Camada Limite Atmosférica- importante pois é aonde o ser humano vive

Transcrição

1 Camada Limite Atmosférica- importante pois é aonde o ser humano vive

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5 An Example of the Effects of Haze in the Mid-Atlantic The Great Smoky Mountains National Park A Clear Day A Hazy Day Photos from

6 Definição da Camada Limite Planetária A CLP é definida pela presença de mistura turbulenta entre a superfície terrestre o ar em uma escala de tempo inferior a algumas horas

7 Turbulence inside the boundary layer Definition of Turbulence: The apparent chaotic nature of many flows, which is manifested in the form of irregular, almost random fluctuations in velocity, temperature and scalar concentrations around their mean values in time and space.

8 História da Micrometeorologia Meteorologia: Aristóteles (322 AC) elementos do clima (ar, água, fogo, solo) Meteorologia: ciência da atmosfera (física da atmosfera), incluindo previsão do tempo Micrometeorologia: fundamentos originários da hidrodinâmica (Reynolds, 1894, Taylor, 1915, Prandtl, 1925, Richardson, 1920, Schmidt, 1925). Micrometeorologia moderna (conceito de turbulência: anos 40 Russia), desenvolvimento da instrumentação (eddy-correlation technique) no anos 50, experimentos de campo e Teoria de Monin-Obhukov (1954).

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10 Micrometeorologia (1/2) Movimentos atmosféricos possuem uma variedade de escalas (temporal e espacial): Espacial: de mm até milhares km Temporal: de s até meses/anos (denominações: local, regional, global) Micro: ramo da ciência Meteorológica que estuda/analisa/investiga os fenômenos atmosféricos, caracterizados por microescala (pequena ou local)

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13 Arya, 2002 Fisch, 2009

14 Height (km) 2 Free Atmosphere 1 Mixed Layer Residual Layer Low Level Jet Mixed Layer 0 Stable Nocturnal Boundary Layer surface layer surface layer surface layer afternoon sunset midnight sunrise noon

15 Vertical structure of the boundary layer From bottom up: Interfacial layer (0-1 cm): molecular transport, no turbulence Surface layer (0-100 m): strong gradient, very vigorous turbulence Mixed layer (100 m - 1 km): well-mixed, vigorous turbulence Entrainment layer: inversion, intermittent turbulence

16 Escalas do Movimento Atmosférico Oke (1987) 1/2/2012 Lecture 01 - Introduction 16

17 Harrris (JWIA, 2008) Van der Hoven (1957)

18 Micrometeorologia (2/2) Ocorrem na parte baixa da troposfera (denominada de Camada Limite Atmosférica CLA ou Camada Limite Planetária (CLP), no qual a superfície e a atmosfera interagem. Estuda as trocas gasosas de calor/energia, momentum, massa, ocorrendo continuamente entre a superfície e a atmosfera Exemplos: Balanços de radiação e de energia, perfis verticais das propriedades, estatística dos processos turbulentos, atrito/cisalhamento do vento, processos convectivos, etc.

19 Camada Limite Atmosférica: conceito e características CL é definida como sendo uma camada de fluído (água ou ar) próxima a uma superfície, onde ocorre uma significativa troca de momentum, calor/energia e massa. Variações bruscas das propriedades do escoamento (velocidade,temperatura, umidade) ocorrem (Conceito de Engenharia)

20 CLA: características A CLA é formada como consequência da interação entre a superfície (água/terra/biosfera) e a atmosfera, com escala de tempo de algumas horas até 1 dia. Nesta região ocorre o mecanismo de transferência turbulenta vertical (ou mistura). A espessura (ou altura) da CLA (sobre o continente) pode variar entre alguma centenas de metros até poucos km e depende do fluxo de calor da superfície (e do entramento), do cisalhamento do vento, caracteristicas da superficie rugosidade, topografia, movimento vertical de larga-escala, advecção horizontal. Esta variação (altura) depende das condições de umidade do solo (que determina o fluxo de calor sensível). Em superfície plana e homogenea, a CLA é considerada como sendo horizontalmente homogenea

21 Turbulência Movimento caótico (transporte vertical eficiente). A CLA pode ser considerada a região onde a turbulência é importante ao passo que a atmosfera livre possui um movimento mais laminar (portanto, topo da CLA pode ser interpretado também como o nível que a turbulência desaparece ou torna-se insignificante). Movimentos turbulentos são representações de forma aleatória e irregular da velocidade, temperatura, concentração. Análise é feita por estatística (valores médios, desvios, momentos superiores) nas escalas de tempo e espaço.

22 Turbulence Irregular, almost random 3D velocity fluctuations in a fluid Physical manifestations visible by tracers swirls of leaves swaying grass ripples on water surface irregular motions of kites spreading of smoke confetti etc. Gustiness is a simple indicator of turbulence e.g. standard deviation of wind / mean wind 1/2/2012 Lecture 01 - Introduction 22

23 Camada Limite Superficial CLS: é a parte mais baixa da CLA (1/10 de altura ou aproximadamente m) onde o efeito da rotação da Terra (efeito Coriolis) pode ser desprezado. Não possui uma variação clara (como o topo da CLA) e é nesta região que o ocorrem as trocas mais intensas. A influência dos elementos de rugosidade é muito importante (Validade da Teoria de Monin-Obhukov)

24 The Surface Layer Physical properties Layer dominated by mechanically-induced turbulence, i.e. forced convection caused by surface friction Large vertical gradients in meteorological variables Coriolis effect small, usually ignored Top of this layer not well defined More accurate is to think of a transition zone between surface and mixed layers. Occupies ~lowest 10 th of the PBL, i.e. 0.1h However, is nonexistent without wind! 1/2/2012 Lecture 01 - Introduction 24

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26 Boundary layer over land: Comparison between day and night Strongly stable lapse rate Nearly adiabatic Super-adiabatic Kaimal and Finnigan 1994 Weakly stable lapse rate Nearly adiabatic Strongly stable lapse rate Subtle difference between convective mixed layer and residual layer: Turbulence is more vigorous in the former

27 Diurnal evolution of the convective and stable boundary layers in response to surface heating (sunlight) and cooling.

28 Representação dos vórtices dentro da CLP

29 Convection and Advection Convection - the circulatory motion that occurs in a fluid at a non-uniform temperature owing to the variation of its density and the action of gravity, usually referring to vertical motions. Hot cells are transported within cooler surroundings Advection horizontal transport in the atmosphere, including heat and mass! 1/2/2012 Lecture 01 - Introduction 29

30 Free Convection 1/2/2012 Lecture 01 - Introduction 30

31 Free + Forced Convection 1/2/2012 Lecture 01 - Introduction 31

32 Organized Convection 1/2/2012 Lecture 01 - Introduction 32

33 Thickness PBL Continued varies from < 100 m a few km Diurnal (daily) variations Thickening by daytime surface heating, cold air advection over warm surface, increased macro-scale flow Thinning at night due to radiative surface cooling PBL top also fluctuates spatially from convection cells Depends on surface heating rate, strength of winds, surface roughness elements, etc. Nighttime PBL top difficult to define 1/2/2012 Lecture 01 - Introduction 33

34 Physical Properties The Mixed Layer Characterized more by buoyant instability, i.e. free convection than by forced convection (wind shear) Diurnal variations in meteorological variables smaller than in surface layer. Ekman turning can be significant 1/2/2012 Lecture 01 - Introduction 34

35 1/2/2012 Lecture 01 - Introduction 35