cald decat aerul, caldura trece de la el la aerul care este in contact cu solul. Aerul cald se destinde si devine mai usor decat cel de deasupra lui. Particulele de aer incalzite tind sa se deplaseze in sus, in timp ce aerul mai rece se misca in jos, adica stratul de aer devine instabil (Fig. 4b).

Intrucat in mod direct la sol nu exista miscarea aerului, transferul caldurii de la sol are loc prin conductie moleculara. Stratul de conductie moleculara este foarte subtire si se schimba in stratul de convectie fortata in care caldura este transportata printr‑o turbulenta care este aproape in intregime cauzata prin actiune mecanica (presiunea curgerii).

La distante mai mari de sol, turbulenta devine in mod progresiv mai slaba si gradientii de temperatura si viteza a vantului scad.

Distributia temperaturii devine supraadiabatica, dar cu cresterea inaltimii turbulenta este mai putin mentinuta de forfecarea curgerii si o cantitate mai mare de turbulenta este indusa prin ascendenta termica (Fig. 4c).

Fig.3.Curba de stare in stratul limta in conditii de topografie diferita si instabilizarea masei de aer

Fig.4. Dezvoltarea profilelor temperaturii in timpul zilei pentru o zi cu cer senin (Plate, 1997):

(a) inainte de rasarit stratificare stabila; (b)imediat dupa rasarit T_B creste; se formeaza strat supraadiabatic; c) dimineata tarziu se formeaza stratul de amestec, termalele se ridica de la stratul supraadiabatic; d) tarziu dupa amiaza

solul se incalzeste mai repede decat aerul.

2.3. Inaltimea de amestec a PBL

Adancimea stratului limita planetar variaza foarte mult in timp si spatiu (Stull, 1988) si la nivel global comportarea adancimii stratului limita planetar nu este inca cunoscuta, deoarece nu poate fi observata prin instrumentele operationale de masurare la distanta. Cunoasterea, insa a inaltimii de amestec este foarte importanta pentru validarea parametrizarilor proceselor din straul limita in modlele de circulatie generala.

Fig.5. Diagrama schematica a evolutiei stratului limita in conditii de vreme frumoasa. SLC strat limita convectiv; SLS strat limita stabil; ML strat de amestec; ZA zona de antrenare (Stull,, 1988)

Strucura PBL este aratata in Fig.5 (Stull, 1988). Evolutia diurna a a straturilor convective si stabile ca raspuns la incalzirea suprafetei si racirea acesteia se observa in Fig.6.

Fig.5. Stratul limita in regiuni cu presiune ridicata, deasupra uscatului, consta din trei parti: un strat amestecat foarte turbulent; un strat rezidual, mai putin turbulent care contine fostul strat amestecdat si un strat limita nocurn stabil cu turbulenta sporadica. Stratul de amestec poate fi impartit intr-un strat noros si un strat de sub acest strat noros.

Fig. Evolutia diurna a straturilor convectiv si stabil.

Inaltimea stratului limita planetar a primit mai multe nume, cele mai obisnuite fiind inaltimea inversiunii, inaltimea de amestec si adancimea stratului de amestec. Toate se refera la adancimea stratului in care constituentii aerului atmosferic sunt bine amestecati. Limita PBL este adesea marcata de o inversiune a temperaturii, de o schimbare in masa de aer, un gradient de umezeala si de schimbarea in intensitatea si directie a vitezei vantului. Inversiunea termica nu permite aparitia convectiei in troposfera. Inversiunile la partea superioara a stratului limita se abreviaza in l engleza, abreviere folosita si in l.romana, prin CAP(C Available Potential) Stratul limita este cel mai bine definit in situatiile in care au loc advectii ale maselor de aer sau cand un front atmosferic este present la suprafata. Asta deoarece la la frontul atmospheric, indifferent de ce fel este, esista o discontinuitate in masa de aer marcata de gradienti termici si barici semnificativi si de schimbarea directiei vantului. Se intampla ottusi, in unele cazuri, ca tranzitia dintre stratul limita si atmosfera libera san nu fie foarte bine definita. Totusi, inaltimea stratului limita poate fi determinata si in astfel de cazuri, tinand seama de variatia in temperatura punctului de roua si in directia si viteza vantului. In mod obisnuit, inaltimea PBL este de 1000m de la suprafata Pamantului. In figura 7 se poate observa evolutia stratului de amestec prin cei mai importanti parametri care-l caracterizeaza, temperatura potentiala si viteza vantului.

Zona de antrenare este zona de tranzitie intre PBL si troposfera libera si depinzand de timp, ziua, este foarte variabila. Intr-un caz ideal, Inaltimea stratului limita planetar se considera la mijlocul zonei de antrenare.

Exista doua tipuri principale de straturi limita: (i) Strat Limita Convectiv (CBL, in abrevierea din l.engleza) in care fluxurile de caldura creeaza o instabilitate termica si astfel genereaza o turbulenta suplimentara sau chiar una majora. CBL este tipic la tropice si la latitudini medii in timpul zilei. Incalzirea de la soare insotita de caldura latenta eliberata prin condensarea vaporilor de apa poate crea o turbulenta convectiva foarte intensa care sa cuprinda intreaga troposfera, pana la 10 km. (ii) Stratul Limita Planetar stratificat Stabil (SBL, in abrevierea din l. engleza) este stratul limita in care fluxurile de caldura sunt descendente si inhiba turbulenta la suprafata. SBL-ul nu poate exista daca in atmosfera libera nu exista vant. Acest tip de strat de aer este tipic pentru noapte oriunde si chiar in timpul zilei in locurile unde suprafata pamantului este mai rece decat aerul de deasupra.In particular, SBL-ul are un rol important la latitudini inalte unde ziua lunga ( de cateva luni) determina temperaturi foarte scazute.

Intr-un ciclu diurn tipic, stratul de amestec creste prin patru procese :

Legile fizicii si ecuatiile de miscare care stau la baza dinamicii si microfizicii PBL sunt foarte neliniare si influentate in mod considerabil de proprietatile suprafetei pamantului si de evolutia proceselor din troposfera libera

2.4. Comparatie intre Stratul Atmosferic Limita si atmosfera libera

Aici comparatia

3. Metode de determinare a adancimii stratului limita planetar (PBL)

Este foarte important sa se determine inaltimea (adancimea) stratului limita planetar din motive prezentate anterior. Aceasta este cel mai usor de facut analizand o diagrama termodinamica dar exista , in fapt, mult mai multe metode.

Strawbridge, K. B. si B. J. Snyden (2004) au aratat ca lidarul a demonstrat timp de multi ani ca poate furniza masuratori precise ale inaltimii stratului de amestec, deci a PBL-ului. Mai multe metode au fost folosite pentru a determina din datele lidar inaltimea stratului de amestec. Acestea includ: tehnici de praguri critice tehnici de gradient, analize wavelet si tehnici care folosesc profile ideale. Premisa fundamentala este gradientul mare al concentratiei aerosolului in general evident intre stratul de aerosol din stratul limita si cel din troposfera libera.

Exista si alte metode pentru determinarea inaltimii startului limita, printer care si cele prezentate in cele ce urmeaza.

Inaltimea PBL se poate calcula folosind numarul Richardson global (Troen and Mahrt, 1986).  Acest numar este raportul dintre energia potentiala convectiva disponibila (CAPE) si amplitudinea curentului de nivel jos; el masoara intensitatea turbulentei. Numarul Richardson global R_ib este o functie de altitudine:

unde g este acceleratia gravitationala, z₀ inaltimea la suprafata, temperatura potentiala iar u si v componetele zonala si meridianala ale vantului.

Inaltimea stratului de amestec (ML) este definite ca inaltimea la care numarul Richardson global R_ib devine egal sau mai mare decat numarul Richardson global critic,R_ibc , care are valoarea de 0,21 (Vogelezang si Holtslag, 1996; Menut et al., 1999

Numarul lui Richardson este folosit sa indice prezenta turbulentei, folosindu-l ca sa se determine stabilitatea unui nivel al troposferei. Numarul lui Richardson este similar cu numarul lui Richardson global si este raportul dintre fluxul care inhiba turbulenta si curnetul generator de turbulenta.   Valorile numarului mai mici decat 0,25 indica instabilitatea (Glickman, 2000).  Intrucat PBL-ul este in medie mai putin stabil decat troposfera libera, inaltimea lui este determinata observand inaltimea la care numarul lui Richardson se schimba semnificativ.

unde V este componenta orizontala a vectorului vant,

Centrul European pentru Prevederea Vremii (ECMWF) determina PBL prin diagnoza. Diagnoza inseamna ca ecuatiile nu contin derivate in timp. PBL este in mod tipic reprezentat prin primele cinci nivele verticale deasupra suprafetei pamantului (la 996, 983, 955, 909, si 846 hPa pentru presiunea la nivelul marii de 1000 hPa, sau la inaltimile aproximative de 30 m, 150 m, 400 m, 850 m, si respectiv 1450 m).  Inaltimea stratului limita este determinate ca cea mai mare dintre doua inaltimi:cea prognozata de teoria Ekman sau de inaltimea de convectie care depinde de energia statica uscata pe verticala (Phillips, 1990). Teoria Ekman se refera la un stratde aerintr-o atmosfera static ape o planeta in rotatie unde frecarea de la suprafata si curentii turbionari mici influenteaza PBL-ul. Energia verticala statica uscata numita si functia de curent Montgomery, este un concept termodinamic similar temperaturii potentiale cu exceptia ca oricare energie cinetica este local dispata in caldura (Glickman, 2000).

MRF (Medium Range Forecast) si WRF (Weather Research and Forecasting) folosescd aceeasi schemaca sa determine PBL-ul. Metoda  folosita este schema de difuzie verticala de ordinal intai. Exista de asemenea, o metoda de diagnoza pentru determinarea inaltimii stratului limita care foloseste aproximatia numarului Richardson global prin care estimeaza iterative inaltimea PBL, pornind de la suprafata pamantului in sus. De indata ce s-a determinat inaltimea PBL, se precizeaza profilul coeficientului de difuzivitate ca fiind o functie la puterea a treia de inaltimea

Exista de asemenea, o parametrizare a fluxului de contra-gradient ( raportul dintre fluxul de antrenare si fluxul de la suprafata) care se bazeaza pe fluxurile de la suprafata si scala vitezei de convectie.

References

1. Glickman, Todd ed. Glossary of Meteorology. American Meteorological Society: Boston, Massachusetts, 2000.
2. Menut et al., 1999
3. Phillips, 1990
4. Strawbridge, K. B., B. J. Snyden, 2004. Planetary boundary layer height determination during Pacific 2001 using the advantage of scanning lidar instrument. Atmospheric Environment 38, 5861-5871
5. Stull, Roland B.  1988.  An Introduction to Boundary Layer Meteorology, Kluwer Academic, 666pg.
6. Troen, I. and L. Mahrt, 1986. 'A Simple Model of the Atmospheric Boundary Layer: Sensitivity to Surface Evaporation.' Boundary Layer Meteorology. Vol. 37, pp. 129-148.
7. Vogelezang si Holtslag, 1996

trece la caracteristici 2.4