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O QUE É CAMADA LIMITE PLANETÁRIA?
O que é Turbulência?• É um fenômeno provocado por movimentos aleatórios  (perturbações) de diversas escalas, alterando o  ...
Hierarquia de Vórtices – Cascata de Energia• Richardson (1920): Grandes vórtices “alimentam”  vórtices menores com sua ECT...
Fatores geradores de turbulência na CLP• Fator mecânico (intermitente): Vento, cisalhamento  do vento.   – Camada Limite N...
Exemplo de ação dos grandes vórtices na            dispersão de poluentes• Basicamente, pode-se resumir os grandes vórtice...
Turbulência em função do Fluxo de Calor na                   Superfície• Durante o dia: Superfície aquece a camada por bai...
CICLO DIURNO DA CLP
O que é modelagem atmosférica?• Descrição ou interpretação dos fenômenos  meteorológicos por meio de equações.• Modelagem ...
Escalas Características• Camada Limite Superficial: Teoria da Similaridade de Monin-  Obukhov.• Parâmetros principais: vel...
• Camada de Mistura:   – Escala de velocidade convectiva:   – Escala de tempo convectivo:• Camada Neutra ou Estável:   – E...
ECT do Ciclo Diurno de acordo com as           características espectrais• Camada Convectiva:          nS ic ( n )        ...
• Decaimento da convecção (Camada Vespertina):• Crescimento da convecção (Camada Matutina):
Espectro de ECT para uma camada matutina –              transição noite-dia:• Variação da escala espacial do vórtice mais ...
MODELAGEM NUMÉRICA DA CLP• Vários modelos.• Filosofia do modelo de Simulação de Grandes  Vórtices (Large-Eddy Simulation -...
• Principal fonte de erro dos modelos numéricos  micrometeorológicos: parametrização de subgrade.• Quanto maior a resoluçã...
• Resolução do modelo depende da estrutura  computacional, porém, para a CLC, grande  resoluções são desnecessárias.
Tempo computacional de simulação• Para o exemplo proposto (Degrazia et al. 2007),  usando uma única máquina em modo sequen...
Exemplo de aplicação do LES:• Simulação da ECT do ciclo diurno, para uma camada  noturna neutra. Escala resolvida e subgra...
REFERÊNCIAS:•   http://www.iahrmedialibrary.net/db/i1/eddies%20turbulent%20boundary%20layer.htm•   http://www.iag.usp.br/m...
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  1. 1. INTRODUÇÃO À MODELAGEM DA CAMADA LIMITE PLANETÁRIA XVIII Semana Acadêmica da Meteorologia Prof. André Becker Nunes
  2. 2. O QUE É CAMADA LIMITE PLANETÁRIA?
  3. 3. O que é Turbulência?• É um fenômeno provocado por movimentos aleatórios (perturbações) de diversas escalas, alterando o comportamento do escoamento.• Os maiores movimentos, ou turbilhões (eddies), são os mais energéticos e tendem a ter a dimensão do escoamento• Os menores atuam principalmente dissipando a energia.
  4. 4. Hierarquia de Vórtices – Cascata de Energia• Richardson (1920): Grandes vórtices “alimentam” vórtices menores com sua ECT. Estes menores vórtices alimentam vórtices menores ainda, até a escala de viscosidade (milímetros).• Kolmogorov (1941): A taxa de transferência de energia entre os vórtices é de -5/3.
  5. 5. Fatores geradores de turbulência na CLP• Fator mecânico (intermitente): Vento, cisalhamento do vento. – Camada Limite Neutra, Camada Limite Estável, Camada Limite Convectiva.• Fator Térmico: Aquecimento superficial, fluxo vertical de calor sensível. – Camada Limite Convectiva.
  6. 6. Exemplo de ação dos grandes vórtices na dispersão de poluentes• Basicamente, pode-se resumir os grandes vórtices convectivos em termos de correntes ascendentes (plumas) e descendentes.
  7. 7. Turbulência em função do Fluxo de Calor na Superfície• Durante o dia: Superfície aquece a camada por baixo.• Durante a noite: Superfície resfria a camada por baixo – inversão térmica.• Nas fases de transição, ou em algumas condições de céu nublado: Camada Neutra.
  8. 8. CICLO DIURNO DA CLP
  9. 9. O que é modelagem atmosférica?• Descrição ou interpretação dos fenômenos meteorológicos por meio de equações.• Modelagem analítica ou teórica: Resolução das equações analiticamente.• Modelagem numérica: Simulação da atmosfera por meio da resolução numérica (computacional) das EDPs para cada ponto de grade. • Modelagem Numérica = Modelagem analítica + Métodos Numéricos
  10. 10. Escalas Características• Camada Limite Superficial: Teoria da Similaridade de Monin- Obukhov.• Parâmetros principais: velocidade de fricção, comprimento de rugosidade, função do perfil do vento, constante de Von Karman e fluxo de calor na superfície.
  11. 11. • Camada de Mistura: – Escala de velocidade convectiva: – Escala de tempo convectivo:• Camada Neutra ou Estável: – Escala de velocidade: – Escala de tempo:• Camadas em Transição: Funções exponenciais da CLC.
  12. 12. ECT do Ciclo Diurno de acordo com as características espectrais• Camada Convectiva: nS ic ( n ) ( z / zi ) 2 / 3 f 2/3 (1,5) 5/3 ciκ 2/3 Ψε 2 = 5/3 [( f ) ] w   * * c 5/3  f  m i 1 + 1,5 *   fm [( ) ] c i   • Camada Neutra ou Estável: nS is ( n ) 2/3 1,5ci fΦ ε = 2   [( f ) ] u* 53 * n+ s 53  1,5 f  1 + * n + s 5 3  m i   [( fm i   ) ]
  13. 13. • Decaimento da convecção (Camada Vespertina):• Crescimento da convecção (Camada Matutina):
  14. 14. Espectro de ECT para uma camada matutina – transição noite-dia:• Variação da escala espacial do vórtice mais energético:
  15. 15. MODELAGEM NUMÉRICA DA CLP• Vários modelos.• Filosofia do modelo de Simulação de Grandes Vórtices (Large-Eddy Simulation - LES):“Grandes vórtices (mais energéticos) são simulados, os pequenos (escala de subgrade) são parametrizados”.• Escala resolvida: grandes vórtices, simulação direta.• Escala de subgrade: pequenos vórtices, parametrizados.• Principal aplicação: CLC – grandes vórtices mais bem definidos.
  16. 16. • Principal fonte de erro dos modelos numéricos micrometeorológicos: parametrização de subgrade.• Quanto maior a resolução do modelo, menor o tamanho da escala resolvida e maior o número de grandes vórtices simulados.
  17. 17. • Resolução do modelo depende da estrutura computacional, porém, para a CLC, grande resoluções são desnecessárias.
  18. 18. Tempo computacional de simulação• Para o exemplo proposto (Degrazia et al. 2007), usando uma única máquina em modo sequencial:• Ou seja, no caso da CLC, pode-se poupar muito tempo computacional.
  19. 19. Exemplo de aplicação do LES:• Simulação da ECT do ciclo diurno, para uma camada noturna neutra. Escala resolvida e subgrade/resolvida :
  20. 20. REFERÊNCIAS:• http://www.iahrmedialibrary.net/db/i1/eddies%20turbulent%20boundary%20layer.htm• http://www.iag.usp.br/meteo/labmicro/• STULL, R. B. An Introduction to Boundary Layer Meteorology. Boston: Kluwer Academic Publishers, 1988. 666p.• http://www.fem.unicamp.br/~im450/Textos&Transparencias/aula-2/aula- 2_arquivos/frame.htm• DEGRAZIA, G. A., ANFOSSI, D., CARVALHO, J., MANGIA, C., TIRABASSI, T., CAMPOS VELHO, H. Turbulence parametrization for PBL dispersion models in all stability conditions. Atmos. Environment., v.34, p.3575-3583. 2000.• GOULART, A.; DEGRAZIA, G.; RIZZA, U.; ANFOSSI, D. A Theoretical model for the study of convective turbulence decay and comparison with large-eddy simulation data. Bound.-Layer Meteorol., v. 107, p. 143-155. 2003.• NUNES, A. B. ; Campos Velho, H. F. ; Satyamurty, P. ; Degrazia, G. ; Goulart, A. ; Rizza, U. . Morning Boundary-Layer Turbulent Kinetic Energy by Theoretical Models. Boundary - Layer Meteorology , p. 1, 2009.• MOENG, C-H. A large-eddy simulation model for the study of planetary boundary layer turbulence. J. Atmos. Sci., v. 41, 1984. p. 2052-2062.• DEGRAZIA, G. A.; NUNES, A. B.; SATYAMURTY, P.; ACEVEDO, O. C.; CAMPOS VELHO, H. F.; RIZZA, U.; AND CARVALHO, J. C. Employing Heisenberg´s turbulent spectral transfer theory to parameterize sub-filter scales in LES models, Atmos. Environ. v. 41, p. 7059-7068. 2007.

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