주어진 방향에서의 어떤 물리량의 플럭스는 그 방향에 수직인 단위면적 을 통해서 단위시간당 지나가는 물리량으로 정의.단위는 J s-1 m-2또는 W m-2.
지표면 에너지 수지
ideally horizontally homogeneous 한 이상적인 지표면에서만 적용되는 에너지 평형 이론으로서 아래와 같이 표현된다.
또는
좌변은 순복사 플럭스, 우변 첫째항 부터 현열, 잠열, 지중열 플럭스
실제 지표면
수평적으로 heterogeneous하고, 기울기도 가질 수 있다. 따라서,실제상황에서는 접촉영역의 어떤 층(interfacial layer) 에서의 에너지 수지를 고려하는 것이 타당.
}이 층은 유한한 질량과 열용량을 가지고 에너지를 저장하거나 방출한다고 가정하고, 이 에너지의 변화를 에너지 수지로 생각한다. 이 경우 아래와 같이 1차원 에너지 수지 방정식으로 표현할 수 있다.
여기서〖∆H〗_s은 층 내에서 단위 면적당 단위 시간당 에너지 저장량의 변화이고, ideal surface 에서의 수지 방정식과의 주된 차이다.
∆H_s층 내에서 단위면적당 단위시간당 에너지 저장량의 변화
if ∆H_s> 0 ,"플럭스 수렴, 층 가열"
if ∆H_s< 0 , 플럭스 발산, 층 냉각
어떤 매체의 열용량이 z에 독립이면, 이 식은 에너지 저장률과 층의 가열률 (또는 냉각률) 사이의 관계식.
∆H_s는 층으로 들어오는 에너지와 나가는 에너지의 차이로 설명할 수 도 있다.
보웬비 (Bowen ratio)
위 지표면 에너지 수지 식에서 잠열에 대한 현열의 비를 보웬비로 정의하고, 아래와 같이 전개할 수 있다.
각 지표면 특성에 따른 에너지 수지
1. 광활한 수면 (큰 호수, 바다와 해양)
작은 보웬비(B<<1)를 나타내므로 에너지 수지 식은 아래와 같이 근사된다.
물표면 온도의 일변화는 아래와 같은 이유로 작기 때문이다.
큰 열용량
해양 밑 수면 밑의 두꺼운 혼합층
수십 미터의 두께를 투과하는 태양 복사
따라서, 고온의 해양에서는 보웬비는 0에 가깝고, 저온의 설빙면에서는 보웬비가 상당히 크다.
2. 건조한 나지
건조한 지표면이므로,Rn= H + HG 로 근사된다.
3. 습윤한 지표면
알베도감소, 순복사 증가, 잠열 플럭스가 우세하고, 현열 플럭스는 감소하여 아래와 같은 근사를 보인다.
RN ~ HL
오아시스효과 (Oasis effect):
습윤한 지표면 위로 건조한 공기가 이류하면서, 강한 증발이 습한 표면으로 부터 일어나고, 결국 잠열의 이동이 지면을 냉각시킨다.따라서 잠열은강한 ( + ) 플럭스, 현열은 약한 ( – ) 플럭스. 강수나 관개가 중단되고 토양이 마르면, 증발률(E)와 LE는 감소,반면 현열 플럭스는 증가하게 되어, 보웬비는 증가한다.
4. 식생 캐노피
식생 캐노피 내에서 에너지 플럭스는 국지적인 공간에 따라 변함.
∆HS = 물리적인 에너지(열) 저장률 + 광합성에 따른 생화학적 열 저장률
HL =증발+증산(transpiration) ⇒증발산(evapotranspiration)
식생의 성장을 고려하면, 에너지 평형은 복잡해 지는 이유
Q*, H, LE모두가 canopy 내에서 변동하기 때문에 ∆HS 를 고려해 한다. 이 경우 Q, H, LE은 캐노피 top에서 측정된다.
에너지 저장율이 물리적 열 저장률과 생화학적 열 저장율로 나뉘기 때문이다. 생화학적 열 저장률은 수 시간 ~ 수일 의 시간 규모에서는 무시할 수 있다.
현열 플럭스는 증발 응결 뿐만 아니라 식물의 증산 작용에 의해서 많은 양이 발생한다. 증발과 증산의 결합을 evapotranspiration 이라고 하고, 캐노피 top에서 일정한 수증기 플럭스를 생성한다.
도시 캐노피는 건물, 거리, 나무 그리고 공원 등을포함하는 다양한 거칠기 요소들이 포함됨.
또는
Qf: 도시에서 사용된 연료소비와 관련된 열 플럭스, 즉 인공열 플럭스 (Anthropogenic heat flux )
도시 폐열에 의한 기온 증가 및 거칠기 요소들에 의한 난류 발달로 인한 현열 플럭스의 증가.
불침투성 지표면에 의해 증발할 수 있는 지표수의 양 감소되어 잠열 플럭스가 감소됨.
따라서 ⇒ 큰 보웬비를 나타냄
관측 결과에 따르면, 도시와 교외지역의 Q*는 큰 차이가 나지 않는다. 그러나Qf가 추가되서면더 큰 총 에너지 플럭스를 만들게 된다. 식에서Qf를 직접 측정하는 것은 불가능하다. 왜냐하면 도시 캐노피 내에는 에너지 흡수요소와 지표면이 복잡하게 산재해 있기 때문이다. 일반적으로Qf는 에너지 평형 방정식으로 부터 잔여항 residual로 결정(top-down 방식)하거나, 1인당 에너지 사용량과 인구밀도 자료를 바탕으로 추정한다 (bottom-up 방식).
주로 도시 내 상업 지구가 주요 인공열원이므로, 교외 주거 지역에서는 무시할 수 있다.도시는 주간에 알베도는 낮고 건물들로 인한 태양광흡수도는 높다. 따라서 기온이 증가고 canopy에 의해 난류가 강화됨으로, 사용가능한 에너지(폐열)의 많은 부분이 현열로 대기 중으로 들어간다. 또한 지표면이 불침투성이 크므로, 증발할 수 있는 수분량이 적어, LE가 상대적으로 작아 Bowen ratio는 크다.
도시의 에너지 수지에서 상대적으로 중요한 것은Qf/Q* 비율인데,LA에서 연평균 값은 ~0.2 , 모스크바에서는 ~3.0 이고, 보통 ~0.35 이다.
