The Role of Atmospheric Boundary Layer Processes in the Diurnal Evolution of Carbon Dioxide Concentration
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Authors
Date
2012
Department
Major/Subject
Fysiikka (laskennallinen fysiikka)
Mcode
Tfy-105
Degree programme
Language
en
Pages
58
Series
Abstract
Atmospheric boundary layer (ABL) is the lower portion of the troposphere that links the biosphere and atmosphere by exchanging heat, moisture, carbon dioxide (CO2) and other constituents between them. Interpretation of the observed CO2 mixing ratios in the ABL requires information of the dynamical characteristics of the ABL. Horizontal advection and large scale subsidence are, however, rather difficult to measure, and often their contribution to the ABL budget cannot be conclusively addressed. This causes significant uncertainties on the estimates of the biosphere-atmosphere CO2 exchange that is inferred from the CO2 mixing ratio observations. This Master's Thesis examines the influence of horizontal CO2 advection and large scale subsidence on the diurnal evolution of CO2 mixing ratio in a convective ABL. From a conceptual mixed-layer theory, a set of analytical sensitivity equations is derived to quantify the contribution of horizontal CO2 advection and other ABL variables to the bulk CO2 mixing ratio evolution. Similar equations are also derived for the inferred biosphere-atmosphere CO2 exchange. Measurements during two well characterized convective days at the Cabauw tower in the Netherlands are analyzed by using the derived relations. This analysis shows that errors in horizontal CO2 advection can lead to notable uncertainties in the diurnal evolution of the CO2 mixing ratio and the inferred CO2 surface exchange. Moreover, a systematic study is performed to investigate the behaviour of the derived sensitivities on different days by changing the initial vertical profiles of potential temperature and CO2 mixing ratio in the mixed-layer simulations. The influence of large scale subsidence on the diurnal evolution of CO2 mixing ratio and the inferred CO2 surface exchange is demonstrated by numerical mixed-layer simulations. These simulations indicate that erroneous large scale subsidence can also cause non-negligible uncertainties in the evolution of the CO2 mixing ratio and the inferred CO2 surface exchange. The results presented in this thesis hence imply that horizontal advection and large scale subsidence should be also carefully regarded when considering processes of diurnal time scales.Ilmakehän rajakerros on troposfäärin alin kerros, joka yhdistää biosfäärin ja ilmakehän siirtämällä lämpöä, kosteutta, hiilidioksidia (CO2) ja muita ainesosia niiden välillä. Mitattujen hiilidioksidipitoisuuksien tulkinta vaati tietoa ilmakehän rajakerroksen dynaamisista ominaisuuksista. Horisontaalisen hiilidioksidin (CO2) advektion ja suuren mittakaavan vajoamisen mittaaminen on kuitenkin varsin hankalaa ja usein niiden kontribuutiota ilmakehän rajakerroksen budjettiin ei voida pitävästi osoittaa. Tämä aiheuttaa merkittävää epävarmuutta havaittujen CO2-pitoisuuksien avulla pääteltyihin arvioihin biosfäärin ja ilmakehän välisestä CO2-vaihdosta. Tämä diplomityö tarkastelee horisontaalisen CO2:n advektion ja laajan mittakaavan vajoamisen vaikutusta CO2-konsentaarion diurnaaliseen kehitykseen konvektiivisessa ilmakehän rajakerroksessa. Konseptuaalisesta sekoittuneen kerroksen teoriasta johdetaan joukko analyyttisiä sensitiivisyysyhtälöitä, jotka määrittävät horisontaalisen CO2:n advektion ja muiden ilmakehän rajakerrosta kuvaavien muuttujien kontribuution CO2-pitoisuuden kehityksessä. Kahden konvektiivisen päivän mittaustulokset Cabauwn mastolta Alankomaista analysoidaan johdettuja relaatioita käyttäen. Tämä analyysi osoittaa, että tyypilliset virheet horisontaalisessa advektiossa johtavat huomattaviin epämääräisyyksiin sekä CO2-pitoisuuksissa että päätellyissä pinnan CO2-vaihdossa. Lisäksi johdettujen sensitiivisyyksien käyttäytymistä tutkitaan systemaattisesti erilaisina päivinä muuttamalla alun potentiaalilämpötilan ja CO2-pitoisuuden vertikaalisia profiileja sekoittuneen kerroksen simulaatioissa. Laajan mittakaavan vajoamisen vaikutus CO2-pitoisuuden ja päätellyn CO2-vaihdon diurnaaliseen kehitykseen havainnollistettiin numeerisilla sekoittuneen kerroksen simulaatioilla. Nämä simulaatiot osoittavat, että virheellinen laajan mittakaavan vajoaminen voi myös johtaa merkittäviin epämääräisyyksiin CO2-pitoisuuksien ja päätellyn CO2-vaihdon kehityksessä. Tässä diplomityössä esitetyt tulokset siten merkitsevät, että horisontaalinen advektio ja laajan mittakaavan vajoaminen on huolellisesti huomioitava myös diurnaalisen aikaskaalan prosesseja tarkasteltaessa.Description
Supervisor
Alava, MikkoThesis advisor
Pino, DavidKeywords
carbon dioxide, hiilidioksidi, atmosphere, ilmakehä, boundary layer, pintakerros, advection, advektio