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Professor: Enilson Palmeira Cavalcanti Disciplina: Modelagem Numérica da Atmosférica Tema do Seminário: Parametrização de Turbulência Equipe: Ednaldo Araújo Mendonça Emerson Ricardo R. Pereira Gabriel Moisés de Sousa Filho Taciana Lima Araújo. Acima de 200 km. Exosfera. 80 a 200 km. - PowerPoint PPT Presentation
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Professor: Enilson Palmeira Cavalcanti
Disciplina: Modelagem Numérica da Atmosférica
Tema do Seminário: Parametrização de Turbulência
Equipe:
Ednaldo Araújo Mendonça
Emerson Ricardo R. Pereira
Gabriel Moisés de Sousa Filho
Taciana Lima Araújo
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Conceitos:
Camadas atmosféricas
0 a 12 kmTroposfera
12 a 50 kmEstratosfera
Mesosfera 50 a 80 km
Termosfera 80 a 200 km
ExosferaAcima de
200 km
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Camada Limite Planetária (CLP)
Conceitos:
é a região da atmosfera situada mais próxima à terra, onde as partículas suspensas e gases são dispersos pelo vento médio (responsável pelo transporte global) e pela turbulência (responsável pela difusão).
é a única camada que é influenciada pela presença da superfície terrestre, como exemplos:
O arraste
A evaporação e transpiração
A transferência de calor
As modificações do escoamento induzidas pelo terreno
A emissão de poluentes, etc.
a altura varia de centenas de metros a poucos quilômetros, dependendo das modificações ocorridas na superfície terrestre, dos níveis de insolação diários, da hora do dia, etc.
pode ser classificada como:
Estável
Neutra
Instável
Dependendo no caso da taxa de variação da temperatura potencial ao longo da sua altura.
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Camada Limite Planetária (CLP)
Conceitos:
Camada Limite Convectiva (CLC) “Instável” é gerada pelo aquecimento diurno da superfície terrestre alcançando uma altura de 100 a 3000m a partir do solo a taxa de variação da temperatura potencial é negativa, ou seja, a temperatura potencial diminui com a altura a turbulência é intensificada
Camada Limite Neutra (CLN) esta situação ocorre durante o período de transição do dia para a noite a taxa de variação da temperatura potencial nula a atmosfera não inibe nem intensifica a turbulência
Camada Limite Estável (CLE) é gerada pelo resfriamento noturno da superfície da terra alcançando uma altura de 100 a 300m a taxa de variação da temperatura potencial é positiva, ou seja, a temperatura potencial aumenta com a altura a turbulência é reduzida
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Camada Limite Planetária (CLP)
Conceitos:
Meio dia Pôr do Sol
Camada de Mistura
Convectiva
Atmosfera Livre
Meia noite Amanhecer
O ar residual permanece acima
Residual Estável
Camada de
Mistura
Meio dia
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Camada Limite Planetária (CLP)
Conceitos:
Em D:
Entre 12 e 18 h:
Em A:
Em B:
Abaixo do pontilhado:
As massas de ar abaixo da atmosfera livre pertencem à camada limite planetária. Algumas alterações ocorrem durante o dia (da esquerda para a direita)
O ar é misturado (azul claro)
Depois do pôr-do-sol forma-se uma camada estável noturna
O ar residual permanece acima
O ar da camada de superfície não pode ir com facilidade para cima para altitudes mais elevadas durante a noite. Não possui energia para efetuar esse movimento.
Essa energia volta com o nascer-do-sol. O solo aquece, o ar começa a sua ascensão (seta vermelha) A camada proveniente da noite quebra-se. Uma zona de mistura cresce a partir do solo até ao topo da camada limite (azul escuro) e deixa o ar bem misturado durante o dia (C).
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Camada Limite Planetária (CLP)
Conceitos:
A CLP é dividida em diferentes camadas e apresenta diferentes regimes de turbulência:Subcamada inercial - onde predomina difusão molecular, com espessura da ordem de 1 mm.
Camada limite superficial (CLS) - onde predominam as forças inerciais sobre as viscosas, com espessura da ordem de dezenas de metros, onde existem gradientes verticais intensos das variáveis atmosféricas energia , umidade e momento.
Camada de mistura CM - camada que se estende desde o topo da CLS até o topo da CLP (zona de transição) onde os gradientes verticais são muito pequenos devido ao efeito mais intenso da convecção térmica diurna (período de sol e aquecimento da superfície abaixo).
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ForçasForças que promovem a turbulência:
Gravitacional Força de atração exercida pela Terra sobre um corpo de massa m sobre a superfície. Orientada p/ o centro da Terra.
Centrífuga Surge exclusivamente devido a rotação da Terra, para equilibrar o sistema.
Coriolis Ocorre quando um corpo se movimenta em relação a um referencial não inercial (Terra em rotação).
Existe devido a diferença de pressão. Orientada das altas pressões paras as baixas pressões (contrário do gradiente)
Gradiente de Pressão
Fricção Devido a “rugosidade” da Terra. Atua no sentido de frear os movimentos atmosféricos próximo a superfíie da Terra.
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EnergiaAlgumas variáveis atmosféricas que promovem a turbulência:
A troca de energia entre a superfície (Terra e Mar) e a atmosfera promove o processo convectivo.
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Algumas variáveis atmosféricas que promovem a turbulência:
Umidade
A umidade do ar é agente importante no deslocamento de massas de ar.
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Algumas variáveis atmosféricas que promovem a turbulência:
Momentum
Taxa de variação do "momentum" (quantidade de movimento) de um sistema é igual à soma de todas as forças que nele atuam
Conservação de momentummomentum
rFgpVxdtVd
*12
Aceleração do
movimento
FricçãoGravidadeGradiente PressãoCoriolis
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O conhecimento detalhado dos fluxos turbulentos é de interesse tanto da Mecânica dos fluidos quanto da Meteorologia, pois a maioria dos escoamentos encontrados na natureza são turbulentos. Mas, ainda hoje, definir turbulência é difícil.
A Energia Cinética Turbulenta (ECT) é difusiva, sendo responsável pelo transporte de propriedades como massa, momentum e calor, desempenhando um papel fundamental na transferência de calor e umidade, na evaporação, na interação térmica e dinâmica entre a atmosfera e a superfície, bem como na dispersão de poluentes.
Então o uso da Parametrização de Turbulência é de suma importância para a Meteorologia.
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Camada Limite Turbulenta
•Uma parte da atmosfera, no qual o campo de escoamento é fortemente e diretamente influenciado pela interação com a superfície da terra;
•Isso ocasiona Vórtices Turbulentos ou movimentos Turbulentos (na ordem de 10³m e escala de comprimento mínimo é de 10-3m), com variações espaciais e temporais;
•Movimentos induzidos pelo cizalhamentos, juntos com os vórtices convectivos causados pelo aquecimento da superfície, sendo efetivo na transferência de momentum para a superfície e transferencia de calor( latente e sensível);
•O cizalhamento vertical é muito intenso e a difusão molecular é comparável com outros termos da equação do momentum.
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Sistema de Equações
fkxVDtDV
DtDV
-Variação total do vento
fkxV - Termo de Coriolís
-Gradiente Geopotêncial
Equação do Momentum
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• Turbulência Atmosférica
• Movimentos irregulares e abruptos na atmosfera, causados pelo deslocamento de pequenos redemoinhos na corrente de ar. A turbulência atmosférica é causada por flutuações aleatórias no fluxo do vento;
• Pode ser causada por correntes térmicas ou convectivas, diferenças no relevo, variação na velocidade do vento ao longo de uma zona frontal, ou alterações na temperatura e pressão;
• O escoamento turbulento contem movimentos irregulares quase ao acaso cobrindo o espectro continuo em escala espacial e temporais;
• Turbilhões causam as parcelas de ar que, estão próximas, desvios isolados e assim, misturam propriedades como momento e temperatura potencial através da camada limite;
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• Aproximação Boussinesq
• é uma simplificação das equações que governa escoamento atmosférico ou oceânico baseada na suposição de que a variação da densidade não é importante para a dinâmica exceto quando a densidade está associada com a gravidade. Isto é, a densidade é considerada constante em todos os termos das equações governantes exceto no termo de flutuabilidade (“buoyancy”) das parcelas do fluido.
• Então: a equação da continuidade, sujeita à aproximação de BOUSSINESQ é:
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zw
yv
xu
(Divergência e Continuidade de massa)
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•Camada de Ekman•
é a camada com aproximadamente 2 km próximo a superfície, na qual os efeitos do atrito, as forças de Coriolis e gradiente de pressão interagem para produzir um hodógrafo de ventos que giram no sentido anti-horário com a altura no Hemisfério Sul (http://www.cptec.inpe.br)
O vento na superfície é nulo e o vento no topo da camada é geostrófico (aproximadamente). O transporte líquido do fluido nesta camada é para regiões de baixa pressão.
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•Vários modelos foram criados para descrever o transporte turbulento na atmosfera, entre eles a Teoria do Transporte de Gradiente, ou Teoria K.
•A teoria do Transporte de Gradiente, ou Teoria K, tem como base a equação de difusão-advecção para descrever o campo de concentração média de contaminantes, onde os fluxos turbulentos são assumidos como proporcionais ao gradiente médio c, e pode ser escrita como (Tirabassi, 1997):
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•Onde c é a componente média da concentração, w’c’ é o fluxo turbulento de um contaminante passivo na direção vertical, u, v , w são as componentes do vento médio nas direções x, y e z e Kx, Ky e Kz são coeficientes de difusão longitudinal, lateral e vertical respectivamente;
•A vantagem do modelo K é que condições reais, com variação tridimensional dos campos do vento e difusividade, podem ser simuladas e que simplificações podem ser realizadas, desprezando um ou mais termos;
•A teoria K é válida para pequenas variações da concentração ao longo da distância, não descrevendo com precisão o comportamento de uma pluma perto da fonte quando os gradientes são grandes.
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SIMULAÇÕES – ESTUDO DE CASO
CONFIGURAÇÃO
* VERSÃO: 5.02 (BRAMS)
* TEMPO DA INTEGRAÇÃO: 36 horas
* DIA: 24 DE MARÇO DE 2004
* INÍCIO DA INTEGRAÇÃO: 00 UTC
* RESOLUÇÃO DA GRADE:
COORDENADAS X e Y → 40 km
COORDENADA Z → 20 km
* PARAMETRIZAÇÕES:
RADIAÇÃO → CHEN & COTTON
CONVECÇÃO → KUO
TURBULENTA → ESQUEMA SMAGORINSKY
ESQUEMA MELLOR-YAMADA
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SIMULAÇÕES – ESTUDO DE CASO (Esquemas)
* SMAGORINSKY
* MELLOR-YAMADA
Fechamento baseado em deformação anisotrópica. Este baseia-se na hipótese do equilíbrio local para as pequenas escalas, ou seja, que a produção de tensões turbulentas sub-malha seja igual à dissipação.
Desenvolveram uma hierarquia de modelos de fecho de turbulência. * O fecho de 1° ordem – utiliza-se da teoria K* O fecho de 2° ordem – utiliza-se da teoria K e da equação da energia cinética turbulenta.
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SIMULAÇÕES – ESTUDO DE CASO
* DOMÍNIO
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SIMULAÇÕES – ESTUDO DE CASO
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SIMULAÇÕES – ESTUDO DE CASO
Evolução temporal ao longo de 7 S
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SIMULAÇÕES – ESTUDO DE CASO
* ESQUEMA SMAGORINSKY
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SIMULAÇÕES – ESTUDO DE CASO
* ESQUEMA SMAGORINSKY
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SIMULAÇÕES – ESTUDO DE CASO
* ESQUEMA SMAGORINSKY
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SIMULAÇÕES – ESTUDO DE CASO
* ESQUEMA SMAGORINSKY * ESQUEMA MELLOR-YAMADA
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SIMULAÇÕES – ESTUDO DE CASO
* ESQUEMA SMAGORINSKY * ESQUEMA MELLOR-YAMADA
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SIMULAÇÕES – ESTUDO DE CASO
* ESQUEMA SMAGORINSKY * ESQUEMA MELLOR-YAMADA
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SIMULAÇÕES – ESTUDO DE CASO
* DIFERENÇA DE ALTURA DA CLP ENTRE OS ESQUEMAS.
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SIMULAÇÕES – ESTUDO DE CASO
Análise do perfil vertical
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SIMULAÇÕES – ESTUDO DE CASO
RAZÃO DE MISTURA PARA 3 PONTOS.
(a) 30W – OCEANO
(b) 38W – SERTÃO PARAIBANO
(c) 40W – SERTÃO PARAIBANO
(a)
(b)
(c)
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SIMULAÇÕES – ESTUDO DE CASO
DIFERENÇA ENTRE A RAZÃO DE MISTURA PARA 3 PONTOS.
(a) 30W – OCEANO
(b) 38W – SERTÃO PARAIBANO
(c) 40W – SERTÃO PARAIBANO
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SIMULAÇÕES – ESTUDO DE CASO
TEMPERATURA POTENCIAL PARA 3 PONTOS.
(a) 30W – OCEANO
(b) 38W – SERTÃO PARAIBANO
(c) 40W – SERTÃO PARAIBANO
(a)
(b)
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SIMULAÇÕES – ESTUDO DE CASO
DIFERENÇA ENTRE A TEMPERATURA POTENCIAL PARA 3 PONTOS.
(a) 30W – OCEANO
(b) 38W – SERTÃO PARAIBANO
(c) 40W – SERTÃO PARAIBANO
(a)
(b)
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TEMP. POTENCIAL PARA 3 PONTOS.
(a) 30W – OCEANO
(b) 38W – SERTÃO PARAIBANO
(c) 40W – SERTÃO PARAIBANO
SIMULAÇÕES – ESTUDO DE CASO
(a)
(b)
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SM, 12 LT MY, 12 LT SM, 16 LT MY, 16 LT
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CONCLUSÕES
1) O modelo é sensível ao esquema de parametrização de turbulência;
2) O esquema Mellor-Yamada tende a produzir uma CLP mais alta sobre o continente;
3) Sobre o oceano, é o esquema de Smagorinsky que tende a produzir CLP ligeiramente mais elevada;
4) Correspondentemente, a temperatura potencial na CLP tende a ser maior com o esquema Mellor-Yamada;
5) O esquema de Smagorinsky tende a produzir uma CLP mais seca, nas proximidades da superfície.
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FIM
