惑星境界層

この動画は、ロサンゼルス盆地における 1 か月間の PBL と風のダイナミクスを組み合わせた視覚化です。PBL の垂直方向の動きは、灰色の「ブランケット」で表されます。PBL の高さは、主に地球の表面温度の変化 (たとえば、日中は上昇し、夜間は下降する) に伴う対流によって決まります。色付きの矢印は、さまざまな高度での風の強さと方向を表します。

気象学では、惑星境界層( PBL ) は大気境界層( ABL ) またはペプロスフィアとも呼ばれ、大気の最下部であり、その挙動は惑星表面との接触によって直接影響を受けます。^[1]地球上では、通常、表面放射強制力の変化に1 時間以内に反応します。この層では、流速、温度、湿度などの物理量が急激に変動し (乱流)、垂直混合が強くなります。PBL より上は「自由大気」であり、^[2]ここでの風はほぼ地衡風( 等圧線に平行 ) ですが、^[3] PBL 内では風は表面抵抗の影響を受け、等圧線を横切って方向を変えます(詳細についてはエクマン層を参照)。

地表風勾配の原因

通常、空気抵抗により、地球表面から約 100 メートル上空の風の流れには風勾配があり、これは惑星境界層の表層です。風速は、滑りのない状態^[4]によりゼロから始まり、地上からの高さが増すにつれて増加します。^[5]地表近くの流れは、風速を低下させる障害物に遭遇し、流れの主方向に対して直角にランダムな垂直方向と水平方向の速度成分を導入します。^[6] この乱流により、あるレベルで水平に移動する空気と、そのすぐ上と下のレベルの空気との間で垂直混合が起こり、汚染物質の拡散^[7]や土壌浸食^[8]に重要です。

地表付近での速度の低下は地表の粗さの関数であるため、風速プロファイルは地形の種類によって大きく異なります。^[5]粗い地面や不規則な地面、地上の人工障害物は地衡風速を40%～50%低下させる可能性があります。^[9]^[10]開水面や氷上では、低下は20%～30%にとどまる場合があります。^[11]^{[12]これらの影響は}風力タービンの設置場所を決定する際に考慮されます。^[13]^[14]

工学的目的のために、風勾配は、表面の種類に基づいて一定の指数係数を持つべき乗法則に従って変化する垂直速度プロファイルを示す単純なせん断としてモデル化されます。表面摩擦が風速にほとんど影響を与えない地上からの高さは「勾配高さ」と呼ばれ、この高さ以上の風速は「勾配風速」と呼ばれる定数であると想定されます。^[10]^[15]^[16]たとえば、予測される勾配高さの一般的な値は、大都市では457 m、郊外では366 m、開けた地形では274 m、外海では213 mです。^[17]

べき乗法則の近似は便利ですが、理論的根拠はありません。^[18]温度プロファイルが断熱的である場合、風速は高度とともに対数的に変化するはずです。^[19] 1961年に開けた地形で行われた測定では、100メートル程度（表面層内）までは対数近似とよく一致し、1000メートルまでの平均風速はほぼ一定でした。^[20]

風のせん断は通常3次元的であり、[ 21 ^]つまり、「自由な」圧力勾配駆動の地衡風と地面近くの風の間でも方向が変わります。^{[22]これは}エクマン螺旋効果に関連しています。表面近くの転向した地衡風の等圧線交差角は、開水面上で10°、起伏の多い丘陵地帯上で30°の範囲で、風速が非常に低い夜間には陸上で40°～50°に増加することがあります。^[12]

日没後、安定度が増すにつれて地表付近の風勾配は増加する。^[23] 夜間に放射冷却によって生じる大気の安定は乱流渦を垂直方向に制約する傾向があり、それによって風勾配が増加する。^[8]風勾配の大きさは天候、主に大気の安定度と対流境界層または逆転層の高さに大きく左右される。この影響は海上ではさらに大きく、陸上よりも境界層の高さの日変化がはるかに少ない。^[24] 対流境界層では、強い混合によって垂直方向の風勾配が減少する。^[25]

夜間および昼間の条件

惑星境界層は昼と夜で異なります。昼間は、夜間に形成された逆転層が、加熱された空気の乱流上昇の結果として崩壊します。 ^[26]境界層は「日没直前」に安定し、夜間もその状態が続きます。^[26]これらすべてが 1 日のサイクルを構成します。^[26]冬や曇りの日には、夜間の層の崩壊は不完全で、前日に確立された大気の状態が持続することがあります。^[26]^[27]夜間の境界層構造の崩壊は晴れた日に速くなります。^[27]推進力は、狭い上昇気流領域と広い緩やかな下降気流領域を持つ対流セルです。^[27]これらのセルの直径は 200～500 m を超えます。^[27]

構成層

ナビエ・ストークス方程式が示唆するように、惑星境界層の乱流は、最も速度勾配が大きい層、つまり地表に最も近い層で発生します。この層は、通常、表面層と呼ばれ、PBL の総深さの約 10% を占めます。表面層より上では、PBL 乱流は徐々に消散し、摩擦によって運動エネルギーが失われるとともに、密度成層流で運動エネルギーが位置エネルギーに変換されます。乱流運動エネルギーの生成速度とその消散のバランスによって、惑星境界層の深さが決まります。PBL の深さは幅広く変化します。特定の風速 (たとえば 8 m/s) および特定の乱流生成速度では、冬季の北極の PBL は 50 m ほど浅く、中緯度の夜間の PBL は一般に 300 m の厚さになり、貿易風帯の熱帯の PBL は理論上の最大深さである 2000 m まで成長します。砂漠の上空では、午後遅くに PBL 深度が 4000 メートル以上になることがあります。

惑星境界層は、表面層に加えて、PBLコア(PBL 深度の 0.1 ～ 0.7) と PBL 上部またはエントレインメント層またはキャッピング反転層(PBL 深度の 0.7 ～ 1) で構成されます。PBL 深度とその平均垂直構造は、主に 4 つの外部要因によって決まります。

自由大気の風速。
表面熱（より正確には浮力）バランス。
自由大気の密度成層;
自由大気の垂直風せん断または傾圧。

主なタイプ

対流惑星境界層 (CBL)

対流性惑星境界層は、表面での正の浮力フラックスによって熱不安定性が生じ、それによって追加の乱流、または場合によっては大きな乱流が発生する惑星境界層の一種です。(これは、CAPE または対流有効位置エネルギーを持つこととしても知られています。大気対流を参照してください。) 対流性境界層は、昼間の熱帯および中緯度でよく見られます。水蒸気の凝結から放出される熱によって促進される太陽熱によって、非常に強い対流乱流が発生する可能性があり、自由対流層が対流圏界面(地球の大気における対流圏と成層圏の境界)までの対流圏全体(熱帯収束帯内の 10 km から 18 km の位置) を占めることになります。

安定成層惑星境界層 (SBL)

陸地と大気境界層が結合したシステムにおける炭素 (緑)、水 (青)、熱 (赤) の循環の相互作用。沈下により大気境界層の高さが低くなると、気温が上昇し、水分が減少し、CO ₂が枯渇します。これは、下層の水分の損失を補うために、蒸発散 (土壌からの蒸発と植物からの蒸散) が増加するという地表生態系の反応を示していますが、徐々に土壌が乾燥します。 (出典: Combe, M., Vilà-Guerau de Arellano, J., Ouwersloot, HG, Jacobs, CMJ, and Peters, W.: Two perspectives on the combined carbon, water and energy exchange in the planetary boundary layer, Biogeosciences, 12, 103–123, .https://doi.org/10.5194/bg-12-103-2015, 2015)

SBL は、地表での負の浮力フラックスが乱流を弱めるときの PBL です。対流抑制を参照してください。SBL は風せん乱流によってのみ駆動されるため、自由大気の風がなければ SBL は存在できません。SBL は、あらゆる場所で夜間に発生するのが一般的で、地表が上空の空気よりも冷たい場所では昼間でも発生します。SBL は高緯度で特に重要な役割を果たし、長期間 (数日から数か月) 続くことが多く、その結果、非常に冷たい気温になります。

惑星境界層の力学と微物理学を支配する物理法則と運動方程式は、非常に非線形であり、地球表面の特性と自由大気中のプロセスの進化によって大きく影響されます。この複雑さに対処するために、一連の乱流モデリングが提案されています。ただし、それらは実際の要件を満たすほど正確ではないことがよくあります。ラージエディシミュレーション技術を PBL 関連の問題に適用することで、大幅な改善が期待されます。

おそらく、大気モデル（大気モデル相互比較プロジェクト）における PBL の正しい表現に大きく依存する最も重要なプロセス（^{[説明が必要]）は、水分（}蒸発散）と汚染物質（大気汚染物質）の乱流輸送です。境界層の雲は、貿易風、水循環、エネルギー交換に影響を与えます。

参照

参考文献

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外部リンク

theweatherprediction.com における惑星境界層の説明
アメリカ気象学会用語集

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[FOOTNOTEFoken20177-26] Foken 2017、p.7。

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