Boundary Layer Meteorology - NMET002

• Title: Fyzika mezní vrstvy
• Guaranteed by: Department of Atmospheric Physics (32-KFA)
• Faculty: Faculty of Mathematics and Physics
• Actual: from 2022
• Semester: winter
• E-Credits: 5
• Hours per week, examination: winter s.:3/1, C+Ex [HT]
• Capacity: unlimited
• Min. number of students: unlimited
• Virtual mobility / capacity: no
• State of the course: taught
• Language: Czech, English
• Teaching methods: full-time
• Guarantor: prof. RNDr. Petr Pišoft, Ph.D.; Mgr. Vladimír Fuka, Ph.D.
• Classification: Physics > Meteorology and Climatology

Annotation

English

Last update: BRECHLER/MFF.CUNI.CZ (25.04.2008)

Physical processes in the lowermost layer of the Earth's atmosphere affected with the physical properties of this surface. Knowledge gained from lecture on dynamic meteorology is supposed.

Czech

Last update: doc. Mgr. Jiří Mikšovský, Ph.D. (12.02.2019)

Fyzikální procesy probíhající ve spodní vrstvě atmosféry ovlivněné fyzikálními vlastnostmi zemského povrchu.

Aim of the course

English

Last update: Mgr. Vladimír Fuka, Ph.D. (15.06.2022)

Student will gain basic knowledge about atmospheric boundary layer processes. It can be used in a wide spectrum of applications (i.a., air-pollution dispersion, parametrizations in numerical models, fluid flow modelling).

Czech

Last update: doc. Mgr. Jiří Mikšovský, Ph.D. (12.02.2019)

Posluchač získá základní znalosti o procesech probíhajících v mezní vrstvě atmosféry. Tyto znalosti bude moci použít v řadě aplikací (mj. např. problematika znečištění ovzduší, parametrizací numerických předpovědních modelů a modelování proudění).

Course completion requirements

English

Last update: Mgr. Vladimír Fuka, Ph.D. (15.06.2022)

Exercise credit - active participation on exercises or submission of the exercise problems' solution in the form of homework.

Examination - a written examination followed by an oral part. A succesful written part is a condition for the oral part.

In case of adverse epidemiological situation a part of the credits and examinations may be performed in the remote form. You will be informed in advance.

Czech

Last update: Mgr. Vladimír Fuka, Ph.D. (15.06.2022)

Zápočet za aktivní účast na cvičení, nebo odevzdání řešení problémů z cvičení formou domácího úkolu. Zkouška skládající se z písemné a ústní části. Úspěšná písemná část je podmínkou pro ústní část.

V případě špatné epidemiologické situace se část zkoušek či zápočtů může konat distanční formou. Závisí to na vývoji aktuální situace a o jakékoli změně budete včas informováni.

Literature

English

Last update: Mgr. Vladimír Fuka, Ph.D. (15.06.2022)

Official textbooks:

(1) Stull, R.B.: An Introduction to Boundary Layer Meteorology. Kluwer A.P., 2003

(2) Pope, S.B.: Turbulent Flows. Cambridge University Press, 2000

Additional literature:

Arya, P. S.: Introduction to Micrometeorology. Academic Press, 2001

Garratt, J. R.: The atmospheric boundary layer. Cambridge University Press, 1992

Czech

Last update: Mgr. Vladimír Fuka, Ph.D. (15.06.2022)

Hlavní učební texty:

(1) Stull, R.B.: An Introduction to Boundary Layer Meteorology. Kluwer A.P., 2003

(2) Pope, S.B.: Turbulent Flows. Cambridge University Press, 2000

Doplňková literatura:

Arya, P. S.: Introduction to Micrometeorology. Academic Press, 2001

Garratt, J. R.: The atmospheric boundary layer. Cambridge University Press, 1992

průběžně doplňované skriptum

Teaching methods

English

Last update: Mgr. Vladimír Fuka, Ph.D. (15.06.2022)

Lectures + practicals (demonstrations of computations using the taught methods, problem solving, data visualisation, usage of simple models).

Czech

Last update: Mgr. Vladimír Fuka, Ph.D. (15.06.2022)

Přednáška + cvičení (ukázky výpočtů pomocí probíraných metod, řešení problémů, vizualizace dat, použití jednoduchých modelů).

Requirements to the exam

English

Last update: Mgr. Vladimír Fuka, Ph.D. (15.06.2022)

Topics according to the syllabus.

Topics for the oral part:

1. Reynolds-averaged Navier-Stokes equations, Reynolds stresses, closure problem.

2. Mixing length, turbulent diffusion coefficient, turbulence models (closure problem).

3. The boundary layer and the surface layer, Ekman spiral, velocity profile in the surface layer.

4. Convective boundary layer: characteristic profiles of temperature, flow velocity and turbulent fluxes.

5. Stable boundary layer: characteristic profiles of temperature, flow velocity and turbulent fluxes.

6. Interaction of the boundary layer and the Earth surface, fluxes of momentum, heat and moisture.

7. Radiation and thermal balance of the Earth surface.

8. Turbulent kinetic energy, its mechanical and thermal production and its dissipation.

9. Spectrum of the turbulent kinetic energy, isotropic and non-isotropic turbulence.

10. Similarity theory and scaling, Buckingham π theorem.

11. Obukhov length, Monin-Obukhov similarity theory.

12. Atmospheric boundary layer in urban areas (roughness and inertial sublayer, velocity profiles).

13. Flow over mountain obstacles, the effect of stratification.

14. Approaches to modelling of the atmospheric boundary layer, large eddy simulation.

15. Methods of observation of the boundary layer, methods for experiments in laboratory research of turbulent flow.

Czech

Last update: Mgr. Vladimír Fuka, Ph.D. (15.06.2022)

Témata dle sylabu.

Okruhy pro ústní část:

1. Reynoldsovy rovnice turbulentního proudění, Reynoldsova napětí, problém uzávěru.

2. Směšovací délka, koeficient turbulentní difúze, modely turbulence (problém uzávěru).

3. Přízemní a spirální vrstva, Ekmanova spirála, profil rychlosti v neutrální přízemní vrstvě.

4. Konvektivní mezní vrstva: charakteristické profily teploty, rychlosti proudění a turbulentních toků.

5. Stabilní mezní vrstva: charakteristické profily teploty, rychlosti proudění a turbulentních toků.

6. Interakce mezní vrstvy a zemského povrchu, toky hybnosti, tepla a vlhkosti.

7. Radiační a tepelná bilance zemského povrchu.

8. Turbulentní kinetická energie, její mechanická a termická produkce a její disipace.

9. Spektrum turbulentní kinetické energie, izotropní a neizotropní turbulence.

10. Teorie podobnosti a škálování, Buckinghamův π teorém.

11. Obuchovova délka, Moninova a Obuchovova teorie podobnosti.

12. Mezní vrstva atmosféry v městských oblastech.

13. Proudění přes horské překážky.

14. Přístupy k modelování mezní vrstvy atmosféry, simulace velkých vírů.

15. Metody pozorování mezní vrstvy, metody laboratorních experimentů pro výzkum turbulentního proudění.

Syllabus

English

Last update: Mgr. Vladimír Fuka, Ph.D. (15.06.2022)

1. Specification of the atmospheric Planetary Boundary Layer (PBL) concept. Theory of viscous flow, Navier-Stokes equations, dynamics similarity criteria.

2. Turbulence, mechanical and thermal sources of turbulence, equations of turbulent flow. Reynold's stresses, closure problem, Prandtl's theory of the mixing length, coefficients of turbulent exchange of momentum, heat and passive scalar. Isotropic and anisotropic turbulence, intensity of turbulence, dynamic (friction) velocity.

3. Theory of the constant flux layer, theory of the spiral layer. Laminar (viscous) sublayer, vertical velocity profiles within the constant flux layer, Taylor (Ekman) spiral and its generalization for real atmosphere.

4. Heat and moisture diffusion in the PBL, courses of temperature and moisture parameters within the PBL, convection, convective and diffusive fluxes, conditions for evaporation within the PBL, radiative processes. Transformation of energy within the PBL, kinetic energy of turbulent flow, Richardson number, Monin-Obukhov length, non-dimensional profiles and the universal function.

5. Basic approaches of turbulence parametrization in the equarions of motion, models of turbulence, DNS, LES, ILES. Function of the wall.

Czech

Last update: Mgr. Vladimír Fuka, Ph.D. (15.06.2022)

Pojem mezní vrstvy atmosféry. Teorie vazkého proudění, Navierovy-Stokesovy rovnice, dynamická podobnost, Reynoldsovo číslo.

Turbulence v atmosféře, Reynoldsovy rovnice turbulentního proudění, Reynoldsova napětí, směšovací délka, koeficient turbulentní difúze.

Přízemní a spirální vrstva, vertikální profily proudění v přízemní vrstvě, Ekmanova spirála.

Konvektivní mezní vrstva, stabilní mezní vrstva, denní chod mezní vrstvy, charakteristické profily teploty, rychlosti proudění a turbulentních toků, oblačnost v mezní vrstvě.

Interakce mezní vrstvy a zemského povrchu, toky hybnosti, tepla a vlhkosti, radiační a tepelná bilance zemského povrchu.

Transformace kinetické energie v mezní vrstvě, turbulentní kinetická energie a její mechanická a termická produkce, izotropní a neizotropní turbulence, spektrum turbulentní kinetické energie.

Teorie podobnosti a škálování, Richardsonovo číslo, Obuchovova délka, Moninova a Obuchovova teorie podobnosti, bezrozměrné vertikální profily složek hybnosti, teploty a vlhkosti.

Mezní vrstva atmosféry v městských oblastech, proudění přes horské překážky.

Přístupy k modelování mezní vrstvy atmosféry, problém uzávěru, simulace velkých vírů.

Metody pozorování mezní vrstvy, experimentální metody pro výzkum turbulentního proudění.

Entry requirements

Last update: doc. Mgr. Jiří Mikšovský, Ph.D. (12.02.2019)

Znalosti dynamiky tekutin na úrovni předmětu NMET034 Hydrodynamika