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A.A. 2009/2010 Lo strato limite planetario Lo strato limite planetario Struttura fondamentale Struttura fondamentale

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Page 1: A.A. 2009/2010 Lo strato limite planetario Struttura fondamentale

A.A. 2009/2010

Lo strato limite planetarioLo strato limite planetario

Struttura fondamentaleStruttura fondamentale

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A.A. 2009/2010

Caratteristiche generali (1/5)Caratteristiche generali (1/5)

Nello strato da Nello strato da 50 m 50 m 1000 m di 1000 m di troposferatroposfera le caratteristiche della le caratteristiche della superficie terrestre influenzano la superficie terrestre influenzano la velocità del ventovelocità del vento

IN QUANTOIN QUANTO

Gli effetti di viscositàGli effetti di viscosità sono dello stesso sono dello stesso ordine di grandezza delleordine di grandezza delle::– Forze di CoriolisForze di Coriolis– Forze di pressioneForze di pressione

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A.A. 2009/2010

Caratteristiche generali (2/5)Caratteristiche generali (2/5)

Pr, r,Tr

Pa4

Pa1

Pa2

Pa3

Fg= r. V g

Fi = f . u

U

Fatt=(z+z)-(z)

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A.A. 2009/2010

Caratteristiche generali (3/5)Caratteristiche generali (3/5)

Tutte le forze agenti sul volume d’aria Tutte le forze agenti sul volume d’aria rappresentativo, nel nostro sistema di rappresentativo, nel nostro sistema di riferimento, riferimento, sono dello stesso ordine di sono dello stesso ordine di grandezza:grandezza:

Forza di gravità:Forza di gravità: FFgg = = rr..VV.. g g

Forze di pressione:Forze di pressione: FFpp= = PPaiaiAi

Forze inerziali (di Coriolis):Fi = f.u

Forze di attrito: Fatt = d2u/dz2Ai V

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Caratteristiche generali (2/3)Caratteristiche generali (2/3)

La regione dove questo avviene La regione dove questo avviene viene detta:viene detta:– STRATO DI CONFINE PLANETARIOSTRATO DI CONFINE PLANETARIO

((Planetary Boundary LayerPlanetary Boundary Layer - PBL) - PBL)

zfv

x

p x

11

(1

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Caratteristiche generali (3/3)Caratteristiche generali (3/3)

La quasi totalità dei problemi di La quasi totalità dei problemi di diffusione ha luogo in questo stratodiffusione ha luogo in questo strato– Tipica scala sinotticaTipica scala sinottica (10(10 1000 Km - ora 1000 Km - ora

giorni)giorni) La teoria del PBLLa teoria del PBL prende le mosse dal prende le mosse dal

concetto che:concetto che:– Il trasporto di quantità di moto da parte dei Il trasporto di quantità di moto da parte dei

moti turbolenti moti turbolenti – possa esserepossa essere parametrizzato in funzione della parametrizzato in funzione della

circolazione media a grande scalacircolazione media a grande scala

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Le equazioni di base del PBL Le equazioni di base del PBL (1/5)(1/5)

Nei sistemi di moto Nei sistemi di moto a scala sinotticaa scala sinottica l’accelerazione è piccolal’accelerazione è piccola rispetto alle: rispetto alle:

– accelerazioni dovute alle forze di Coriolisaccelerazioni dovute alle forze di Coriolis– accelerazioni dovute alle forze di pressioneaccelerazioni dovute alle forze di pressione

Dall’equazione del moto Dall’equazione del moto (1 e (2(1 e (2 nel PBL nel PBL si ottiene, si ottiene, esplicitandoesplicitando::– i termini turbolentii termini turbolenti jj

– le forze di pressione lungo le isobare di le forze di pressione lungo le isobare di riferimentoriferimento

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A.A. 2009/2010

Le equazioni di base del PBL Le equazioni di base del PBL (2/5)(2/5)

Pr, r,Tr

Pa4

Pa1

Pa2

Pa3

Fg= r. V g

Fi = f . u

U cost.Fatt=(z+z)-(z)

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A.A. 2009/2010

Le equazioni di base del PBL Le equazioni di base del PBL (3/5)(3/5)

Per la componente della velocità Per la componente della velocità uu lungo lungo l’asse x l’asse x (diretto verso Est):(diretto verso Est):

)(

11

z

uK

zfv

x

zg

Dt

Du

zfv

x

p

Dt

Du

mzp

x

( 4

)(0z

uK

zfv

x

zg mz

p

( 5

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Le equazioni di base del PBL Le equazioni di base del PBL (4/5)(4/5)

E, analogamente, per la componente E, analogamente, per la componente della velocità della velocità vv lungo lungo l’asse y l’asse y (diretto (diretto verso Nord):verso Nord):

dovedove K Kmzmz è la componente verticale è la componente verticale ((lungo zlungo z) del) del “coefficiente di diffusività “coefficiente di diffusività del momento lineare”del momento lineare” ((eddy viscosityeddy viscosity))

)(0z

vK

zfu

x

zg mz

p

(6

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Le equazioni di base del PBL Le equazioni di base del PBL (5/5)(5/5)

Le equazioni (5 e (6 mostrano Le equazioni (5 e (6 mostrano che, nello strato di confine che, nello strato di confine planetario, sussiste un equilibrio planetario, sussiste un equilibrio fra:fra:– le forze di pressionele forze di pressione– le forze di Coriolisle forze di Coriolis– le forze di attrito dinamicole forze di attrito dinamico (viscosità) (viscosità)

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L’approssimazione di Ekman alle equazioni del PBL L’approssimazione di Ekman alle equazioni del PBL (1/10)(1/10)

Nel Nel 1902 Ekman1902 Ekman ricavò ricavò un’espressione un’espressione semplificatasemplificata per per l’equazione del campo di vento nel l’equazione del campo di vento nel PBL.PBL.

Sotto le ipotesi:Sotto le ipotesi:– KKmzmz costante costante

– velocità del vento velocità del vento essenzialmenteessenzialmente di di origine geostroficaorigine geostrofica

si dimostra che:si dimostra che:

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L’approssimazione di Ekman alle equazioni del PBL L’approssimazione di Ekman alle equazioni del PBL (2/10)(2/10)

Per ogni Per ogni campo di pressionicampo di pressioni, a causa , a causa dell’dell’attritoattrito a cui e soggetta l’atmosfera a cui e soggetta l’atmosfera nello strato di confine planetario nello strato di confine planetario il campo il campo dei venti a bassa quotadei venti a bassa quota presenta velocità: presenta velocità:

più bassepiù basse ruotateruotate

rispetto al campo dei corrispondenti rispetto al campo dei corrispondenti venti geostrofici venti geostrofici

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A.A. 2009/2010

L’approssimazione di Ekman alle equazioni del PBL L’approssimazione di Ekman alle equazioni del PBL (3/10)(3/10)

V

H

Spirale di Ekman

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L’approssimazione di Ekman alle equazioni del PBL L’approssimazione di Ekman alle equazioni del PBL (4/10)(4/10)

p

g y

z

f

gu

(7

pg x

z

f

gv

(8

che, inserite nelle (5 e (6, porta a:

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L’approssimazione di Ekman alle equazioni del PBL L’approssimazione di Ekman alle equazioni del PBL (5/10)(5/10)

2

2

)(0z

uKvvf mzg

( 9

2

2

)(0z

vKuuf mzg

( 1 0

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L’approssimazione di Ekman alle equazioni del PBL L’approssimazione di Ekman alle equazioni del PBL (6/10)(6/10)

AssumendoAssumendo::– un sistema di riferimento con l’asse un sistema di riferimento con l’asse xx lungo lungo

la direzione del vento geostroficola direzione del vento geostrofico ( (vvgg=0=0))

– uugg e e vvgg costanti con l’altezza z costanti con l’altezza z

si ottiene:si ottiene:))cos(1()( azeuzu az

g (11

)()( azsineuzv azg

(12

dove: mzK

fa

2

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L’approssimazione di Ekman alle equazioni del PBL L’approssimazione di Ekman alle equazioni del PBL (7/10)(7/10)

Le equazioni Le equazioni (11 e (12(11 e (12 descrivono la, descrivono la, così detta:così detta:

– SPIRALE DI EKMANSPIRALE DI EKMAN

Z1

Z2

Z3

ZIVelocità del vento geostroficoZ

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L’approssimazione di Ekman alle equazioni del PBL L’approssimazione di Ekman alle equazioni del PBL (8/10)(8/10)

P e r 0z

0)0(

0)0(

v

u( 1 3

P e r izzaz 0

gi uzu ( 1 4

0)( izv ( 1 5

d o v e z i r a p p r e s e n t a “ l ’ a l t e z z a d e l l o s t r a t o d i r i m e s c o l a m e n t o( m i x i n g l a y e r ) ”

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L’approssimazione di Ekman alle equazioni del PBL L’approssimazione di Ekman alle equazioni del PBL (9/10)(9/10)

Secondo l’approssimazione di Secondo l’approssimazione di Ekman, Ekman, l’angolo previstol’angolo previsto fra: fra:– il vento di superficieil vento di superficie VV e e

– il vento geostroficoil vento geostrofico uugg

E’ DATO DA:E’ DATO DA:

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L’approssimazione di Ekman alle equazioni del PBL L’approssimazione di Ekman alle equazioni del PBL (10/10)(10/10)

azsine

aze

zu

zvaz

az cos1arctg

)(

)(arctg (1 6

p e r 0z , s v i lu p p a n d o in s e r ie s i o t t ie n e :

3322

3322

33

2222

!2arctg

...!3

...1

...!2

1...!2

11

arctgzaOzaaz

zaOza

az

zaazaz

zazaaz

4)1arctg(

(1 7

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Considerazioni sulla spirale di Ekman (1/2)Considerazioni sulla spirale di Ekman (1/2)

A causa delle approssimazioni usate per A causa delle approssimazioni usate per la soluzione analitica la soluzione analitica (e.g.: inversioni di (e.g.: inversioni di temperature al limite dello strato di rimescolamento)temperature al limite dello strato di rimescolamento)

L’angolo osservato sperimentalmente èL’angolo osservato sperimentalmente è dell’angolo previsto:dell’angolo previsto:

– 55oo1010oo in condizioni instabili in condizioni instabili – 1515oo2020oo in condizioni neutre in condizioni neutre– 3030oo5050oo in condizioni stabili in condizioni stabili

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Considerazioni sulla spirale di Ekman (2/2)Considerazioni sulla spirale di Ekman (2/2)

La spirale di EkmanLa spirale di Ekman è è molto molto importanteimportante nella diffusione nella diffusione

– di emissioni altedi emissioni alte– a grandi distanzea grandi distanze

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Lo strato di attrito (1/2)Lo strato di attrito (1/2) Nei primi Nei primi 50 m 50 m di troposfera: di troposfera:

– Le forze di attritoLe forze di attrito predominanopredominano su quelle su quelle di Coriolisdi Coriolis

di pressionedi pressione

Tale zona viene detta:Tale zona viene detta:

Strato di attritoStrato di attrito ( (Surface LayerSurface Layer))

fvzx

1

(2

x

p

zx

11

(3

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Lo strato di attrito (2/2)Lo strato di attrito (2/2) La descrizione dei fenomeni in questo strato si La descrizione dei fenomeni in questo strato si

appoggia sulla:appoggia sulla: Teoria della similiarità di Monin-ObukhovTeoria della similiarità di Monin-Obukhov

SECONDO CUISECONDO CUI lo stato statistico delle fluttuazioni lo stato statistico delle fluttuazioni

turbolente al di sopra di una superficie turbolente al di sopra di una superficie piana ed omogenea è interamente piana ed omogenea è interamente determinato dai valori dei flussi turbolenti determinato dai valori dei flussi turbolenti lungo la verticale di:lungo la verticale di:– momenti (velocità del vento)momenti (velocità del vento)– calorecalore– opportuno parametro di galleggiamentoopportuno parametro di galleggiamento