The earth’s surface is a boundary on the domain of the atmosphere. Transport processes though this boundary can change the atmospheric conditions for the ranges from 100m at the lowest to 3,000m at the highest. This lowest portion of the atmosphere which intensively transports heat, mass (water, pollutants, $CO_2$) and momentum through the earth’s surface is called the atmospheric boundary layer (ABL).
Forest canopies become a momentum sink term in the momentum equation and it can be simulated with porous media in Fluent. Porous media are modeled by the addition of a momentum source term to the standard Navier-Stokes equation. Forest canopies are divided into two parts: Leaf area and Trunk region. The LAD represents leaf area.
The leaf area density (LAD) is defined as the total one-sided leaf area of photosynthetic tissue per unit canopy volume. Trunk is modeled as cylinder. Used Experimental data were obtained from the H. J. Andrews Experimental Forest in the western Cascade Range of Oregon, US, which is covered with, for the most parts, young-growth Douglas fir forest.
The wind pattern blowing the canopy is determined by the heat flux on the ground and heat energy in the atmosphere.
During the daytime, the wind blows ascending along the ridge in the leaf area and above the canopy, whereas, in the trunk region, it flows either upward or downward.
During the evening transition, heat flux has the value of negative in the atmosphere, in the canopy region and on the ground. The drainage flow starts the developing. And the air became well mixed to the vertical direction. During the nighttime conditions, cold air drainage flow is dominant. During the morning transition, as time passes, the wind is increasing due to the solar radiation.
The drainage flow at the mount is closely related to ecosystem metabolism, micro scale atmospheric condition, environmental pollution and the movement of the blight and harmful inserts. Heat flux, carbon dioxide, velocity profile and water vapor in mountain have been interested to interpret micro scale atmospheric weather conditions. The katabatic and anabatic flows can be used to explain a natural phenomenon.
대기경계층(atmospheric boundary layer, ABL)은 지면을 둘러싸고 있는 대기층에서 지면의 영향을 직접적으로 받는 부분을 말한다. 대기경계층 내부에서는 열, 수증기, 오염물질, 이산화탄소의 이동과 확산이 활발하게 일어난다. 인류와 대부분의 생명체들이 이 지역에서 활동을 하고 있기 때문에 대기경계층에 대한 연구가 중요하다. 대기가 안정적일 때, 산등성이에서의 풍향은 하루를 주기로 변하게 된다. 낮 시간에는 태양복사열로 인해 상승기류(anabatic flow)가 발생하고 밤 시간에는 지표면의 냉각복사에 의해 하강기류(katabatic flow)가 발생하게 된다. 이런 현상은 특히 온도변화가 심한 여름에 활발하게 일어난다. 산에서의 유동을 해석하기 위해서는 우선 숲을 모델링 하여야 한다. 숲의 모델링에 있어서 중요한 것은 숲을 이루고 있는 수종과 수령이다. 숲의 모델링은 잎 부분(leaf area)과 줄기 부분(trunk region)으로 나눌 수 있으며, 이 두 부분은 운동량 방정식의 외력 항으로 표현 할 수 있다. 잎 부분의 항력 손실은 다공성 물질(porous media)를 이용하여 표현 할 수 있으며, 잎 면적 밀도(leaf area density, LAD)와 숲에서의 유효 항력 계수가 사용된다. 잎 면적 밀도는 단위 대기 부피당 잎이 차지하는 면적을 나타내는 것으로 식물의 성장과 형태를 표현하는 한 방법이다. 다른 방법으로는, 단위 대지 면적당 잎의 면적을 나타내는 잎 면적 지수가 있다. 줄기 부분의 항력 손실 모델은 줄기 부분을 원기둥으로 표현함으로써 얻어진다. 본 연구에서는 수치해석 결과와 비교하기 위해 미국 서부 Oregon주의 Western Cascade 산맥의 H. J. Andrews Experimental Forest에서 수행된 실험결과를 이용하였다. 일반적으로, 산 지형에서의 유동형태는 시간의 흐름에 따라 주간 유동(daytime flow)과 저녁 천이(evening transition), 야간 유동(nighttime flow, formation of a cold air pool), 아침 천이(morning transition) 4가지로 나뉘어진다. 주간에는 나뭇잎과 숲의 상부에서 산등성이를 따라 상승기류가 발생되지만, 줄기부분에서는 상승기류가 생기기도 하고 하강기류가 생기기도 한다. 줄기부분에서 발생되는 유동형태는 지표면에서의 복사 냉각에 의해 결정된다. 저녁 천이 시간대에서는 지면과 숲, 대기의 열유속 상태가 (-)으로 바뀌게 되면서 배수 유동이 발달하기 시작하며, 대기중의 공기가 수직방향으로 잘 섞이게 된다. 야간에는 찬 공기의 배수 유동이 지배적으로 나타난다. 아침으로 천이되는 시간대에서는 태양복사열이 증가하기 시작되면서 상승기류가 발생하게 된다. 산에서의 배수 유동은 생태계 신진대사, 국소지역의 대기 조건 그리고 환경오염물질 및 해충의 이동과 밀접하게 관련되어있다. 열유속과 이산화탄소 농도, 숲에서의 속도 분포, 수증기의 발생 등이 산의 국소 지역 날씨를 설명하기 위해 연구되었다.
