Fysik parameterisering. Lisa Bengtsson, SMHI FoUp

Relevanta dokument
Vädrets makter. Föreläsning 6 Djup konvektion, superceller och tromber Tropisk meteorologi och orkaner Väderprognoser

Vädrets Makter! Föreläsning 8 - Lokalväder. Vädrets makter: Lokalväder. Per Axelsson

Kapitel 5. Atmosfärens cirkulation

Energitransport i biologiska system

Dugga i Meteorologi, hydrologi och miljömätteknik den 22 sept 2014 kl

Temperatur T 1K (Kelvin)

Vad är vatten? Ytspänning

Emissioner, meteorologi och atmosfärskemi

Växthuseffekten och klimatförändringar

A. Expansion -> Volymen ökar. Arbete utförs av paketet. Energi tas från paketet -> Temperaturen sjunker! 9/14/10

Växthuseffekten. Vi lägger till en förenklad atmosfär i våra beräkningar

Namn: Fysik åk 4 Väder VT Väder Ex. Moln, snö, regn, åska, blåst och temperatur. Meteorologi Läran om vad som händer och sker i luften

Värme och väder. Prov v.49 7A onsdag, 7B onsdag, 7C tisdag, 7D torsdag

Repetition. Termodynamik handlar om energiomvandlingar

Nederbörd. VVRA05 Vatten 1 Feb 2019 Erik Nilsson, TVRL

Klimatet i Skandinavien

Fotosyntesen. För att växterna ska kunna genomföra fotosyntesen behöver de: Vatten som de tar upp från marken genom sina rötter.

Meteorologi - Grunder och introduktion - Meteorologiska modeller och prognoser

Fysik C & D Projekt i klimatfysik

Marcus Löfverström

Ch. 2-1/2/4 Termodynamik C. Norberg, LTH

Vilket väder vi har med tonvikt på nederbörd

Flervalsfrågor

Kap 3 egenskaper hos rena ämnen

Meteorologi. Läran om vädret

Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

Värmelära. Värme Fast Flytande Gas. Atomerna har bestämda Atomerna rör sig ganska Atomerna rör sig helt

18. Fasjämvikt Tvåfasjämvikt T 1 = T 2, P 1 = P 2. (1)

HYDRAULIK Grundläggande ekvationer III

Termodynamiska potentialer Hösten Assistent: Frans Graeffe

Kraft, tryck och rörelse

Modeller för små och stora beslut

Planering Fysik för V, ht-10, lp 2

FFM234, Klassisk fysik och vektorfält - Föreläsningsanteckningar

Miljöfysik. Föreläsning 2. Växthuseffekten Ozonhålet Värmekraftverk Verkningsgrad

Klimatsimuleringar. Torben Königk, Rossby Centre/ SMHI

Havsytan och CO 2 -utbytet

Termodynamik FL1. Energi SYSTEM. Grundläggande begrepp. Energi. Energi kan lagras. Energi kan omvandlas från en form till en annan.

Grundläggande om krafter och kraftmoment

Klimat- Modellering och Beräkningar. Marco Kupiainen. KTH, 3 oktober Rossby Centre, SMHI. Matematiska institutionen, Linköpings Universitet

Peter Berg, SMHI Vattenstämman, Örebro Vilka skyfall skall vi förbereda oss på?

Föreläsning 2 Vädrets makter

Fysik (Ö) Bestäm hur mycket av luften som finnas under 20 km, 15 km, 10 km och 5 km genom 2 / p(h) = p 0 e mgh

MOLN OCH GLOBAL UPPVÄRMNING

Fysik. Ämnesprov, läsår 2012/2013. Delprov A. Årskurs. Elevens namn och klass/grupp

Planering Fysik för V, ht-11, lp 2

Nedisningsprognoser för vindkraft. Vintervind mars 2008 i Åsele

Sensorer, effektorer och fysik. Mätning av flöde, flödeshastighet, nivå och luftföroreningar

Materia Sammanfattning. Materia

Alice och världens väder

Hydrodynamik Mats Persson

Strömning och varmetransport/ varmeoverføring

Från Experimentskafferiet, Sigtuna kommun. Av Ludvig Wellander.

PTG 2015 övning 3. Problem 1

Hur förändras den ideala gasens inre energi? Beräkna också q. (3p)

Värme och väder. Solen värmer och skapar väder

Termodynamik Föreläsning 3

Strömning och varmetransport/ varmeoverføring

MV0192. Deltentamen i markfysik

Tentamen i Termodynamik för K och B kl 8-13

Termodynamik Av grekiska θηρµǫ = värme och δυναµiς = kraft

Kap 12 termodynamiska tillståndsrelationer

Se på när färg torkar

Topparna kommer alltså efter ett starkt regn, och består mest av grundvatten, men naturligvis även av nederbörd.

FÖR DE NATURVETENSKAPLIGA ÄMNENA BIOLOGI LÄRAN OM LIVET FYSIK DEN MATERIELLA VÄRLDENS VETENSKAP KEMI

Meteorologi, hydrologi och miljömätteknik W3 Inst för Geovetenskaper Ht 2014 A Rodhe/M Mohr

Igor Zozoulenko TNBI28 Föreläsningsanteckningar HYDROLOGI

HYDRAULIK (ej hydrostatik) Sammanfattning

Lösningar/svar till tentamen i MTM119 Hydromekanik Datum:

mg F B cos θ + A y = 0 (1) A x F B sin θ = 0 (2) F B = mg(l 2 + l 3 ) l 2 cos θ

Förslag den 25 september Fysik

Värme, kyla och väder. Åk

Kemi. Vatten och Luft

Om trycket hålls konstant och temperaturen höjs kommer molekylerna till slut att bryta sig ur detta mönster (sublimation eller smältning).

METEOROLOGI Nr 154, Luftfuktighet. Variationer i Sverige. Lennart Wern

Frågeställningar vid vindkartering: Var blåser det? Varför blåser det som det gör?

Väderlära: Luftmassor & fronter, lågtryck & högtryck, åska. Marcus Löfverström

Svenska fysikersamfundet 1 oktober. Klimat- och väderprognoser i relation till gymnasiefysikens ämnesplan

Vad är värme? Partiklar som rör sig i ett ämne I luft och vatten rör partiklar sig ganska fritt I fasta ämnen vibrerar de bara lite

Vätskans densitet är 770 kg/m 3 och flödet kan antas vara laminärt.

Transportfenomen i människokroppen

FAFF35 Medicinsk Fysik

Repetition F9. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Svar och anvisningar

GÖTEBORGS UNIVERSITET Institutionen för fysik LÖSNINGAR TILL TENTAMEN I MEKANIK B För FYP100, Fysikprogrammet termin 2

vatten - en (o)ändlig resurs Vattenpaketet Fördjupningstext moment 1

6 Tryck LÖSNINGSFÖRSLAG. 6. Tryck Tigerns tryck är betydligt större än kattens. Pa 3,9 MPa 0,00064

Lektion 5: Innehåll. Bernoullis ekvation. c 5MT007: Lektion 5 p. 1

Idealgasens begränsningar märks bäst vid högt tryck då molekyler växelverkar mera eller går över i vätskeform.

Statistisk kartläggning av dimma längs E4:an mellan Helsingborg och Jönköping

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 14-19

Vattenångans partialtryck delat med vattenångans maximala ångtryck vid rådande lufttemperatur (mättnadsångtryck) (1 p)

Värmelära. Fysik åk 8

Kap 3 egenskaper hos rena ämnen

Ett inspirationshäfte för att barn ska få en förförståelse

Instuderingsfrågor med svar inför prov om:

PTG 2015 Övning 4. Problem 1

Energiomställning utifrån klimathotet

Sensorer, effektorer och fysik. Mätning av töjning, kraft, tryck, förflyttning, hastighet, vinkelhastighet, acceleration

Linnéuniversitetet Institutionen för fysik och elektroteknik

Transkript:

Fysik parameterisering Lisa Bengtsson, SMHI FoUp

Varför parameterisering Fysikaliska processer som är mindre än modellens gridavstånd beskrivs som funktion av de storskaliga variablerna U, V, W, T, q, p. 1. Den totala effekten av dessa subgrid processer påverkar den totala utvecklingen av de upplösta modellekvationerna. 2. Det finns väder på sub grid skalan som är av intresse för meteorologen. T.ex stratocumulus moln, regn/snö, dimma

Viktiga fysikprocesser T, q i, U, V, tke Termodynamisk anpassning/moln Strålning Marken T q Konvektion Turbulens Mikrofysik U,V q

Moln

Vattenånga och dess termodynamiska effekt I atmosfären finns vatten i alla tre faser: fast, flytande och gas. I gasform följer vattenånga den allmänna gaslagen. e = ρ $ R $ T e = ångtryck (hpa) Vattenånga och luft Vatten Vid en viss temperatur uppstår jämvikt mellan avdunstning och kondensation. Utrymmet med vattenånga och luft sägs då vara mättat. Trycket som uppstår pga vattenångan vid mättnad kallas mättnadsångtryck (saturation vapour pressure). Termiskt sluten behållare

Clausius Clapeyron förhållandet Mättnadsångtrycket beror enbart på temperaturen. Det leder till en viktig differentialekvation kallad Clausius Clapeyron ekvationen: '( ) '* = +( ), - *. q 0 T, p = ε ( )(*) 6 Saturation specific humidity (kg/kg)

Moln Anta att det finns en inhomogen fördelning av vattenånga och temperatur inom en gridruta. Delar av gridrutan bli mättad och bildar moln om den relativa fuktigheten överstiger ett angivet kritiskt värde. Moln kan alltså bildas även om medelvärdet av gridrutans relativa fuktighet är mindre än 100%, och molnfraktionen i gridrutan blir ett värde mellan 0 och 1.

Viktiga fysikprocesser T, q i, U, V, tke Termodynamisk anpassning/moln Anpassad T, q, molnfraktion Strålning Marken T q Konvektion Turbulens Mikrofysik U,V q

Strålning Totalt sett blir detta en strålningsbudget som i genomsnitt är Större för markytan än för atmosfären Större för låga latituder än för höga

Strålning Det vi vill beskriva i en strålningsparameterisering är: Lång och kortvågig strålningstransport för en atmosfär med och utan moln (med och utan aerosoler). Strålningsutbytet vid marken. Hur den vertikala och horisontella fördelningen av molnfraktion och molnvatten påverkar strålnings flöden.

Viktiga fysikprocesser T, q i, U, V, tke Termodynamisk anpassning/moln Anpassad T, q, molnfraktion Strålning Kort och långvågiga flöden Marken T q Konvektion Turbulens Mikrofysik U,V q

Markparameterisering Marken är ett nedre randvillkor i den numeriska vädermodellen. Beskriva flödet mellan mark och atmosfär. För att göra det behöver man beskriva processer nära, på, och under markytan. Ge input till strålningsschemat (albedo, emissivity, Ts). Exempel: Det latenta flödet från mark till atmosfär innebär att den energi som åtgår för att avdunsta vatten på markytan, återfås senare i atmosfären då vattenångan kondenserar högre upp i atmosfären, s.k. konvektion (cumulusmoln). Exempel på inhomogen fördelning av fysiografi i en gridruta

SURFEX ECOCLIMAP

Markparameterisering

Viktiga fysikprocesser T, q i, U, V, tke Vertikal omblandning Ts, Albedo Emis Termodynamisk anpassning/moln Anpassad T, q, molnfraktion Strålning Kort och långvågiga flöden Marken T,q,u,v föden Konvektion Turbulens Mikrofysik T q U,V q

Konvektion Med konvektion i atmosfären menas: termiskt driven cirkulation, som uppstår då tyngdkraften verkar på en instabil vertikal fördelning av massa. Spontan Forcerad Buoyancy driven (Arkimedes princip) Den uppåtriktade kraften beror främst på lokala densitetsvariationer Icke Buoyancy driven Den uppåtriktade kraften beror främst på den dynamiska tryckgradient

Arkimedes princip Ett föremål nedsänkt i vätska påverkas av en uppåtriktad kraft, som är lika stor som tyngden av den undanträngda vätskan Den uppåtriktade kraften kallas buoyancy

Konvektion Tidsderivata för vertikalhastighet '< = ρ @6 A '= @B g CD CE p = p + p D ρ = ρ + ρ Buoyancy B g ρ ρ B g( T T; ) Tryckgradient p D ρ z Buoyancy fluid Vg ρ JKL ρ MNOP' Tyngdkraft, ρvg obj Vg

Spontan konvektion Resulterande kraft: ρ MN Vg ρ JKL Vg = ρ MN ρ JKL Vg Den resulterande kraften är uppåtriktad om ρ MN > ρ JKL Den resulterande kraften är nedåtriktad om ρ JKL > ρ MN

Convective Available Potential Energy (CAPE) CAPE är mängden energi ett luftpaket skulle ha, om den hävdes enligt den gröna kurvan. CAPE är positiv buoyancy av ett luftpaket och en indikator av ostabil skiktning.

Konvektion

Massflöde Storskaligt flöde w φ = K φ; z + M O(φ O φ;) z M O = σ O w O

Exempel konvektion

Viktiga fysikprocesser T, q i, U, V, tke Konv. molnfraktion Ts, Albedo Emis Termodynamisk anpassning/moln Anpassad T, q, molnfraktion Strålning Kort och långvågiga flöden Marken T,q,u,v föden Konvektion Turbulens Mikrofysik T q U,V q

Turbulens

To predict turbulence, is to predict something that can't be predicted by definition! Chuck Leith

Turbulens Vår uppgift består i att beräkna det vertikala turbulenta utbytet av värme, fuktighet och rörelsemängd. Som undre randvillkor används markflödet av sensibelt och latent värme, och momentumflödet på grund av den turbulenta friktionen. I vertikal led löser vi sedan värmeledsekvationen, där värmeledskoefficienten ersätts med den turbulenta utbyteskosefficienten, K.

Viktiga fysikprocesser T, q i, U, V, tke Konv. molnfraktion Ts, Albedo Emis Termodynamisk anpassning/moln Anpassad T, q, molnfraktion Strålning Kort och långvågiga flöden Marken T,q,u,v föden Konvektion Turbulens Mikrofysik T q U,V tke

Mikrofysik I mikrofysikschmeat vill vi beskriva processerna för Molnbildning Igångsättandet av nederbörd Avdunstning av moln och nederbörd. För att göra det behöver vi beskriva fasövergången mellan vattenånga och molnkondensat (molndroppar) samt iskristaller.

Mikrofysik Nästa steg är att beskriva processer: Bildning av regn/snö/hagel från molndroppar och iskristaller Hur dessa advekteras och faller genom modellnivåerna Hur molndroppar/iskristaller/nederbörd avdunstar eller sublimeras. Vi representerar molndroppar, iskristaller, regn, kornsnö, snö och hagel med olika storleksspektrum som är karaktäriserade av modellparametrar så som massa (blandningsförhållande).

Mikrofysik

Mikrofysik Oändlig datorkraft, och perfekt kunskap: Följ varje enskild aerosol och partikel historik, läge, storlek, form, massa, etc. Men, vi har mindre kunskap, och mindre datorer: Dela upp dropparna i olika kategorier av fast/flytande form, och beskriv dem som funktion av olika stroleksspektra. Dessa är i sin tur karaktäriserade av parametrar så som medelvärdet av massan i en gridruta, och/eller nummer koncentration.

Viktiga fysikprocesser T, q i, U, V, tke Konv. molnfraktion Ts, Albedo Emis Nederbörd till marken Termodynamisk anpassning/moln Anpassad T, q, molnfraktion Strålning Kort och långvågiga flöden Marken T,q,u,v föden Konvektion Turbulens Mikrofysik T q U,V tke

Turbulens w φ = K φ; z + M O(φ O φ;) z Exempel, byt ut phi mot T: Konvergensen av flödet är proportionell mot krökningen av profilen => utjämning Verikaldiffusionen är extremt icke linjär!! OBS! Horisontell diffusion endast en numerisk process p.g.a. H<<L. Dvs. Ingen fysik!