행성 경계층

Planetary boundary layer
행성의 경계와 혼동하지 말 것.
이 영화는 한 달 동안 로스앤젤레스 유역의 PBL과 바람의 역동성을 결합한 영상이다.PBL의 수직 운동은 회색 "블랭크"로 표시됩니다.PBL의 높이는 주로 지구의 표면 온도 변화와 관련된 대류에 의해 결정됩니다(예: 낮에는 상승하고 밤에는 가라앉습니다.색 화살표는 다양한 고도에서 부는 바람의 세기와 방향을 나타냅니다.
화창한 날에 행성 경계층이 있는 위치를 나타냅니다.

기상학에서 행성 경계층(PBL)은 대기의 가장 낮은 부분이며, [1]그 행동은 행성 표면과의 접촉에 의해 직접적으로 영향을 받는다.지구에서는 표면 복사력의 변화에 보통 1시간 이내에 반응합니다.이 층에서는 유속, 온도, 수분 등의 물리량이 급격한 변동(진동)을 나타내며 수직혼합이 강하다.PBL 위에는 "자유 대기"[2]가 있으며, 여기서 바람은 대략적으로 지질학적(등각성과 평행)[3]이며, PBL 내에서는 바람이 표면 항력의 영향을 받아 등각선을 가로지른다(자세한 내용은 에크만 층 참조).

표면 바람 구배 원인

이 항공사진에서는 경계층 아래 및 위쪽에 있는 에어로졸의 양 차이를 쉽게 알 수 있습니다.베를린 도시로부터의 빛 오염은 층 아래쪽에 강하게 산란되어 있지만, 층 위쪽에선 대부분 우주로 퍼져 나간다.
다음 항목도 참조하십시오.윈드시어, 윈드구배, 윈드엔지니어링 및 에크만층

일반적으로 공기역학적 항력으로 인해 지구 표면에서 100m 위까지 바람의 흐름에는 행성 경계층의 표면층인 바람의 구배가 있다.풍속은 미끄럼 방지 [5]상태로 인해 0부터 시작하여[4] 지상의 높이가 높아질수록 증가합니다.지표면 부근의 흐름은 [6]풍속을 감소시키고 흐름의 주요 방향에 대해 직각으로 무작위 수직 및 수평 속도 성분을 도입하는 장애물과 마주친다.이 난류는 한 층에서 수평으로 이동하는 공기와 바로 위와 아래의 공기 사이에 수직 혼합을 일으키며, 이는 오염물질의[7] 분산과 토양 [8]침식에 중요하다.

지표면 근처의 속도 감소는 표면 거칠기의 함수이므로 풍속 프로파일은 지형 [5]유형에 따라 상당히 다릅니다.지상의 거칠고 불규칙한 지반 및 인공 장애물은 지반 풍속을 40~50%[9][10] 감소시킬 수 있다.개방된 물이나 얼음에서 감소량은 20~30%[11][12]에 불과할 수 있습니다.이러한 효과는 풍력 [13][14]터빈을 설치할 때 고려된다.

공학적 목적을 위해 바람의 구배를 표면 유형에 따라 일정한 지수계수를 갖는 멱법칙에 따라 변화하는 수직속도 프로파일을 나타내는 단순 전단으로서 모델링한다.지표면 마찰이 풍속에 미치는 영향을 무시할 수 있는 지표면 위의 높이를 "경사 높이"라고 하며, 이 높이 이상의 풍속을 "경사 풍속"[10][15][16]이라고 하는 상수로 가정한다.예를 들어, 예측 경사 높이에 대한 일반적인 값은 대도시의 경우 457m, 교외의 경우 366m, 탁 트인 지형의 경우 274m, 탁 트인 [17]바다의 경우 213m이다.

멱함수 지수 근사치는 편리하지만 이론적인 [18]근거는 없습니다.온도 프로파일이 단열일 경우 풍속은 [19]높이에 따라 로그적으로 변화해야 한다.1961년 열린 지형에 대한 측정에서는 (표면층 내) 최대 100m까지의 로그 적합도와 거의 일정한 평균 풍속이 1000m까지 [20]올라갔다.

바람의 전단화는 보통 [21]3차원적이다. 즉, '자유' 압력 경사 구동 지형성 바람과 지면에 [22]가까운 바람 사이의 방향 변화도 있다.이것은 에크만 스파이럴 효과와 관련이 있다.지표면 근처의 우회된 노령영양 흐름의 교차 등각도는 개방 수역에서 10°에서 험한 구릉 지대에서 30°까지 다양하며, 풍속이 매우 [12]낮은 밤에는 육지에서 40°-50°까지 증가할 수 있다.

일몰 후 표면 근처의 바람 구배는 [23]안정성과 함께 증가한다.복사 냉각으로 야간에 발생하는 대기 안정성은 난류 에디를 수직으로 구속하는 경향이 있어 바람 구배를 [8]증가시킨다.바람 구배 크기는 날씨, 주로 대기 안정성 및 대류 경계층 높이 또는 캡 반전(capping inversion)에 의해 크게 영향을 받는다.이 효과는 [24]육지보다 경계층의 높이에 대한 일일 변동이 훨씬 적은 바다 위에서도 더 크다.대류 경계층에서는 강한 혼합이 수직풍 [25]구배를 감소시킨다.

야간 및 주간 조건

행성 경계층은 낮과 밤 사이에 다르다.낮에는 가열된 [26]공기의 난기 상승의 결과로 야간에 형성된 반전층이 파괴된다.경계층은 "일몰 직전에" 안정되고 [26]밤에도 안정됩니다.이 모든 것이 매일의 [26]순환을 이룬다.겨울과 흐린 날에는 야간 층의 분리가 불완전하고 이전에 확립된 대기 조건이 [26][27]지속될 수 있다.맑은 날에는 야간 경계층 구조의 해체가 빠르다.[27]그 원동력은 상승기류가 좁은 대류 셀과 완만한 하강기류가 [27]많은 영역입니다.이 셀들은 [27]직경이 200~500m를 넘는다.

구성층

하이드 파크 커뮤니티 지역에서 레전트 파크 트윈 타워 위로, 미시간 호수 위로 뻗어나가는 시카고 남부 뇌우 단지 맨 끝에 있는 선반 구름

나비에로서–스토크스 방정식은 행성 경계층 난류가 표면 근접성이 가장 큰 속도 구배를 가진 층에서 생성된다는 것을 시사한다.이 층(기존에는 표면층이라고 불리며)은 총 PBL 깊이의 약 10%를 구성합니다.표면층 위에서는 PBL 난류가 점차 소멸되어 마찰로 운동 에너지가 손실될 뿐만 아니라 밀도 성층 흐름에서 운동 에너지를 위치 에너지로 변환합니다.난류 운동 에너지 생성 속도와 그 소멸 사이의 균형은 행성 경계층의 깊이를 결정합니다.PBL의 깊이는 크게 다릅니다.주어진 풍속(예: 8m/s)에서, 예를 들어 난류 생성의 주어진 속도에서, 겨울철 북극의 PBL은 50m만큼 얕을 수 있고, 중위도의 야행성 PBL은 일반적으로 300m 두께가 될 수 있으며, 무역풍 구역의 열대성 PBL은 2000m의 전체 이론 깊이까지 성장할 수 있다.PBL의 깊이는 사막의 오후 늦게 4000m 이상이 될 수 있습니다.

표면층 외에, 행성 경계층은 PBL 코어(PBL 깊이의 0.1~0.7)와 PBL 꼭대기 또는 인테인먼트층 또는 캡 반전층(PBL 깊이의 0.7~1)을 포함한다.PBL 깊이와 평균 수직 구조는 다음과 같은 4가지 주요 외부 요인에 의해 결정됩니다.

  1. 자유 대기 풍속
  2. 표면 열(더 정확히는 부력) 균형
  3. 자유 대기 밀도 층화
  4. 자유 대기 수직 윈드 시어 또는 기압성.
상세 정보:에크만층

주요 유형

Atmospheric boundary layer.svg

대류 행성 경계층(CBL)

주요 기사:대류 행성 경계층

대류성 행성 경계층은 표면에서 양의 부력 플럭스가 열적 불안정성을 만들어 추가 또는 심지어 큰 난류를 발생시키는 행성 경계층의 한 종류이다.(이는 CAPE 또는 대류 가능한 위치 에너지를 갖는 것으로도 알려져 있습니다. 대기 대류를 참조하십시오.)대류 경계층은 낮 동안 열대 및 중위도에서 전형적으로 나타난다.수증기 응축에서 방출되는 열의 도움을 받는 태양열은 대류 난류를 매우 강하게 만들어 자유 대류층이 대류권계면(대류권과 성층권 사이의 지구 대기 경계)까지 전체 대류권을 구성하며, 대류권은 열대간 변환에서 10km에서 18km에 이른다.젠스 존).

안정적으로 성층화된 행성 경계층(SBL)

SBL은 표면의 음의 부력 플럭스가 난류를 완충할 때 PBL입니다. 대류 억제를 참조하십시오.SBL은 윈드시어 난류에 의해서만 구동되기 때문에 자유 분위기 바람 없이는 SBL이 존재할 수 없다.SBL은 모든 장소에서 야간, 심지어 지구의 표면이 위의 공기보다 차가운 곳에서는 낮에도 전형적이다.SBL은 고위도 지역에서 특히 중요한 역할을 하며, 그 결과 공기가 매우 차가워집니다.

행성 경계층 역학과 미세물리학을 지배하는 물리 법칙과 운동 방정식은 강하게 비선형이며 지구 표면의 특성과 자유 대기의 과정 진화에 상당한 영향을 받습니다.이러한 복잡성을 다루기 위해 전체 난류 모델링이 제안되었다.그러나 실제 요건을 충족할 만큼 정확하지 않은 경우가 많습니다.대형 와류 시뮬레이션 기술의 적용에서 PBL과 관련된 문제에 이르기까지 상당한 개선이 예상된다.

대기 모델([clarification needed]대기 중 모델 상호 비교 프로젝트)에서 PBL의 정확한 표현에 매우 의존하는 가장 중요한 프로세스는 수분(증발산)과 오염 물질(대기 오염 물질)의 난류 운송이다.경계층의 구름은 무역풍, 수문학적 주기, 에너지 교환에 영향을 미친다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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외부 링크