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Descrição do comportamento da camada de mistura através de um
modelo numérico de fechamento de primeira ordem.
América Murguía [email protected]
Taciana Toledo de Almeida [email protected]
Universidade de São PauloInstituto de Astronomia Geofísica e Ciências Atmosféricas
Departamento de Meteorologia
ResumoIntroduçãoMetodologiaDadosResultadosConclusões
O que é Camada Limite Planetária?
.Introdução
-É a região da atmosfera onde os fenômenos meteorológicos de pequena escala são importantes;
-Está sob a influência direta da superfície e responde as forçantes superficiais numa escala de tempo menor que 1 hora.
Estrutura Espacial da CLPDiurno
Noturno
Forçantes Superficiais:- Aquecimento Solar;
- Resfriamento Radiativo;
- Vento Horizontal.
De acordo com a importância dessas forçantes a CLP pode ser classificada como:
-Convectiva: aquecimento solar da superfície é suficiente para manter a convecção térmica;
-Neutra: quando nem o aquecimento solar e nem o resfriamento radiativo são suficientes para alterar as características da turbulência de origem mecânica.
-Estável: o resfriamento radiativo da superfície é suficiente para manter uma estratificação térmica através da qual a turbulência terá que realizar trabalho (Produção Mecânica);
Fluxo de Calor Sensível (H):
- É proporcional a covariância da velocidade vertical (w) e da temperatura potencial do ar ();
wcH P
- Radiação solar aquece a superfície
Energia é transferida para
atmosfera através do fluxo
turbulento de calor sensível.
>0 – existe transferência da superfície para atmosfera w w <0 – existe transferência de calor da atmosfera para superfície
Em Condições Convectivas a CLP se forma:
- Aquecimento da superfície pela radiação solar;
- Transferência da energia disponível na superfície para a atmosfera através dos fluxos turbulentos de calor sensível;
Caracterizar alguns parâmetros que influenciam a estrutura da CLC (6-18h), dentro da Camada de Mistura:
- Temperatura Potencial;
- Fluxo de Calor Sensível;
- Altura da Camada de Mistura;
- Intensidade da Inversão de Temperatura no topo da CM.
OBJETIVO
Camada de Mistura
- Região onde o gradiente vertical da temperatura potencial médio vale zero, devido a mistura turbulenta intensa;
- A mistura pode ser de origem térmica (convecção térmica), ou de origem mecânica, associada ao cisalhamento vertical do vento.
Descrição da Turbulência
- Não existe nenhuma descrição determinística dos escoamentos turbulentos, pois não existe até hoje solução das equações do movimento que descrevam um escoamento turbulento;- Os escoamentos turbulentos são descritos do ponto de vista estatístico:
iii uuu Flutuação estatística em torno da média
Comportamento médio
- Problema de fechamento: número de incógnitas é maior do que o de equações.
- Aplica-se então as propriedades da média de Reynolds
1) Fechamento de 1ª ordem “bulk” Teoria Fluxo Gradiente (K)
Teoria do Comprimento de Mistura
Parametrização
- O surgimento das covariâncias conduz a um problema de fechamento de 1ª ordem;
Metodologia
Aspectos do Modelo
1) Aspectos dinâmicos: Equação da Termodinâmica
2) Aspectos numéricos: Esquema Avançado no Tempo (n, n+1)
Utiliza o método de Diferenças Finitas
3) Aspectos físicos:-Condições dentro e sobre a CLC é considerada horizontalmente homogênea (advecção horizontal não é considerada);
- Céu limpo: convecção livre --- PT >>PM
z
w
t
Descrição do Modelo
Eq. da Termodinâmica
h
ww
tiM 0
Integrando com à altura Temperatura Potencia na CM
iw
t
h ´)´(Altura da CLP
h
ww
t
h
ti 0)''()''(
Intensidade da inversão de temperatura no topo da CM
Parâmetros Caso1 Caso2 Caso3 Dia 23 23 23 Mês 7 7 7 Latitude (º) -20,5 -20,5 -20,5 Temperatura da superfície do solo (K)
294 300 305
Temperatura potencial da CM (K) 294 300 300
Intensidade da inversão de altitude (o K) 2 5 2
Gradiente vertical de temperatura potencial na atmosfera livre (o K/m)
0,0075 0,003 0,0075
Altura inicial da CM (m) 500 100 100
Passo de tempo de integração (s) 25 25 25 Taxa de entranhamento 0,1 0,1 0,1 Velocidade vertical sinótica (m/s) -0,005 -0,005 -0,005 Parâmetro de rugosidade (m) 0,02 0,02 0,1 Velocidade média na camada de mistura (m/s) 5,01 5,01 5,01 Pressão de vapor (mb) 12 12 12
Dados
Caso 1
293
294
295
296
297
298
299
300
4 6 8 10 12 14 16 18 20
Tempo Local (h)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
4 6 8 10 12 14 16 18 20
Tempo Local (h)
400
500
600
700
800
900
1000
4 6 8 10 12 14 16 18 20
Tempo Local (h)
-50
0
50
100
150
200
4 6 8 10 12 14 16 18 20
Tempo Local (h)
w
Resultados
Caso 2
298300
302304
306308
310312
4 6 8 10 12 14 16 18 20
Tempo Local (h)
0
1
2
3
4
5
6
4 6 8 10 12 14 16 18 20
Tempo Local (h)
0
500
1000
1500
2000
2500
4 6 8 10 12 14 16 18 20
Tempo Local (h)
-50
50
150
250
350
450
4 6 8 10 12 14 16 18 20
Tempo Local (h)
w
Resultados
Caso 3
299
300
301
302
303
304
305
4 6 8 10 12 14 16 18 20
Tempo Local (h)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
4 6 8 10 12 14 16 18 20
Tempo Local (h)
0
100
200
300
400
500
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Tempo Local (h)
-10
0
10
20
30
40
50
4 6 8 10 12 14 16 18 20
Tempo Local (h)
w
Resultados
Conclusões
Boa representação do comportamento da CM no período convectivo.O fluxo turbulento de calor, nos três casos, mostrou que a entrada de ar mais quente numa camada mais fria fez que o ar comece a resfriar e com isso aumenta a altura da CM.Estes resultados podem ser comparados com o trabalho de Tennekes (1973), onde as distribuições são similares no comportamento da altura e a intensidade da inversão no topo.O modelo possui limitações, por ser simples para fazer simulações muito complexas, restringindo a utilização dele para ser aplicado em condições atmosféricas diferentes.
Obrigada!
