Альпийский планетарный пограничный слой - Википедия - Alpine planetary boundary layer

PBL над гористой местностью (левая сторона) и ровной местностью (правая сторона)

В альпийский планетарный пограничный слой это планетарный пограничный слой (PBL), связанный с горный регионы. Из-за высокой пространственной и временной изменчивости его поведение более сложное, чем на плоской местности. Быстро меняющаяся местная ветровая система, напрямую связанная с топографией, и изменчивый земной покров, переходящий от снега к растительности, оказывают значительное влияние на рост PBL и затрудняют его прогнозирование.

Понимание процессов, вызывающих изменения в горных зонах PBL, имеет решающее значение для прогнозирования переноса загрязнения воздуха,[1] пожарная погода и местные сильные грозы. Хотя некоторые процессы, такие как горные волны, были хорошо изучены в горных PBL из-за их важности для авиации, большая часть поведения альпийских PBL относительно неизвестна.[2]

Системы ветра

[3][4]

PBL в сложном рельефе формируется тремя локальными (несиноптическими) ветровыми системами разного масштаба, которые тесно связаны со структурой топографии. Высоту PBL можно наблюдать с помощью радиозондирование, которые измеряют градиенты температуры и влажности или ЛИДАР, который измеряет обратное рассеяние аэрозолей.[5]

Горно-равнинные ветры

Система ветров Маунтин-Равнина является самым масштабным явлением, проходящим через горный хребет.

Дневная горно-равнинная ветровая система

В дневное время приходящая солнечная радиация нагревает вершину горы быстрее, чем равнину, создавая на вершине зону среднего низкого давления. Затем ветры дуют к горе со всех сторон, поднимаются по склону и сходятся наверху. Возвратный поток возникает наверху и возвращается обратно в равнину. Совершенно противоположное происходит в ночное время, когда вершина остывает быстрее, чем равнина, что создает зону среднего высокого давления, ведущую к ветрам, идущим с вершины горы вниз на равнину. Это представляет собой идеализированную ситуацию, поскольку многие осложнения могут возникать из-за перекрестных токов, принудительного или управляемого давлением канализации или даже холодные фронты приближение к горной преграде.

Долина ветров

Днем вверх по долине, а ночью - вниз.

Долинные ветры лучше всего развиваются в ясные летние дни и вызваны горизонтальными градиентами давления. Днем в долине теплее, чем на равнине (потому что она содержит меньший объем воздуха, получающего такое же количество радиации), что создает зону более низкого давления над долиной, увлекая воздух с равнин вверх в долину. Противоположный процесс происходит в ночное время, когда долина охлаждается быстрее, и воздух возвращается обратно на равнину.

Склонные ветры

Днем - восходящий ветер, а ночью - нисходящий.

Наклонные ветры вызываются перепадом температур между долиной и воздушным слоем наверху. В дневное время воздух над долиной на склонах теплее, чем внизу (из-за более прямого воздействия поступающей радиации), что приводит к сходящимся вверх по склонам потокам на вершинах хребтов (и может привести к образованию облаков в зависимости от влажности. воздушной посылки). Ночью воздух над долиной остывает быстрее, чем поверхность, что приводит к движению вниз по склону. Это означает, что ночью происходит инверсия температуры. Температура увеличивается от низа долины к вершине хребта и затем начинает снижаться только тогда, когда воздушный пакет свободен от влияния рельефа. Опять же, эта идеальная циркуляция часто может варьироваться из-за сложной топографии. На изоляцию откосов влияет оттенок, аспект и коэффициент обзора неба, который представляет собой часть видимого неба, не закрываемую рельефом. Например, склоны, обращенные на восток, получают радиацию утром раньше, чем склоны, обращенные на запад, что влияет на то, как PBL растет во времени и пространстве. Очень хороший пример нисходящего ветра - это Санта-Ана ветры, которые представляют собой сухие и теплые ветры, дующие с Большого Бассейна и пустыни Мохаве до прибрежной части Южной Калифорнии.

Рост PBL за счет ветровых систем

Суточный ход

Суточная вариация ветровой системы в горном хребте Аппалачи.
Суточный ход PBL в гористой местности.

В целом, дневные ветры с равнины на горы, с возвышенностей и склонов локально увеличивают высоту PBL.[6]PBL начинает подниматься на склонах, обращенных к востоку, и около хребтов (сначала нагретая солнцем и не сдерживаемая очагами холодного воздуха, накопившегося в долине за ночь), и становится более однородной в пространстве во второй половине дня. Говоря временно, конвекция заканчивается вокруг ранний вечер. Затем облака начинают рассеиваться, и циркуляция Горно-Равнины возвращается в опускающееся движение.[7] Переход нарастает от поверхности и со временем становится все глубже и глубже. Утренний переход немного отличается и является результатом сочетания как роста PBL, так и снижения инверсии ночной температуры. ограниченный остаточный слой, поскольку преобладает адвекция горной синоптической ветровой системы.

Горная вентиляция

Дневное увеличение ППС от восходящего ветра называется горная вентиляция. Это явление может иногда вызывать вертикальный обмен воздуха PBL в свободный тропосфера.[8]Как и днем, летом на вершине горы теплее, чем в ее окрестностях, что создает зону низкого давления. Затем ветры дуют с равнины на вершину горы, что является эффективным подъемным механизмом для переноса загрязнителей PBL в свободную атмосферу.

Эффект почвенного покрова

Помимо ветровых систем, изменение земного покрова также играет важную роль в росте PBL. Голые или каменистые почвы - не единственные типы почвенного покрова, встречающиеся на большой высоте, более сложное сочетание снега и / или льда и / или растительности. часто наблюдается. На таких поверхностях баланс энергии излучения сильно варьируется во времени и в пространстве, как и рост PBL.

Снег

Снег сублимирует и создает слой холода прямо над поверхностью, что приводит к ветрам, дующим вниз по склону.

Из-за ветра свежий снег не остается на поверхности, а выдувается на первые несколько метров поверхностного слоя. Эта метель обычно сублимируется из-за изоляции и имеет значительный метеорологический эффект. Сублимация метель приводит к изменению энергетического баланса, и наблюдается общее снижение температуры на 0,5 ° C в сочетании с увеличением водяного пара.[9] Это формирует стабильный холодный и влажный слой воздуха над поверхностью снега, даже если температура окружающего воздуха выше точки замерзания. Этот холодный слой вызывает нисходящие ветры, которые сдерживают рост PBL. Эти поверхностные ветры также переносят снежный покров, что приводит к увеличению шероховатости поверхности и, следовательно, к увеличению сдвига ветра (Принудительная конвекция ).

Растительность

Верх козырька отражает значительную часть приходящей солнечной радиации, которая нагревает верхний слой воздуха.

Низкий растительный покров, такой как трава или кустарники, обычно покрывается снегом зимой или на очень большой высоте, и поэтому изменение шероховатости поверхности имеет ограниченную величину. Однако густые и высокие леса оказывают значительное влияние на шероховатость поверхности, а также на энергетический баланс. Турбулентность, создаваемая растительным покровом, увеличивает вынужденную конвекцию в поверхностном слое. Верхняя часть полога имеет тенденцию нагреваться быстрее, чем воздух в нижней части долины, создавая условия для восходящего ветра только из-за наличия растительности.

Подводя итог, можно сказать, что наличие снега создает нисходящие ветры, препятствующие росту PBL, в то время как присутствие леса создает восходящие ветры, способствующие росту PBL.

Рекомендации

  1. ^ Henne, S .; Dommen, J .; Neiniger, B .; Reimann, S .; Staehelin, J .; Прево, А. (2005). «Влияние горных выбросов в Альпах на химический состав озона в нижних слоях свободной тропосферы и экспорт загрязняющих веществ в Европу». Журнал геофизических исследований. 110 (D22): D22307. Bibcode:2005JGRD..11022307H. Дои:10.1029 / 2005jd005936.
  2. ^ Исследование планетарного пограничного слоя в Швейцарских Альпах с использованием дистанционного зондирования и измерений на месте
  3. ^ "MetEd" Описание ресурса: PBL на сложной местности - Часть 1 ".
  4. ^ "MetEd" Описание ресурса: PBL на сложной местности - Часть 2 ".
  5. ^ Hennemuth, B .; Ламмерт, А. (2006). «Определение высоты пограничного слоя атмосферы по радиозонду и лидарному обратному рассеянию». Метеорология пограничного слоя. 120 (1): 181–200. Bibcode:2006BoLMe.120..181H. Дои:10.1007 / s10546-005-9035-3.
  6. ^ Кеттерер, Кристина; Зигер, Пол; Буковецкий, Николас; Колло Коэн, Мартина; Майер, Олаф; Руффье, Доминик; Вайнгартнер, Эрнест (2013). «Исследование планетарного пограничного слоя в Швейцарских Альпах с использованием дистанционного зондирования и измерений на месте». Метеорология пограничного слоя. 151 (2): 317–334. Bibcode:2014BoLMe.151..317K. Дои:10.1007 / s10546-013-9897-8.
  7. ^ Kossmann, M .; Vögtlin, R .; Corsmeier, U .; Vogel, B .; Fiedler, F .; Binder, H .; Kalthoff, N .; Бейрич, Ф. (1998). «Аспекты структуры конвективного пограничного слоя на сложной местности». Атмосферная среда. 32 (7): 1323–1348. Bibcode:1998AtmEn..32.1323K. Дои:10.1016 / с 1352-2310 (97) 00271-9.
  8. ^ Kossmann, M .; Corsmeier, U .; де Wekker, S .; Fiedler, F .; Vögtlin, R .; Kalthoff, N .; Güsten, H .; Нейнингер, Б. (1999). «Наблюдения за процессами переключения между пограничным слоем атмосферы и свободной тропосферой над гористой местностью». Contrib Atmos Phys. 72: 329–350.
  9. ^ Дери, Стивен Дж .; Тейлор, Питер А .; Цзинбин, Сяо (1998). «Термодинамические эффекты сублимации, метель в пограничном слое атмосферы». Метеорология пограничного слоя. 89 (2): 251–283. Bibcode:1998BoLMe..89..251T. Дои:10.1023 / А: 1001712111718.