Wetenschappers ontdekken optimale koppelingshoogtes voor verbeterde modellering van oppervlakte-atmosfeer
Optimale koppelhoogtes voor land-atmosfeer modellen ontdekt
De optimale koppelhoogtes tussen land en atmosfeer voor modellen van het aardse systeem bevinden zich meestal nabij de top van de oppervlaktelaag. Deze bevinding biedt een mogelijke richtlijn voor het instellen van geschikte referentiehoogtes voor aardse systeemmodellering.
Weer-, klimaat- en hydrometeorologievoorspellingen vereisen nauwkeurige gekoppelde modellering van het oppervlak en de atmosfeer. Dit vereist het gebruik van juiste koppelhoogtes bij het berekenen van oppervlakteturbulente fluxen, oftewel de uitwisselingen van warmte, vocht en momentum tussen het aardoppervlak en de dunne luchtlaag nabij het oppervlak, die de oppervlaktelaag wordt genoemd.
Traditioneel hebben modellen van aardse systemen (ESM’s) een arbitrair ingestelde hoogte in deze laag gebruikt als referentiehoogte, gewoonlijk tussen de 10 en 50 meter, om oppervlaktfluxen te berekenen. Echter, de impact van referentiehoogtes op de interacties tussen het oppervlak en de atmosfeer heeft niet veel aandacht gekregen, en de optimale hoogte is onbekend.
Onlangs heeft een team van atmosferische wetenschappers van de Sun Yat-sen Universiteit en de Universiteit van Arizona dit probleem aangepakt en ontdekt dat meer representatieve referentiehoogtes betere schattingen van oppervlakteturbulente fluxen bieden en daarmee betere voorspellingen van ESM’s.
Het onderzoek is prominent in het tijdschrift Advances in Atmospheric Sciences gepubliceerd.
“We wilden weten of er optimale referentiehoogtes zijn voor het schatten van oppervlaktfluxen met behulp van de huidige theorie van de oppervlaktelaag,” zei Shaofeng Liu, universitair docent aan de School of Atmospheric Sciences van de Sun Yat-sen Universiteit en eerste auteur van het onderzoeksartikel.
Om dit te doen, heeft het team bepaald hoeveel de windgradiënt, berekend met een gegeven referentiehoogte, verschilt van de werkelijke gradiënt. De afwijking werd vervolgens gebruikt om een nieuwe referentiehoogte te schatten totdat de afwijking dicht bij nul lag.
Dit iteratieve proces stelde het team ook in staat om de optimale hoogte te bepalen en de afhankelijkheid van de schattingen van oppervlaktfluxen van de referentiehoogte te kwantificeren. De resultaten bleken robuust, ongeacht of de onderzoekers de klassieke of hun eigen herziene theorie van de oppervlaktelaag gebruikten.
“De berekening van grondoppervlaktefluxen in modellen van het aardse systeem is afhankelijk van de referentiehoogte. Deze hoogte wordt meestal ingesteld op het laagste niveau in de atmosfeer, variërend van enkele meters tot tientallen meters. We vinden dat referentiehoogtes nabij de top van de oppervlaktelaag de beste schatting van oppervlaktfluxen opleveren,” zei Liu.
De momentumflux, die de snelheid weergeeft waarmee momentum, of het product van windsnelheid en luchtmassa, per tijdseenheid tussen de atmosfeer en het aardoppervlak wordt overgedragen, werd bijzonder beïnvloed. Ook de berekening van de warmteflux, die de overdracht van warmte tussen het aardoppervlak en de atmosfeer vertegenwoordigt, werd verbeterd.
“We hopen dat deze studie richtlijnen zal bieden voor het instellen van de juiste referentiehoogtes voor aardse systeemmodellering,” aldus mede-auteur Yongjiu Dai, professor aan de School of Atmospheric Sciences van de Sun Yat-sen Universiteit.
“Deze resultaten moeten ook verder worden geverifieerd met behulp van observatiedata van observatoria voor land-atmosfeer feedback,” voegde mede-auteur Xubin Zeng, professor aan de Universiteit van Arizona, toe.
In de toekomst hoopt het team ook de schattingen van referentiehoogtes te optimaliseren voor de nieuwste modeltoepassingen, inclusief hoog-resolutie aardse systeemmodellering die meerdere rasterniveaus in de oppervlaktelaag omvat.
