Energy balance model of the surface layer of atmosphere

Authors: Stepanenko S., Voloshin V., Kuryshina V.

Year: 2011

Issue: 09

Pages: 38-58

Abstract

The energy balance model for calculation of scales, gradients and other parameters of the logarithmic surface layer of atmosphere is analysed. The model is provided the “lock” of thermal balance surface and balance of flux of dissipation of kinetic energy of turbulence and temperature pulsations. The model is built on the base of Monin-Obukhov semi-empiric theory of the ground layer. The model uses only a base meteorological information. Results are compared to the analogical models of other authors.

Tags: thermal balance of surface; turbulent streams; type of temperature; universal function; wind shear

Bibliography

  1. Монин А.С, Обухов А.М. Основные закономерности турбулентного перемешивания в приземном слое атмосферы//Тр. Геофизин. АН СССР. – 1954. – №24. – С.163-187.
  2. Алоян А.Е. Моделирование динамики и кинетики газовых примесей в атмосфере. – М.: Наука. – 2005.– 400 с.
  3. Дубов А.С., и др. Турбулентность в растительном покрове. – Л.: Гидрометеоиздат. − 1978. – 180 c.
  4. Зилитинкевич С.С., Чаликов Д.В. О расчете вертикальных турбулентных потоков в приземном слое атмосферы по данным градиентных наблюдений//Изв. АН СССР. Физ.атм. и океана. – 1968. – Т. 4. – №9. – С.915-929.
  5. Налбандян О.Г., Кухарец В.П., Голицын Г.С. Трехслойная динамическая модель взаимодействия поверхности с приземным слое атмосферы//Изв. РАН, Ф.А.О. – 2002. – Т. 38. – № 3. – С. 293-300.
  6. Орленко Л.Р. Строение пограничного слоя атмосферы. − Л.: Гидрометеоиздат. – 1979. − 279 с.
  7. Степаненко С.Н. Математическое моделирование мезомасштабных процессов и явлений в атмосфере. − Одесса. − 2001. – 280 с.
  8. Perry S., Cimorelli A., Paine R., Brode R., Weil J., Venkatram A. A Dispersion Model AERMOD for Industrial Source Applications. Part I: General Model Formulation and Boundary Layer Characterization//Journal of Applied Meteorology. – 2005. – V. 44. – Р. 682-693.
  9. Perry S., Cimorelli A., Paine R., Brode R., Weil J., Venkatram A., Wilson R., Lee R. AERMOD: A Dispersion Model for Industrial Source Applications. Part II: Model Performance against 17 Field Study Databases//Journal of Applied Meteorology. – 2005. – V. 44. – P. 695-708.
  10. Волошин В.Г. Метод расчета турбулентных потоков и температуры подстилающей поверхности на основе метеорологических наблюдений//Метеорология, климатология и гидрология. – 2002. − Вып.46. – С.83-89.
  11. Erisman JW., van Pul A., Wyers P. Parameterization of surface resistance for the quantification of atmospheric deposition of acidifying pollutants and ozone//Atmos. Environ. – 1994. – № 28. – Р. 2595-2607.
  12. Lui S., Mao D., Jia L. Evaluating parameterizations of aerodynamic resistance to heat transfer using field measurements//Hydrol Earth Syst Sci. – 2007. – №11. – Р. 769–783.
  13. Niyogi D., Raman S., Alapaty K. Uncertainty in specification of surface characteristics, part 2: hierarchy of interaction explicit statistical analysis//Boundary-Layer Meteo. – 1999. – № l9. – Р. 341-366.
  14. Noilhan J., Planton S. A simple parameterization of land surface processes for meteorological models//Mon Weather Rev. – 1989. – №117. – Р. 536-549.
  15. Бусингер Дж.А. Основные понятия и уравнения. Атмосферная турбулентность и моделировании распространения примесей. − Л.: Гидрометеоиздат. – 1985. − 338 с.
  16. Businger J. A. et al. Fluxprofile relationships in the atmospheric surface layer//J. Atmos. Sci. – 1971. – № 28. – Р. 181-189.
  17. Сивков С.И. Методы расчета характеристик солнечной радиацию. – Л.: Гидрометеоиздат. – 1968. − 215 с.
  18. Zhang, Y.-C., Rossow W.B., Lacis A.A., Oinas V., and Mishchenko M.I. Calculation of radiative fluxes from the surface to top of atmosphere based on ISCCP and other global data sets: Refinements of the radiative transfer model and the input data//J. Geophys. Res. – 2004. – 109.
  19. Хргиан А.Х. Физика атмосферы. – Л.: Гидрометеоиздат. – 1978.− Т.1 – 156 с.
  20. Мищенко З.А. Агрометеорология. – К.: КНТ. – 2009. – 511 с.
  21. Палагин Э.Г. Математическое моделирование агрометеорологических условий озимых культур – Л.: Гидрометеоиздат. – 1981. − 191 с.
  22. Zobler L. A world soil file for global climate modeling//NASA technical memorandum. – 1996. – Р.87802.
  23. Степаненко С.Н., Волошин В.Г. Безразмерные функции сдвига ветра и градиента температуры воздуха в неустойчивом приземном слое атмосферы//Вестник ОДЕKУ. – 2006. – вып.1. – С. 35-47.
  24. Степаненко С.Н., Волошин В.Г. Универсальные безразмерные профильные функции для градиента скорости и температуры и их интегральные формы//Украинский гидрометеорологический журнал. – 2010. – № 7. – С. 35-45.
  25. Brutsaert W. Stability correction functions for the mean wind speed and temperature in the unstable surface layer//Geophys. Res. Lett. – 1992. – 19.
  26. Kader B.A., Perepelkin. V.G. Effect of the unstable stratification on wind and temperature profiles in the surface layer//J. Fluid Mech. – 1989. – № 212. – Р. 637-662.
  27. Kader B.A., Yaglom A.M. Mean fields and fluctuation moments in unstable stratified turbulent boundary layers//J. Fluid Mech. – 1990. – 212.
  28. Dyer A.J., Bradley E.F. An alternative analysis of flux-gradient relationships at the 1976 ITCE//Boundary Layer Meteorol. – 1982. – № 22. – Р. 3-19.
  29. Hsieh et al. Estimation of momentum and heat fluxes using dissipation and flux-variance methods in the unstable surface layer//Water resources research. – 1996. – V. 32. – № 8.
  30. Brutsaert W. Evaporation into the Atmosphere. Theory, History and Applications. – D. Reidel Publ. Co. – 1982.
  31. Viterbo P., Beljaars A.C.M. A new land surface parameterization scheme in the ECMWF model and its validation//J. Clim. – 1995. – № 8. – Р. 2716-2748.
  32. Chen F., Mitchell K., Schaake J., Xue Y., Pan H., Koren V., Duan Y., Ek M., Betts A. Modelling of land surface evaporation by four schemes and comparison with FIFE observations//J Geophys Res. – 1996. – № 101. – Р. 7251-7268.
  33. Clapp R.A., Hornberger M.G. Empirical equation for some soil hydraulic properties//Water Resource Research. – 1978. – V.14. – № 4. – Р. 601-604.
  34. Mahfouf J. F., and Noilhan J. Comparative study of various formulations of evaporation from bare soil using in situ data//J. Appl. Meteorol. – 1991. – № 30. – Р. 1354-1365.
  35. Кухарец В.П., Налбандян О.Г. Корреляционный анализ температуры подстилающей поверхности, инсоляции и скорости ветра в приземным слое атмосферы//Изв. РАН. Ф.А.О. – 2005. – Т.41. – № 6. – 752-760.
  36. Степаненко С.Н., Волошин В.Г. Динамическая модель рассеяния вредных веществ в атмосфере при постоянных коэффициентах диффузии и скоростях переноса//Украинский гидрометеорологический журнал. – 2010. – № 7. – С. 35-45.
  37. Turner D.B. Workbook of atmospheric dispersion estimates: an introduction to dispersion modeling (2nd Edition ed.)//CRC Press. – 1994.
  38. A Dispersion Model AERMOD for Industrial Source Applications. Part I: General Model Formulation and Boundary Layer Characterization//Journal of Applied Meteorology. – № 44(5). – Р. 682-693.
  39. Zannetti P. Air Pollution Modeling: theories, computational methods, and available software//Computational Mechanics Publications, Southampton and Van No strand Reinhold. – New York. – 1990. – 444 p.
Download full text (PDF)