Professor: Enilson Palmeira Cavalcanti Disciplina: Modelagem Numérica da Atmosférica Tema do Seminário: Parametrização de Turbulência Equipe: Ednaldo Araújo Mendonça Emerson Ricardo R.

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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
Acima de
Exosfera

200 km

Termosfera 80 a 200 km
Mesosfera

50 a 80 km

Estratosfera 12 a 50 km
Troposfera

0 a 12 km


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Conceitos:
Camada Limite Planetária (CLP)
 éa aaltura
regiãovaria
da atmosfera
de centenas
situada
de mais
metros
próxima
a poucos
à terra,
quilômetros,
onde as
partículas
dependendosuspensas
das modificações
e gasesocorridas
são dispersos
na superfície
pelo vento
terrestre,
médio
dos
(responsável
níveis de insolação
pelo transporte
diários, da global)
hora do edia,
pela
etc.turbulência (responsável
pela difusão).
pode
ser classificada
como:
é a única
camada que
é influenciada pela presença da superfície
terrestre, como exemplos:

Estável
O arraste
Neutra
A evaporação
e transpiração

Dependendo no caso da taxa
de variação da temperatura
potencial ao longo da sua
altura.

A transferência de calor
Instável
As modificações do escoamento induzidas pelo terreno
A emissão de poluentes, etc.


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Conceitos:
Camada Limite Planetária (CLP)
Camada Limite Estável
(CLE)
Convectiva
(CLC) “Instável”
Neutra
(CLN)

resfriamento
dasuperfície
superfície
da do
terra

situação
durantenoturno
o período
de transição
dia para a noite
 esta
é gerada
pelo ocorre
aquecimento
diurno
da
terrestre
 aalcançando
uma altura
de 100 a 300m
3000m
a partir
do solo


taxa de variação
da temperatura
potencial
nula

taxa de
de variação
variação
da
temperatura
potencial
positiva, ou seja, a
 a atmosfera
taxa
temperatura
potencial
éé negativa,

não inibeda
nem
intensifica a
turbulência
temperatura potencial aumenta
comaaaltura
altura
diminui com

reduzida
 a turbulência é intensificada


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Conceitos:
Camada Limite Planetária (CLP)

Atmosfera Livre

Camada de
Mistura
Convectiva

O ar residual permanece acima

Camada
de
Mistura

Residual Estável

Meio dia

Pôr do Sol

Meia noite

Amanhecer

Meio dia


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Conceitos:
Camada Limite Planetária (CLP)
Em D:
As massas de ar abaixo da atmosfera
livre pertencem à camada limite
planetária. Algumas alterações ocorrem
durante o dia (da esquerda para a direita)
Entre 12 e 18 h:
O ar é misturado (azul claro)
Em A:

Depois do pôr-do-sol forma-se uma camada estável noturna
Em B:
O ar residual permanece acima
Abaixo do pontilhado:
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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Conceitos:
Camada Limite Planetária (CLP)

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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Forças que promovem a turbulência:

Gravitacional

Centrífuga

Coriolis

Gradiente de
Pressão

Fricção

Força de atração exercida pela Terra sobre um corpo
de massa m sobre a superfície. Orientada p/ o centro
da Terra.
Surge exclusivamente devido a rotação da Terra, para
equilibrar o sistema.

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)
Devido a “rugosidade” da Terra. Atua no sentido de
frear os movimentos atmosféricos próximo a superfíie
da Terra.


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Algumas variáveis atmosféricas que promovem a turbulência:
Energia

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 momentum


dV
dt

  1
*
  2  x V   p  g  Fr



Aceleração
do
movimento

Gravidade

Coriolis

Gradiente
Pressão

Fricção


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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

Equação do Momentum

DV

 fkxV   

Dt

DV

-Variação total do vento

Dt

fkxV
 

- Termo de Coriolís
-Gradiente Geopotêncial


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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:

u
x



v
y



w
z

0

(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

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 submalha seja igual à dissipação.

* MELLOR-YAMADA
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


Slide 27

SIMULAÇÕES – ESTUDO DE CASO
* ESQUEMA SMAGORINSKY


Slide 28

SIMULAÇÕES – ESTUDO DE CASO

* ESQUEMA SMAGORINSKY

* ESQUEMA MELLOR-YAMADA


Slide 29

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

(a)

RAZÃO DE MISTURA PARA 3 PONTOS.
(a) 30W – OCEANO
(b) 38W – SERTÃO PARAIBANO
(c) 40W – SERTÃO PARAIBANO

(b)

(c)


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SIMULAÇÕES – ESTUDO DE CASO
(a)

DIFERENÇA ENTRE A RAZÃO DE
MISTURA PARA 3 PONTOS.
(a) 30W – OCEANO
(b) 38W – SERTÃO PARAIBANO

(c) 40W – SERTÃO PARAIBANO

(b)
(c)


Slide 35

SIMULAÇÕES – ESTUDO DE CASO
(a)

TEMPERATURA POTENCIAL PARA 3
PONTOS.
(a) 30W – OCEANO
(b) 38W – SERTÃO PARAIBANO

(c) 40W – SERTÃO PARAIBANO

(b)
(c)


Slide 36

SIMULAÇÕES – ESTUDO DE CASO
(a)

DIFERENÇA ENTRE A TEMPERATURA
POTENCIAL PARA 3 PONTOS.
(a) 30W – OCEANO
(b) 38W – SERTÃO PARAIBANO

(c) 40W – SERTÃO PARAIBANO

(b)

(c)


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SIMULAÇÕES – ESTUDO DE CASO
TEMP. POTENCIAL PARA 3 PONTOS.
(a) 30W – OCEANO

SM, 12 LT
MY, 12 LT
SM, 16 LT
MY, 16 LT

(b) 38W – SERTÃO PARAIBANO
(c) 40W – SERTÃO PARAIBANO

(a)

(b)

(c)


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CONCLUSÕES

1) O modelo é sensível
turbulência;

ao

esquema de parametrização

de

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