MODELAGEM ESPECTRAL DE MICROFÍSICA DE NUVEM

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1 MODELAGEM ESPECTRAL DE MICROFÍSICA DE NUVEM Gerson Paiva Almeida Universidade Estadual do Ceará

2 MODELAGEM DE NUVENS Uma representação adequada das nuvens e microfísica da precipitação é um dos grandes desafios na modelagem das nuvens e da previsão quantitativa da precipitação Com o avanço do poder do computador, esquemas mais sofisticado de representação de microfísica têm sido desenvolvidos / implementado em modelagem com domínios cada vez maiores. Estes esquemas geralmente se enquadram em duas categorias: os esquemas de volume (bulk, a granel) de múltiplos momentos e esquemas espectrais (bin).

3 MODELAGEM DE NUVENS Os esquemas de parametrização de microfísicas a granel são mais comumente utilizados em modelos de mesoescala, tais como, por exemplo, GCEM, RAMS e MM5. Nestes esquemas, todos os processos microfísicos são descritos em termos de parâmetros definidos por integrais, tais como o conteúdo de massa e, em alguns casos, os números de concentrações de gotas de nuvens e de precipitação. O número relativamente pequeno dos parâmetros integrais faz com que os esquemas de parametrização a granel sejam computacionalmente eficiente.

4 MODELAGEM DE NUVENS Em modelos de microfísicas espectral, cada tipo de hidrometeoros de nuvem (i.e., gotas d água em nuvens quentes), é descrito usando as funções de quantidade de massa, distribuições usando várias dezenas de quantidade de massas diferentes. Em contraste com os esquemas de parametrização a granel, as formas das distribuições de tamanho em modelos espectrais não são determinados a priori, mas são calculados no decurso da integração do modelo.

5 MODELAGEM DE NUVENS Os esquemas de microfísica espectral demandam muito mais tempo computacional e são muito mais lentos do que os a granel. No entanto, oferecem maior profundidade na utilização da riqueza de conjuntos de dados observacionais disponíveis (por exemplo, tamanhos de partículas e concentrações, formas de gelo em fase de partículas, densidade). tornando-se uma ferramenta indispensável para estudar detalhadamente as interações entre a dinâmica / microfísica, tais como os efeitos indiretos dos aerossóis.

6 Apesar dos grandes avanços em física das nuvens, muitos problemas ainda persistem no estado de arte da modelagem de microfísica das nuvens. O progresso é diminuído por 1. Muitas lacunas e incertezas no nosso conhecimento de microfísica de nuvens e 2. limitações nas técnica numéricas de representação de alguns processos microfísicos.

7 Discretização da massa Com a discretização da massa é possível representar a distribuição de tamanhos pela função f g que representará a quantidade de gotas num determinado intervalo de tamanho com massa m

8 Crescimento das gotas A taxa de crescimento das partículas atmosféricas que contenham partes solúveis é descrito pela equação de condensação ou de difusão, representando o crescimento causada pela difusão de moléculas de água para a partícula

9 O crescimento das partículas por condensação começa abaixo base da nuvem sob S<0 e continua em nuvens sob condições supersaturação S> 0, dando origem à formação das gotas. Por razões físicas, o processo de crescimento de condensação de partículas é geralmente separadas em três estágios: a. crescimento de partículas de aerossol ao seu tamanho de equilíbrio; b. nucleação de gotículas; c. crescimento por difusão das gotículas.

10 Adaptado de Khain et al., 2000

11 Adaptado de Koogan (1991)

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16 Supersaturação (%) MODELAGEM ESPECTRAL DE NUVENS 1,022 1,02 1,018 1,016 1,014 1,012 1,01 1,008 Maritimo poluido 1,006 1,004 1, altura (m)

17 Crescimento por colisão e coalescência Adaptado de Schlottke et al., 2010 O fenômeno é representado pele seguinte equação

18 Onde A determinação dos valores de Ec é motivo de vários trabalhos: Hall (1980), Bohm (1992), Jonas and Goldsmith (1972), Ochs and Beard (1984) entre muitos outros

19 Ec MODELAGEM ESPECTRAL DE NUVENS 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0, , ,0001 0,001 0,01 Radius (m)

20 Colisão e coalescência Adaptado de Bott (1998)

21 Colisão e coalescência (aspectos numéricos) Quatro métodos numéricos são muito utilizados para ser resolver a equação cinética das colisões 1. O método de Kovetz and Olund (1969). 2. O método de Berry e Reinhardt (1974). 3. O método dos momentos de Tzivion et al. (1987). 4. O método de Bott (1998).

22 1. O método de Kovetz and Olund (1969) desaconselhado por promover crescimento difusivo irreal 2. O método de Berry e Reinhardt (1974) consome muito tempo de computador não conserva a quantidade de massa. 3. O método dos momentos de Tzivion et al. (1987)? 4. O método de Bott (1998) eficiente computacionalmente mas não preserva a quantidade de gotas.

23 Quebra de gotas durante colisão Adaptado de Low and List (1982)

24 Quebra de gotas durante colisão Adaptado de Low and List (1982a)

25 Quebra de gotas durante colisão E coa eficiência da coalescência Adaptado de Low and List (1982a)

26 Quebra de gotas durante colisão Low and List (1982b): definição da fração de fragmentos como folhas, discos e filamentos Adaptado de Low and List (1982b)

27 Quebra de gotas durante colisão Adaptado de Schlottke et al. (2010)

28 Quebra de gotas durante colisão Adaptado de Schlottke et al. (2010)

29 Resultados de simulações de modelo de parcela Adaptado de Almeida e Santos (2007)

30 Resultados de simulações de modelo de parcela Adaptado de Almeida e Santos (2007)

31 Resultados de simulações de modelo de parcela Adaptado de Almeida e Santos (2007)

32 Resultados de modelo Bidimensional Adaptado de Costa et al. (2000)

33 Resultados de modelo Bidimensional Adaptado de Costa et al. (2000)

34 Resultados de modelo Bidimensional Adaptado de Costa et al. (2000)

35 Resultados de modelo Bidimensional Adaptado de Costa et al. (2000)

36 Resultados de modelo Bidimensional Adaptado de Costa et al. (2000)

37 Resultados de modelo Bidimensional Adaptado de Costa et al. (2000)

38 Resultados de modelo Bidimensional Adaptado de Costa et al. (2000)

39 Resultados de modelo Bidimensional Adaptado de Costa et al. (2000)

40 Perspectivas do modelo