Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / The appropriate estimation of turbulent fluxes in very stable conditions is a great challenge
for numerical models that simulate the average behavior of the stable boundary layer.
Although many features of the flow are usually reproduced, the intermittent variation turbulence
is not simulated by most atmospheric models that use K theory for the determination
of turbulent fluxes in the stable boundary layer. Moreover, the transition between the very
stable and weakly stable regimes of the stable boundary layer is not well understood and
described by numerical models.
Therefore, in this work a one-and-a-half order numerical model is proposed to represent the
average behavior of the nocturnal boundary layer. The model is based in the one proposed
by Costa et al. (2011). In the presently proposed scheme, both the sensible heat flux and
temperature variance are solved by prognostic equations in order to add degrees of freedom
and physical detail to the model. Throughout the work, comparisons are made among the
solutions varying different parameters. Results are also compared to the solutions obtained
using the model proposed by Costa et al. (2011).
The results show that the present model is able to reproduce the transition between the
coupled and decoupled stable boundary layer regimes, in a manner similar to what is observed
in nature. It also reproduces the occurrence of intermittent non periodical events
and the formation of shallow mixing in weak wind conditions.
The inclusion of prognostic equations for the sensible heat flux and for the temperature
variance provides transitions between regimes at larger winds than those obtained when
these quantities are parameterized, and closer to the observed values.
The model provides a dependence of the potential temperature scale, θ∗ and of the sensible
heat flux on the wind speed that is similar to observations. It also reproduces abrupt transitions
between the stable boundary layer regimes, something not observed in the model
proposed by Costa et al. (2011).
The turbulent kinetic energy balance obtained by the model is closer to the observed by
Acevedo et al. (2016) than was obtained by Costa et al. (2011). Dissipation is the dominat
mechanism of turbulence destruction in very stable conditions, a role played by buoyant
destruction in the model by Costa et al. (2011).
The results sustain the hypothesis proposed by Van Weil et al. (2012), that the very stable
regime happens when turbulence is not capable of sustaining turbulent heat fluxes large
enough to accompany the long wave radiative loss. / A estimativa adequada dos fluxos turbulentos em condições muito estáveis ainda é um grande desafio para os modelos numéricos que descrevem o comportamento médio da CLE. Embora, muitas características do escoamento sejam simuladas, a variação intermitente da turbulência não é reproduzida por grande parte dos modelos atmosféricos que utilizam teoria K na estimativa dos fluxos turbulentos na CLE. Além disso, a transição entre
os regimes muito estável e fracamente estável da CLE, ainda, não é bem compreendida e descrita pelos modelos numéricos.
No presente trabalho é proposto um modelo numérico, de uma ordem e meia, para descrever o comportamento médio de uma camada limite noturna. O modelo é baseado no
que foi proposto por COSTA et al. (2011). O modelo aqui proposto tanto o fluxo de energia
na forma de calor sensível como a variância de temperatura são estimados através de
equações prognósticas, afim de acrescentar graus de liberdade ao sistema e de modo a
acrescentar detalhamento físico à solução. Ao longo do trabalho, foram realizadas comparações
entre as soluções obtidas no modelo variando diferentes parâmetros. As soluções
também são comparadas com as obtidas utilizando o modelo proposto por Costa et al.
(2011).
Os resultados mostram que o presente modelo é capaz de reproduzir as transições entre
os estados acoplado e desacoplado da camada limite estável, de forma semlhante à
observada na natureza. São simulados eventos intermitentes não periódicos que se assemelham
aos observados na camada limite. O modelo também reproduz a ocorrência de
mistura rasa em condições de vento fraco.
A inclusão de equações prognósticas para o fluxo de energia na forma de calor sensível e
para a variância de temperatura proporciona transições entre os estados e em condições
de vento mais intensas que as obtidas quando essas quantidades são parametrizadas, e
mais próximo dos valores observados.
Ao observar a dependêndia das quantidades turbulentas, tais como a escala de temperatura
potencial, θ∗, e o fluxo de energia na forma de calor sensível em função da velocidade do vento, o presente modelo modelo apresentou os resultados mais semelhante aos observados,
se mostrando capaz de reproduzir as transições entre os estados de forma abrupta, diferente do que ocorre no modelo proposto por Costa et al. (2011). O balanço de ECT obtido pelo presente modelo, se aproxima mais do observado por Acevedo
et al. (2016) que o obtido por Costa et al. (2011). A dissipação é o mecanismo dominante de destruição de turbulência no estado desacoplado, papel que era ocupado
pela destruição térmica no modelo de Costa et al. (2011).
Os resultados coroboram a hipótese de Van de Weil et al. (2012), de que o regime muito estável ocorre quando a turbulência não é capaz de produzir fluxos de energia na forma
de calor sensível capazes de acompanhar a perda de energia por radiação.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufsm.br:1/9256 |
| Date | 08 March 2016 |
| Creators | Maroneze, Rafael |
| Contributors | Acevedo, Otávio Costa, Oliveira, Amauri Pereira de, Costa, Felipe Denardin |
| Publisher | Universidade Federal de Santa Maria, Programa de Pós-Graduação em Física, UFSM, BR, Física |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSM, instname:Universidade Federal de Santa Maria, instacron:UFSM |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 100500000006, 400, 500, 500, 300, 300, 4239c892-611b-4128-ac89-6b924ba480e5, e4b7d006-3647-40dc-b855-5c702cf085a2, fa258e78-834c-4438-8db5-a7e90c107495, 387e9600-149a-42c7-b43e-d5004e1bec72 |
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