Кіріспе
Атмосфераның планеталық бетпен тікелей байланыста болатын ең төменгі бөлігі. Метеорологияда планеталық шекаралық қабат (ПШҚ), сондай-ақ атмосфералық шекаралық қабат (АШҚ) немесе пеплосфера деп аталатын бұл қабаттың мінез-құлқы планеталық бетпен тікелей байланысының нәтижесінде қалыптасады. Жерде бұл қабат беттік радиациялық күштердің өзгеруіне бір сағаттан кем уақыт ішінде жауап береді. Бұл қабатта ағын жылдамдығы, температура және ылғал сияқты физикалық шамалар жылдам өзгерістерге (тұнжыралық ағыстар) ұшырайды және тік араласу белсенді болады. ПШҚ-ның үстінде "еркін атмосфера" орналасқан, онда жел шамамен геострофиялық (изобарларға параллель) болады, ал ПШҚ ішінде желге жер бетінен келетін қарсылық күші әсер етеді және изобарлармен бұрылады (толық мәліметтер үшін Экман қабатын қараңыз).
In meteorology, the planetary boundary layer (PBL), also known as the atmospheric boundary layer (ABL) or peplosphere, is the lowest part of the atmosphere and its behaviour is directly influenced by its contact with a planetary surface. On Earth it usually responds to changes in surface radiative forcing in an hour or less. In this layer physical quantities such as flow velocity, temperature, and moisture display rapid fluctuations (turbulence) and vertical mixing is strong. Above the PBL is the "free atmosphere", where the wind is approximately geostrophic (parallel to the isobars), while within the PBL the wind is affected by surface drag and turns across the isobars (see Ekman layer for more detail).
Желдің беткі градиентінің себебі
Әдетте, аэродинамикалық кедергі салдарынан, жел ағынында ~100 метр биіктікте жер бетінен – планеталық шекаралық қабаттың беткі қабатында жел градиенті пайда болады. Желдің жылдамдығы жерден биіктік артқан сайын өседі, мүлдем қозғалыссыз жағдайдан басталады. Жер бетіне жақын ағын желдің жылдамдығын төмендететін кедергілерге кездеседі, сондай-ақ ағынның бағытына перпендикуляр кездейсоқ тік және көлденең жылдамдық компоненттерін тудырады. Бұл турбуленттілік бір деңгейде көлденең қозғалатын ауа мен тікелей жоғары және төменгі деңгейлердегі ауаның араласуына себеп болады, бұл ластаушы заттардың таралуы және топырақ эрозиясы үшін маңызды. Ашық су мен мұз үстінде бұл көрсеткіш 20-30% ғана болуы мүмкін. Бұл әсерлер жел турбиналарын орналастыру кезінде ескеріледі. Инженерлік мақсаттар үшін жел градиенті, жер беті түріне байланысты тұрақты экспоненциалдық коэффициенті бар қуат заңы бойынша өзгеретін тік жылдамдық профиліне ие қарапайым қисайту ретінде модельделеді. Жер бетіндегі үйкеліс желдің жылдамдығына елеусіз әсер ететін биіктік "градиент биіктігі" деп аталады, ал осы биіктіктен жоғары желдің жылдамдығы "градиенттік жел жылдамдығы" деп аталатын тұрақты шама деп есептеледі. Мысалы, ірі қалалар үшін болжамды градиент биіктігі 457 м, қала маңы үшін 366 м, ашық жер үшін 274 м және ашық теңіз үшін 213 м құрайды. Қуат заңының экспоненталық көрсеткішін есептеу ыңғайлы болғанымен, оның теориялық негізі жоқ. Температура профилі адиабатикалық болған жағдайда, желдің жылдамдығы биіктікке қарай логарифмдік түрде өзгеруі керек. 1961 жылы ашық жерде жүргізілген өлшеулер 100 метрге дейін (жер бетінің қабатында) логарифмдік сәйкестікпен жақсы келісімді көрсетті, ал 1000 метрге дейін шамамен тұрақты орташа жел жылдамдығы байқалды. Желдің қиылысы көбінесе үш өлшемді болады, яғни "еркін" қысым градиентімен туындаған геострофиялық жел мен жерге жақын желдің бағыты да өзгереді. Бұл Экман спиралі әсерімен байланысты. Ашық су үстінде бұрылған агеострофиялық ағыстың изобараға қатысты бұрышы 10°-тан 30°-қа дейін, дөңгелек жерлерде 30°-қа дейін, ал желдің жылдамдығы өте төмен болған кезде түнде 40°-50°-қа дейін жете алады. Түнде радиациялық салқындану нәтижесінде атмосфералық тұрақтылық пайда болып, турбулентті айналымдарды тік бағытта шектейді, осылайша жел градиентін арттырады. Жел градиентінің шамасына ауа райы, ең алдымен атмосфералық тұрақтылық және кез келген конвективті шекаралық қабаттың биіктігі немесе шектеу инверсиясы ықпал етеді. Бұл әсер теңізде одан да күшті, онда шекаралық қабаттың биіктігінің күндізгі өзгеруі құрлықтағыдан әлдеқайда аз. Конвективті шекаралық қабатта күшті араласу желдің тік градиентін азайтады.
The shearing of the wind is usually three dimensional, that is, there is also a change in direction between the 'free' pressure gradient driven geostrophic wind and the wind close to the ground. This is related to the Ekman spiral effect. The cross isobar angle of the diverted ageostrophic flow near the surface ranges from 10° over open water, to 30° over rough hilly terrain, and can increase to 40° 50° over land at night when the wind speed is very low. Atmospheric stability occurring at night with radiative cooling tends to vertically constrain turbulent eddies, thus increasing the wind gradient. The magnitude of the wind gradient is largely influenced by the weather, principally atmospheric stability and the height of any convective boundary layer or capping inversion. This effect is even larger over the sea, where there is much less diurnal variation of the height of the boundary layer than over land. In the convective boundary layer, strong mixing diminishes vertical wind gradient.
Түнгі және күндізгі жағдай
Күн мен түннің арасында планеталық шекаралық қабат өзгеше болады. Күндіз түнде қалыптасқан инверсиялық қабаттар, қызған ауаның турбулентті көтерілуі нәтижесінде таратылады. Шекаралық қабат "күн батуға айнала қалғанда" тұрақтанады және түн бойы солай қалады. Бұл құбылыс күнделікті цикл құрайды. Қыс және бұлтты күндері түнгі қабаттың толық тарауы болмайды, ал бұрынғы күндері қалыптасқан атмосфералық жағдайлар сақталуы мүмкін. Күннұрлы күндері түнгі шекаралық қабаттың таралуы жылдам жүреді. Мұның негізгі күші – тар көтерілетін аймақтары және кеңірек төмен түсетін аймақтары бар конвективті жасушалар. Бұл жасушалардың диаметрі 200–500 метрден асады.
Конвективті планеталық шекаралық қабат (КБЖ)
Конвективті планеталық шекаралық қабат – планеталық шекаралық қабаттың бір түрі, онда жер бетіндегі оң көтергіштік ағыны жылулық тұрақсыздық тудырады, соның салдарынан қосымша немесе тіпті күшті турбуленттілік пайда болады. (Бұл CAPE немесе конвективті қолжетімді потенциалдық энергия деп те аталады; атмосфералық конвекцияға қараңыз.) Конвективті шекаралық қабат тропикалық және орта ендіктерде күндізгі уақытта әдетте кездеседі. Күннің қыздыруы, су буының конденсациясынан бөлінетін жылуға қосымша, соншалықты күшті конвективті турбуленттілік тудыруы мүмкін, осылайша еркін конвективті қабат тропосфераның барлық бөлігін тропопаузаға дейін (тропосфера мен стратосфера арасындағы Жер атмосферасының шекарасы) қамтиды, ол Интертропикалық конвергенция аймағында 10 км-ден 18 км-ге дейін жетеді.
Тұрақты қабатталған планеталық шекаралық қабат (SBL)
SBL – бұл PBL, егер жер бетіндегі теріс жүзу ағыны турбуленттілікті басаңдатса; Конвективті тежелуді қараңыз. SBL тек желдің қиылысуынан туындайтын турбуленттілікпен қозғалады, сондықтан SBL еркін атмосферадағы жел болмаса туындамайды. SBL барлық жерлерде түнде, тіпті жер беті жоғарыдағы ауадан суық болатын жерлерде күндіз де кездеседі. SBL жоғары ендіктерде ерекше маңызды рөл атқарады, онда ол көбінесе ұзаққа созылады (күндер мен айлар бойы), нәтижесінде ауа температурасы өте төмен болады. Планеталық шекаралық қабаттың динамикасын және микрофизикасын басқаратын физикалық заңдар мен қозғалыс теңдеулері күшті түрде сызықты емес және Жер бетінің қасиеттерімен, сондай-ақ еркін атмосферадағы процестердің өзгеруімен айтарлықтай әсер етеді. Осы күрделілікті ескеру үшін турбуленттілікті модельдеудің түрлі әдістері ұсынылған. Дегенмен, олардың көпшілігі практикалық талаптарды қанағаттандыру үшін жеткілікті дәлдікке ие емес. Үлкен айналымды симуляциялау әдісін PBL-ге қатысты мәселелерге қолданудан елеулі жақсарулар күтілуде. Атмосфералық модельдерде (Атмосфералық модельдерді салыстыру жобасы) PBL-дің дұрыс бейнеленуіне ең маңызды процестер – ылғалдың (булану) және ластаушы заттардың (ауа ластаушы заттар) турбулентті тасымалы болып табылады. Шекаралық қабаттағы бұлттар пассат желдеріне, су айналымына және энергия алмасуға әсер етеді.