Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Non-dimensional gradient functions for water vapor and carbon dioxide in the marine boundary layer
Uppsala University, Disciplinary Domain of Science and Technology, Earth Sciences, Department of Earth Sciences, LUVAL.
2015 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
Dimensionslösa gradientfunktioner för vattenånga och koldioxid i det marina gränsskiktet (Swedish)
Abstract [en]

A better understanding of the exchange processes taking place over the oceans is of great importance since the oceans cover about 70 % of the Earth’s surface. With better knowledge the turbulent fluxes can be more accurate parameterized, which is essential in order to improve the weather- and climate models.

In this study, the non-dimensional gradient functions for water vapor (Φq) and carbon dioxide (Φc) in the marine boundary layer have principally been studied. The quality of the instrumentation used in the study has also been evaluated. The study is mainly based on tower measurements of turbulent fluxes and vertical profiles of water vapor and carbon dioxide, taken from the Östergarnsholm Island located in the Baltic Sea. The measurements have been shown to represent open-sea conditions for most situations when the winds are coming from the east-south sector, even though the measurements are obtained over land.

It was found that the best fitting non-dimensional gradient functions for water vapor during unstable conditions were Φq = 2(1–18z/L)–1/2 and Φ= 1.2(1–14z/L) –1/2 at the 10 and 26 m level on the tower, respectively. No unique relationship could be established for Φq during stable conditions.

Φshowed a dependence with wind direction and could for winds coming from the sector 80°– 160° be described with the relationship Φ= 1.2 + 10.7z/L during stable conditions. For the wind sector 50°– 80° the relationship for Φwas found to be Φq = 1.8 + 7.1z/L during stable conditions.

A high degree of scatter was apparent in the calculated values of Φc during both stable and unstable conditions and did not seem to show any Monin-Obukhov similarity behaviour. The results indicate that there might be measurement problems with the instruments measuring the turbulent fluxes of carbon dioxide, but further studies are needed in order to draw a firm conclusion about the quality of the instruments. The profile measurements of water vapor seem to work fine, but more studies of carbon dioxide are needed before a statement can be made regarding the quality of the profile measurements of carbon dioxide.

Abstract [sv]

Skiktet närmast marken kallas det atmosfäriska gränsskiktet och karaktäriseras av turbulens, dvs. oregelbundna virvelrörelser av olika storlekar som uppstår av vindens friktion mot jordytan (land eller hav) eller av luftens uppvärmning av jordytan. Genom turbulens kan utbyte av värme, vattenånga, momentum, koldioxid och andra gaser ske mellan jordytan och atmosfären.

Turbulenta utbytesprocesser i det atmosfäriska gränsskiktet är viktiga att studera för att kunna beräkna ett turbulent flöde från en yta i väder- och klimatmodeller. Genom en ökad förståelse av flödena kan dessa bli mer noggrant parametriserade (dvs. en fysikalisk process som sker på en mindre skala eller är för komplex för att kunna beskrivas i en modell förenklas genom att beskriva processen med hjälp av ett antal kända parametrar som kan upplösas i modellen), vilket är grundläggande för att kunna förbättra modellerna. Flödena beräknas med hjälp av de s.k. dimensionslösa gradientfunktionerna, vilka relaterar flödet av en viss turbulent kvantitet, t.ex. värme, momentum, vattenånga, koldioxid etc., till dess vertikala gradient. Enligt Monin-Obukhovs similaritetsteori ska funktionerna vara universella och endast bero på den atmosfäriska stabiliteten.

I denna studie har de dimensionslösa gradientfunktionerna för vattenånga (Φq) och koldioxid (Φc) i det marina gränsskiktet huvudsakligen analyserats. Kvaliteten på de instrument som har använts i studien har också utvärderats. I studien har främst data av turbulenta flöden och vertikala profiler av vattenånga och koldioxid använts som erhållits från ett torn på ön Östergarnsholm i Östersjön. Även om mätningarna sker över land har det visat sig att de för de flesta situationer när vinden blåser från sektorn ost-syd representerar likvärdiga förhållanden som gäller över öppet hav.

Resultaten visade på att uttrycken Φq = 2(1–18z/L)–1/2 respektive Φ= 1.2(1–14z/L)–1/2 bäst beskriver de dimensionslösa gradientfunktionerna för vattenånga under instabila förhållanden på mäthöjderna 10 respektive 26 m. Något unikt uttryck för Φq under stabila förhållanden kunde inte fastställas.

Φq visade ett beroende av vindriktning och kunde under stabila förhållanden beskrivas med uttrycket Φ= 1.2 + 10.7z/L för vindsektorn 80°– 160°. För vindar i sektorn 50°– 80° kunde Φq beskrivas enligt Φq = 1.8 + 7.1z/L under stabila förhållanden.

En stor spridning syntes i de beräknade värdena av Φc under både stabila och instabila förhållanden och verkade inte följa Monin-Obukhov’s similaritetsteori. Resultatet tyder på att det kan vara mätproblem med de instrument som mäter de turbulenta flödena av koldioxid, men fler studier behövs för att kunna dra en definitiv slutsats om instrumentens kvalitet. Profilmätningarna av vattenånga verkar fungera bra, men fler studier om koldioxid måste utföras innan ett uttalande angående kvaliteten på profilmätningarna av koldioxid kan göras.

Place, publisher, year, edition, pages
2015.
Series
Examensarbete vid Institutionen för geovetenskaper, ISSN 1650-6553
Keyword [en]
Monin-Obukhov similarity theory, non-dimensional gradient functions, water vapor, carbon dioxide, marine boundary layer, turbulent fluxes
Keyword [sv]
Monin-Obukhov similaritetsteori, dimensionslösa gradientfunktioner, vattenånga, koldioxid, marina gränsskiktet, turbulenta flöden
National Category
Meteorology and Atmospheric Sciences
Identifiers
URN: urn:nbn:se:uu:diva-251400OAI: oai:DiVA.org:uu-251400DiVA: diva2:806094
Educational program
Master Programme in Physics
Supervisors
Examiners
Available from: 2015-04-17 Created: 2015-04-17 Last updated: 2015-04-17Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(2837 kB)143 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 2837 kBChecksum SHA-512
73ec0de3d9ca862e1044ed9fef71b25799228bcaf358c65fd88e7a7e8f1b74f115b6091e7423a953d99a3c0f6ed715bde9079f0361572391243ccc89d11d9822
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
LUVAL
Meteorology and Atmospheric Sciences

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 143 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 529 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf