Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
48
Добавлен:
15.04.2015
Размер:
1.06 Mб
Скачать

Heat fluxes in the atmosphere

Heat to the atmosphere comes mainly from the underlying surface. Processes responsible for the heat transfer are:

Eddy flux

Convective flux

 

L.w. radiation

Evaporation

L.w. radiation

1

Climate_Change_Attribution.

2

Heat flux notion

The quantity сpT being transferred by the air parcels in a unit of time through a unit of area facing the

transfer direction is called HEAT FLUX.

There are convective heat flux and eddy heat flux.

Convective heat flux, in turn, is divided into advective one (horizontal heat transfer) and real convective

(vertical heat transfer).

In meteorology, the horizontal heat flux is called advective flux (Qa), and the vertical one is called

convective flux (Qc).

3

Convective and advective heat fluxes

Q

 

cp CT

C

 

kg m

 

 

kg

 

 

 

w

 

C

 

Q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

s

 

 

 

 

 

 

m

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m s

 

 

 

Qc

 

 

 

J

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q

 

 

J

 

 

kg

K

J

 

 

 

Qa

C

1m²

 

kg K

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

kg K m

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q c

p

wT

 

Qa cp CT

 

 

 

 

 

 

 

 

c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Any air particle contains some amount of heat. When moving, it carries this heat along. By this way the heat is distributed in the atmosphere. However, that is not the only way for the heat distribution. Not less effective way is EDDY MIXING (EXCHANGE)

Incoming heat flux is positive, outgoing flux is negative.

4

 

Eddy heat flux

Eddy heat flux is caused by wind velocity pulsation

General conditions for eddy exchange

Permanency

Conservation

Passivity

Quantity сpTdoes not satisfy this conditions. Air temperature changes as the air ascending or descending. However, potential temperature satisfy.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q c

 

A

 

c

K

 

a

E

p

 

z

p

 

z

z

 

QE cp K a

5

с* с с'

 

Qa cp c T

103 101 100 104

 

с* с с'

 

QE cp k a

103 101 10 1 103

 

 

w* w w'

 

Qc cp w T

 

103 10 2 100 101

 

 

cp

103

 

a

10 1

 

 

 

cp 103 100 103

 

 

ρ

100

 

 

w

10 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c

101

 

 

Qa

104

 

 

 

 

The strongest flux

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

100 C

 

QE

103

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

101

 

 

Qc

101

 

 

 

 

The weakest flux

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Along with vertical eddy flux there are horizontal fluxes.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

At the same level

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

QEx cp K '

 

 

 

 

 

 

T

 

 

 

 

Q c K '

 

 

 

T

 

 

6

 

 

x

 

 

Ey

p

y

 

x

x

y

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Eddy heat exchange differs from that of other substances. Coefficients A and K (for eddy heat exchange) are called coefficient of eddy heat conductivity and temperature conductivity respectively.

As the stratification is stable ( a ) eddy heat flux directed downward QE 0

As the stratification is unstable ( a ) eddy heat flux directed upward QE 0

Heat influx (outflow) notion

Heat influx = incoming heat flux – outgoing heat flux

HI Q Q

 

Q

Q

 

Q

 

 

 

Heat outflow

 

 

 

 

 

 

 

 

Q

Heat influx

 

7

Individual and local (partial) derivatives

When an air parcel moves, its state parameters are not necessarily constant; they are function of coordinates and time.

F F x, y, z, t

For the moving parcel, the coordinates, in turn, are functions of time.

x x t ; y y t ; z z t

dx

u; dy

v; dz

w

 

 

 

 

dF

dt

dt

dt

 

 

z

y

F F dx F dy F dz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x Local derivative

dt

t

x dt

y dt

z dt

 

 

 

dF

F

u

F

v

F

w

F

dt

t

 

x

 

y

 

z

Convective derivative

Advective derivative

Individual derivative

8

Energy equation

Temperature variation is of prime interest for meteorologists. It depends on heat influx. It can be determined on the base of the energy conservation equation.

dq cp dT

 

RT dP

Heat influx:

dq

E r ph k

dt

dt

 

P dt

dt

 

J

 

1m2

(Q dQ)z

 

Qz Q dQ z dQz

 

Heat influx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

kg s

 

 

z dz

 

dQz Qz dz

 

 

 

 

unit

 

 

 

 

 

E r ph k

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

Qz Mass of the volume is 1 m2 dz dm

 

 

 

 

 

 

dQz

dQz

1

Qz dz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dm

dz

z dz

 

 

9

dQz dQz 1 Qz dm dz z

The same reasoning can be applied for horizontal heat fluxes

 

1

 

Q

x

Qy

 

Q

 

 

 

 

 

 

 

z

divQ

 

 

 

 

 

 

x

y

 

 

 

 

 

 

z

 

Q

 

c A'

Q

 

 

QE

 

cp A'

Q

 

 

QE z cp A

Q

 

 

y

 

z

 

 

y

 

 

x

 

 

E

x

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сp

 

 

 

 

Q

x

 

 

Qy

 

 

 

Q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A'

 

 

 

A'

 

 

 

 

 

 

A

 

 

z

Eddy heat influx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

x

y

 

 

y

 

z

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Since the horizontal exchange is much smaller the vertical one, for practical purposes this formula can be simplified

 

сp

 

A

Qz

cp

 

K

Qz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

z

z

z

10

 

 

 

 

 

 

dq

 

dT

 

RT dP

 

 

 

dP

 

P

 

u

 

P

v

P

w

P

dt cp dt

 

P dt

 

 

 

dt

t

 

 

 

x

y

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆t

10

 

 

s

V

10

 

m/s

P 10

2

 

10 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆P

102

 

Pa

W

10 2

m/s

t

 

104

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 102

 

 

 

 

 

∆Pz

104

 

Pa

∆x

105

m

 

 

P

 

 

 

P

 

 

 

 

2

 

∆T

100

 

 

K

∆y

105

m

u

x

v

 

y

 

10 105 10

 

 

 

∆Tz

 

1

 

 

K

∆z

 

3

m

w

P

10

2 104

 

1

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

10

 

 

z

 

 

 

103 10

 

 

 

 

 

 

 

dP

w

P

 

 

All members of this

dT

T

 

 

 

 

 

 

T

 

T

 

 

 

 

T

dt

z

 

formula have the same

 

dt

t

 

 

 

u x v y w z

 

 

 

order of magnitude

 

 

 

 

 

Substituting

and

 

 

 

T

 

100

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

104

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

100

 

 

 

 

 

 

into energy equation, we

 

 

u

T

v

T

 

 

1

10

4

 

 

 

 

 

 

obtain

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

5

 

 

 

 

 

See the next slide

 

 

 

 

x

 

 

y T

 

102 101

10

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

w

z

10

 

103

11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

u

T

v

T

w

T

 

RT

w

P

E r ph k сp

t

x

y

 

P

z

 

 

 

 

z

 

 

(

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

)

 

 

1

 

 

 

T

u

T

v

T

w

 

T

 

 

 

RT

w

P

E

 

r

 

ph

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cp

 

 

t

 

 

x

 

y

 

 

 

z

 

 

сp P z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

This quantity is

 

 

RT w

P w

RT g w gRT

 

P

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

neglected

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

small and can be

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сp P z

 

 

cp P

 

 

 

cp P RT

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

E

 

 

K

 

 

 

 

T

w a w a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cp

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

w z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

After substituting into the basic equation

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

and solution with respect to

T

, we obtain

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

 

 

 

T

 

 

 

 

 

T

 

w

 

 

 

 

 

 

 

 

r ph

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

v

 

 

 

 

 

 

K

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

z

 

 

z

 

 

 

 

cp

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

T

 

T

w

 

 

 

 

r ph

 

u

 

v

 

 

K

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

x

 

 

a

z

 

z

 

cp

 

 

y

 

 

 

T

 

T

v

T

 

 

u

 

 

 

x

 

 

 

t ad

 

 

y

Air temperature variation due to advection

 

 

T

w a

 

 

 

 

 

t w

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

 

 

K

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

z

 

 

 

 

 

t E

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

r

ph

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cp

 

 

 

t r, ph

 

 

 

 

Air temperature variation due to vertical motion

Air temperature variation due to eddy mixing

Air temperature variation due to radiation and water phase transfer

13