Meteorologia dello strato limite atmosferico

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1 Meteorologia dello strato limite atmosferico Giovanni Bonafè ARPA SIM Emilia Romagna

2 Parliamo dell atmosfera. Ma di che parte dell atmosfera stiamo parlando?

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6 struttura dell atmosfera

7 Troposfera: strato di atmosfera fino a circa 10 km; la temperatura cala con la quota; ospita quasi tutti i fenomeni meteorologici

8 strato limite atmosferico PBL (strato limite planetario, o strato limite atmosferico): strato di atmosfera che risente direttamente dell influenza della superficie vi avvengono la maggior parte dei fenomeni legati alla dispersione degli inquinanti vi si osserva la maggior parte della turbolenza

9 struttura ed evoluzione dello strato limite atmosferico

10 struttura ed evoluzione dello strato limite atmosferico Strato rimescolato: riscaldato dal basso, turbolenza termica e meccanica. Strato stabile: la temperatura aumenta con la quota, perciò è molto stabile (poco rimescolato). Strato residuo: stratificazione neutra; può intrappolare inquinanti fino al giorno successivo Strato superficiale: 10% del PBL, vicino alla superficie. La turbolenza è omogenea, diversa dal resto del PBL

11 la temperatura potenziale temperatura che avrebbe una particella d aria se portata adiabaticamente ad una pressione di riferimento di 1000 hpa 1000 θ = T p 0.286

12 la temperatura nello strato limite generalmente, la temperatura nello strato limite planetario (come nel resto della troposfera) cala con la quota troposfera

13 la temperatura nello strato limite nello strato limite, la temperatura cala di circa 0.7 gradi ogni 100 m

14 la temperatura nello strato limite quando la temperatura cala di circa 0.7 gradi ogni 100m, il profilo si chiama neutro; quando cala più rapidamente, si dice instabile o convettivo; quando cala più lentamente (o addirittura cresce), si dice stabile.

15 la temperatura nello strato limite quando la temperatura cresce con la quota, c è un inversione

16 inversione notturna 1. di notte il suolo si raffredda velocemente; 2. l aria vicino al suolo si raffredda, mentre l aria al di sopra resta più calda, quindi si forma uno strato in cui la temperatura cresce anziché calare - con la quota è particolarmente intensa in inverno in pianura inibisce fortemente il rimescolamento interessa uno strato di spessore variabile, fino a qualche centinaia di metri

17 inversione notturna

18 perché il profilo di T determina la stabilità?

19 Attenzione! Le didascalie sono in ordine sparso: qual è l ordine giusto? atmosfera neutra inversione al suolo atmosfera instabile atmosfera stabile inversione in quota

20 stabilità, instabilità, inversioni termiche atmosfera instabile atmosfera neutra atmosfera stabile inversione al suolo inversione in quota

21 profili termici del PBL θ (temperatura potenziale)

22 classi di stabilità Classi di stabilità di Pasquill-Gifford-Turner: sono un indicatore qualitativo dell intensità della turbolenza atmosferica. se T cala velocemente con la quota, il PBL è instabile se T cala lentamente (o cresce), il PBL è stabile Classe Gradiente di T Classe Gradiente di T A = 1 < (K/ ) D = (K/ ) B = E = C = F = 6 >

23 classi di stabilità A. condizioni estremamente instabili B. condizioni moderatamente instabili C. condizioni leggermente instabili D. condizioni neutre E. condizioni leggermente stabili F. condizioni stabili

24 variabili di scala I moti turbolenti del PBL sono troppo complessi per essere descritti in termini di T e V E necessario descrivere l effetto medio della turbolenza sulle proprietà diffusive dell atmosfera Si usano le variabili di scala (rappresentano stime del valore tipico di un particolare fenomeno) Sono legate ai termini del bilancio energetico superficiale, spesso non corrispondono a una grandezza misurabile in un dato istante e la loro definizione è semi-empirica, a volte ambigua Principali variabili di scala: altezza di rimescolamento MH velocità di attrito u* lunghezza di Monin-Obukhov L* velocità convettiva di scala w*

25 altezza di rimescolamento Possibili definizioni: Altezza dello strato caratterizzato da......rimescolamento verticale relativamente vigoroso...rimescolamento dovuto a turbolenza meccanica e termica...significativo trasporto turbolento mediato su un ora...interfaccia tra strati d aria con stabilità diversa...profilo di temperatura neutro o instabile...tempo di rimescolamento degli inquinanti di 1-2 ore...turbolenza termica e rimescolamento degli inquinanti Simboli e sinonimi: z i, MH, h mix, mixing height, altezza dello strato rimescolato...

26 altezza di rimescolamento

27 profili del vento In genere la velocità del vento aumenta con la quota.

28 profili del vento, rugosità In genere la velocità del vento aumenta con la quota. Nello strato superficiale ha un andamento logaritmico: U ( z) = u k * u k * z ln( z U = intensità del vento z = quota u* = velocità di attrito (friction velocity) z 0 = lunghezza di rugosità (roughness length) In presenza di una canopy (bosco, città): U ( z) = 0 ) z d ln( ) z d = displacement height Nel PBL e in atmosfera libera, cresce in modo più irregolare. 0

29 rugosità

30 velocità di attrito 2 * = ( u' ws ' v' ws u + ' 2 ) 1 / 4 u = fluttuazioni longitudinali della velocità del vento v = fluttuazioni trasversali della velocità del vento w = fluttuazioni verticali della velocità del vento ( ) = operazione di media Dà indicazioni sull'entità della turbolenza generata da fattori meccanici (intensificazione del vento con la quota) vicino alla superficie

31 lunghezza di Monin-Obukhov L = θ vu* kg ( w' θ ' ) v s θ = temperatura potenziale w = velocità verticale u* = velocità di attrito x = fluttuazioni della variabile x ( ) = operazione di media 3 Grandezza di scala relativa allo strato superficiale Corrisponde al rapporto tra l'intensità della turbolenza prodotta da fattori meccanici (shear del vento) e quella di origine convettiva (termiche) Negativa di giorno, positiva la notte Può assumere valori molto elevati (spesso si usa il suo reciproco)

32 velocità convettiva di scala gz W * = i ( w' θ v ') θ v θ = temperatura potenziale w = velocità verticale z i = altezza di rimescolamento x = fluttuazioni della variabile x ( ) = operazione di media S grandezza utile in condizioni di PBL instabile tanto più grande quanto maggiori sono l'altezza di rimescolamento e i flussi di calore dalla superficie dà un'indicazione sulle velocità verticali che sono generate dai moti convettivi del PBL

33 bilancio energetico superficiale Q* = Q H + Q E + Q G Q* = radiazione netta Q H = flusso di calore sensibile Q E = flusso di calore latente Q G = flusso di calore nel suolo Q* = Q H + Q E + Q G + Q S Q S = calore immagazzinato nella canopy

34 bilancio radiativo superficiale Q* = K -K + L -L Q* = radiazione netta K = radiazione solare visibile incidente (diretta e diffusa) K = radiazione solare visibile riflessa L = radiazione infrarossa incidente L = radiazione infrarossa uscente (emessa e riflessa)

35 bilancio radiativo superficiale Q* = K -K + L -L K = α 0 K α 0 = albedo superficiale L = ε 0 σt 04 + (1-ε 0 ) L ε 0 = emissività σ = costante di Stefan-Boltzmann T 0 = temperatura assoluta della superficie

36 internal boundary layers

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40 riferimenti bibliografici R.B. Stull, An introduction to boundary layer meteorology. Kluwer Academic Publishers G. Finzi, G. Pirovano, M. Volta, Gestione della qualità dell aria. Modelli di simulazione e previsione. McGraw-Hill