III. Alcanze de la Micrometeorología

Si se mueve con el viento, su transporte por la turbulencia en la capa límite será importante.

Andrew S. KowalskiCatedrático de Universidad

Departamento de Física AplicadaUniversidad de Granada

andyk@ugr.es

Bibliografía Bio-meteorológica

• Campbell, G. S. y Norman, J. M., Environmental biophysics. Springer-Verlag, 1993.

• Jones, H. G., Plants and Microclimate. Cambridge University Press, 1992.

• Monteith, J. L., Principles of Environmental Physics, Edward Arnold, 1973.

• Seeman, J., et al., Agrometeorology. Springer-Verlag, 1979

Alcance de la Micrometeorología

• Intercambios energéticos– Flujo de calor Sensible (H)– Flujo de calor Latente (LE)– La razón de Bowen

• El flujo de momento– A escalas grandes– En la capa límite

• Intercambios de gases• Intercambios de partículas

“Flujo” y “Densidad de Flujo”• “Densidad de flujo” – por unidad de superficie• Ejemplo Radiativo – emisión

– Objeto A: cuerpo negro, 300K, dia. = 1cm– Objeto B: cuerpo negro, 300K, dia. = 10cm

• “Flujo”: integrado por toda la superficie de interés: objeto B tiene 100 veces más de flujo

• La diferencia es la superficie en cuestión

4TFb

Micrometeorología: todo se normaliza por superficie

• Nos interesan las “Densidades de flujo”• Pero somos perezosos, y no nos gusta

decir “Densidad de Flujo” miles de veces• Por ejemplo, “la densidad de flujo de

calor latente” es un parámetro de mucha interés, pero tarda demasiado en decir

• Cuando decimos “Flujo”, se entiende que estamos hablando de densidades…

Unidades y SímbolosCantidad (unidades) (densidad de)

FlujoExpresión (unidades) Símbolo

Masa (kg) Flujo de masa <wr> (Kg m-2 s-1)

-

Calor (J) Flujo de calor sensible

r Cp <wT> (J m-2 s-1)

H

Vapor de agua

(kg) Flujo de calor latente

L <wrv> (J m-2 s-1)

LE

Momento (kg m s-1) Flujo de momento

r <wu> (kg m s-1

m-2 s-1)ru*

2

Alcance de la Micrometeorología

• Intercambios energéticos– Flujo de calor Sensible (H)– Flujo de calor Latente (LE)– La razón de Bowen

• El flujo de momento– A escalas grandes– En la capa límite

• Intercambios de gases• Intercambios de partículas

Flujos Energéticos - Calor Latente y Sensible

• Los parámetros hidro-climatológicos de compartimiento (ejm: b)

• Dinámica de la capa límite• Ecophysiology (Baldocchi, IERM)

LOS FLUJOS DE ENERGÍA EN UNA SUPERFICIE IDEAL

GLEHRn

Tipos de capa límite

Marítimo ContinentalPoca variabilidad diurna

Mucha variabilidad diurna

1-2 km (3 max, quizás)

Hasta 5 km encima de desierto

Razón de Bowenbaja

Razón de Bowen alta

Importancia del estado de las holas

Importancia de la morfología (invariable) de la superficie

FLUJOS DE ENERGÍA EN UNA SUPERFICIE IDEAL

GLEHRn LEHGRn

LEH /

GLEGLELEGLEHRn )1(

b RAZÓN BOWEN

)1( GRLE n

)(1

GRH n

GHGHHGLEHRn

1

ÍNDICES ADIMENSIONALESDE USO COMÚN EN LA INVESTIGACIÓN

LEH /

)1(1

)(..

HLELEFE

RAZÓN EVAPORATIVA(EVAPORATIVE FRACTION; E.F.)

RAZÓN DE BOWEN

FLUJOS DE ENERGÍA EN UNA CAPA. CONVERGENCIA Y DIVERGENCIA DE

FLUJO

G

RN

DQ>0

HLE

G

RN

DQ<0H LE

Día Noche

CONVERGENCIA DEL FLUJO

AzzQ

AzQzzQzQAzQAzzQ

DDDD

DDD)()(

)()(

TzcAt

AzzQ

PDD

DD

Tctz

QP

Q(z)

Q(z+Dz)

DAz+Dz

z

La convergencia del flujo

Calienta la masa del volumen

FLUJOS DE ENERGÍA EN UNA CAPA

QGLEHRn D

G

RN

Az+Dz

z

Q(z)

Q(z+Dz)

Az+Dz

z

dzTct

Qz

PD D

HLE

Término residual, DQ

Hipótesis: toda la energía sirve para calentar la capa

FLUJOS DE ENERGÍA EN UN VOLUMEN DE CONTROL

QGLEHRn D

G

RN

A, V

dVTctA

QVcont

P D 1

HLE

Volúmenes de control• Biológicos

– Un cultivo– Un invernadero– Una planta o un animal– Una hoja u otro órgano

• Otros elementos de interés– Un embalse– Un parking (?)– Otro

VARIACIÓN DIARIA DEL BALANCE DE ENERGÍA

GLEHRn

---

b ~ 5

VARIACIÓN DIARIA DEL BALANCE DE ENERGÍA. LECHO SECO DE UN LAGO.

-G -G

b ~ ∞

VARIACIÓN DIARIA DEL BALANCE DE ENERGÍA. SUELO DESNUDO Y MOJADO.

H

RN

G

LE

Balance de Energía Temperaturas

b ~ 0.5

VARIACIÓN DIARIA DEL BALANCE DE ENERGÍA. CAMPO DE CEBADA

G

H

LE

b ~ 0.2

VARIACIÓN DIARIA DEL BALANCE DE ENERGÍA. DOSEL DE ABETO DOUGLAS.

G+DQ

H

LE

b ~ 1

Almería, Junio 2004

RN

H

LE

G

Gádor - Balance de Energía

-200

0

200

400

600

80018

-6 0

:00

19-6

0:0

0

20-6

0:0

0

21-6

0:0

0

Fecha/Hora

Térm

ino

del B

alan

ce (W

m-2

)

b ~ 1.5

Almería, Agosto 2004Gádor - Balance de Energía

-200

0

200

400

600

80018

-80:

00

19-8

0:00

20-8

0:00

21-8

0:00

Fecha/Hora

Térm

ino

del B

alan

ce

(W m

-2)

RN

H

LEG

b ~ 5

Importancia de la partición entre H y LE

• Cuanto más H, más caliente está la superficie– Porque H se debe a la diferencia de temperatura

superficie/aire*– Importante porque una T muy alta es mortal para

los organismos• Cuanto más LE, más se está secando la

superficie– Porque LE se debe a la diferencia de humedad

superficie/aire*– Esto permite cierto control de la parte de los

organismos (plantas)• *Luego: la relación entre flujos y gradientes

Station Locations: University of Milwaukee (Dept. of Geography)

ALTU

BBOW

BESS

FORAGOOD

HASK

LAHOLMNT

LANE

NORM

STIL

TISH

WOOD

Harvard Forest

Oak RidgeM-Monroe

Park FallsUWM Field Station

Bosques caducifolios

Flux Changes Relative to First Bloom Spring Index; Lamont, OK 1994-1998

-70 -56 -42 -28 -14 0 14 28 42 56 70Days after Spring Index First Bloom

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

Mea

n D

aily

Flu

x (W

/m2 )

Latent Heat

Sensible Heat

average firstleaf date

Flux Changes Relative to First Bloom Spring Index; Harvard Forest, MA 1992-2000

Flux Changes Relative to First Bloom Spring Index; Oak Ridge, TN 1996-2000

-70 -56 -42 -28 -14 0 14 28 42 56 70Days after Spring Index First Bloom

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

Mea

n D

aily

Flu

x (W

/m2 )

Sensible Heat

Latent Heat

average firstleaf date

average chill date

Comparativa: LE - H

-70 -56 -42 -28 -14 0 14 28 42 56 70Days after Spring Index First Bloom

-180-160-140-120-100

-80-60-40-20

020406080

100120140160

Mea

n D

aily

Lat

ent -

Sen

sibl

e Fl

ux (W

/m2 )

Oak Ridge, TNH. Forest, MALamont, OKM-Monroe, INPark Falls, WI

Control de las plantas• Si la planta suelta agua, puede bajar b

– Impide que suba mucho la T– Pierde agua

• Necesita acceso al agua subterránea– Si no, la pérdida de agua causa un estrés– Reacción fisiológica: cerrar los poros

(estomas)– Reacción drástica: morir (sequía)

• Importancia del agua para las plantas

Implicaciones para la atmósfera

• Crecimiento de la capa límite– The “Entrainment rate” is proportional to the

buoyancy flux– Depende sobre todo de la temperatura– Pequeño papel de la humedad– Alta b más crecimiento

• Energía que caliente … activa • Energía que evapora … puede estancar (ejm,

niebla marítima)

'' ve ww

Urbanización50% de la población mundial vive en un ambiente urbano

Se prevé 65% para 2025

La climatología urbana

Urban Canopy Energy Balance

Source: Oke (1987), fig 8.7

HLE

RN

Urban Canopy Water Budget

Source: Oke (1987), fig 8.7

Water Budget (p), p=E+Dr+DSw +DA+DI

DI = imported (irrigation)

Dr = runoff + waste water

DSW = stored water

Climas Urbanos• La superficie urbana difiere radicalmente del

caso rural– Propiedades radiativas, termodinámicas, y

aerodinámicas– Cambios de temperatura, humedad, precipitación,

visibilidad, flujos de calor, profundidad PBL, etc.• Penacho (“Plume”) de contaminación puede

extender hasta 100s de km con el viento

Diferencias en el balance de energía, Sub-urbano (s) y Rural (r)

Oke (1987)

DH

DRN

DG

Diferencias: s - r

DLE

Urban Heat Island Effect (UHIE)Isotermas peri-urbanos que se parecen a una isla

• .

Arya 14.5.1

Urban Heat Island Effect (UHIE)• Isotermas peri-urbanos que parecen a una isla• Procesos diabáticos y antropogénico

– Combustión de fuel– Generación de energía

• Materias artificiales – Más conducción y capacidad calorífica que las naturales– Menos albedo (asfalto)

• Las ciudades tienen menos vegetación/suelo– Menos evapotranspiración (ET)– Más escorrentía– Menos agua disponible en superficie para el

enfriamiento evaporativo• Heat island intensity: DT = Tu-Tr

Arya 14.5.1

Urban ‘Heat Island’ y Población

Thermal Image

Visible Image

Landsat Satellite Image of Salt Lake City, UT, USA

Source: NASA/EPA http://www.ghcc.msfc.nasa.gov/uhipp/urban_slc.html

UHIE Mitigation: Roof Top Gardens• reduce air temperature • reduce water drainage

problems• increase agricultural area• improve air quality• improve aesthetics• improve mental health

City Hall, Chicago, IL

City Hall, Chicago, IL

The Urban Boundary Layer (UBL)• Modified by urban heat island effect and increased surface

roughness.– Roughness island

• In calm winds, thermal effects dominate over roughness effects.• thermally induced circulation

a.k.a. mixed layer dust dome (Arya, 2001)

Arya 14.5.2

Alcance de la Micrometeorología

• Intercambios energéticos– Flujo de calor Sensible (H)– Flujo de calor Latente (LE)– La razón de Bowen

• El flujo de momento– A escalas grandes– En la capa límite

• Intercambios de gases• Intercambios de partículas

Rugosidad y fricción

El papel de la fricción a escalas grandes

• Frenar el aire

• Convergencia en las borrascas– Producción de la lluvia

– Ver video “gravity well”

El flujo de momento en la micrometeorología

• La 2ª Ley de Newton:

• Fuerza aplicada = cambio de momento

• Pregunta: ¿Con qué fuerza la superficie restringe la atmósfera?

• Contestación: El flujo de momento (densidad de flujo de fuerza)

El flujo de momento: ru*2

• La densidad del aire: r• La “velocidad de fricción”: u*

– Para la turbulencia generada mecánicamente, u* es una variable que permite modelizar muchos procesos distintos en la capa límite

– Es una de las bases de la “Teoría de Similitud” (más tarde)

Flujos de “contaminantes”: CO2

• Objetivos del Protocolo de Kyoto:– Ya se sabe: reducción de emisiones– Artículo 2.1.a.ii sobre los “sumideros”

• Protección y Aumento• Pero sin saber: ¿qué son?

– Artículo 5: hay que medir• El funcionamiento de los ecosistemas

(ecofisiología)– Fotosíntesis– Respiración

Otros flujos de interés• Emisiones

– Otros gases de efecto invernadero• Metano (CH4)• Óxido nitroso (N2O)

– Partículas• Polvo • Compuestas volátiles orgánicas (VOC)

• Deposición – Gases dañinos

• Ozono (O3)• Amoniaco (NH3)

– Partículas– Nieblas (agua, nutrientes, contaminación)

Ya