Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The focus of the present thesis is the nocturnal atmospheric boundary layer, under very stable conditions.
In such situation, the turbulence production by the vertical wind shear may have similar magnitude to
the total turbulence destruction by the thermal stratification and molecular dissipation terms. Besides being
in near balance, the turbulence production and destruction are, each of them, functions of the turbulence
intensity itself. This condition causes situations on which the system behaves on a manner different than that
expected from each of its parts individually. Such processes are characterized, in the present study, as paths
to complexity, and are analyzed separately in the different chapters that compose the thesis. In chapter 2, the
coupling state between the surface and the top of the stable boundary layer (SBL) is investigated using four
different schemes to represent the turbulent exchange. An idealized SBL is assumed, with fixed wind speed
and temperature at its top. The formulations compared are those that solve a prognostic equation for turbulent
kinetic energy (TKE) and those that directly prescribe turbulence intensity as a function of atmospheric
stability. The formulation influence on the coupling state is analyzed and it is concluded that, in general, the
simple TKE formulation has a better response, although it also tends to overestimate turbulent mixing. The
consequences are discussed. In chapter 3, a simplified new model for the exchange between the surface
and the atmosphere under stable conditions is proposed. Its main difference from previous works consists in
the fact that the turbulent intensity is determined by a prognostic equation for turbulent kinetic energy (TKE),
rather than by using stability functions that arbitrarily relate it to atmospheric stability. Its main novelty is
the fact that, when multiple atmospheric levels are considered, it leads to complex solutions, characterizing
the occurrence of the phenomenon known as global intermittency. The vertical structure of the intermittent
events is analyzed, and it shown that they are generated at the surface by a local shear increase above
a threshold, propagating upward through the turbulence transfer term in the TKE equation. It is proposed
that such events constitute a natural characteristic of the disconnected SBL, which occurs along with low
large-scale winds and clear skies. Chapter 4 is devoted to the purpose of showing that the use of stability
functions that represent the turbulence intensity as its average dependence on atmospheric stability reduces
the number of degrees of freedom of the system, precluding it from reaching complex solutions. Finally, in
chapter 5, a detailed system dynamics analysis is applied to the model proposed in chapter 3, with the aim
of identifying whether it is or not chaotic. It is shown that the system bifurcates as the wind speed at the
SBL top increases, reaching period 3 for a range of situations, a sufficient condition for chaos existence.
Furthermore, positive Lyapunov exponents are found, again confirming the chaotic character of the system.
It is shown that the complexity arises from the nonlinear interactions between the different vertical levels
considered, through the vertical turbulence transport terms. / O foco da presente tese é a camada limite atmosférica noturna, sob condições estáveis. Nesta situação,
a produção de turbulência pelo cisalhamento vertical do vento pode ter magnitude similar à destruição
total de turbulência devido à estratificação térmica e a dissipação molecular. Além de serem próximos no balanço,
a produção de turbulência e a destruição são, cada um deles, funções da intensidade turbulenta. Esta
condição causa situações nas quais o sistema se comporta de maneira diferente do que o esperado para
cada uma de suas partes individualmente. Tais processos são caracterizados, no presente estudo, como
caminhos para a complexidade, e são analisados separadamente em diferentes capítulos que compôem a
tese. No capítulo 2, o estado de acoplamento entre a superfície e o topo da camada limite estável (CLE) é
investigado usando 4 diferentes esquemas para representar a intensidade turbulenta. Uma CLE idealizada
é assumida, com velocidade do vento e temperatura fixas no seu topo. As formulações comparadas são
aquelas que resolvem uma equação prognóstica para a energia cinética turbulenta (ECT) e as que prescrevem
diretamente a intensidade turbulenta como uma função da estabilidade atmosférica. A influência da
formulação no estado de acoplamento é analisada e é concluído que, em geral, a formulação simples de
ECT tem a melhor resposta, embora esta tenda a superestimar a mistura turbulenta. As consequências são
discutidas. No capítulo 3, um novo modelo simplificado para interação entre a superfície e a atmosfera em
condições estáveis é proposto. A principal diferença com relação a estudos anteriores, consiste no fato que
a intensidade turbulenta é determinada por uma equação prognóstica para a ECT, ao invés de usar funções
de estabilidade que são arbitráriamente relacionadas com a estabilidade atmosférica. A principal novidade
é o fato que, quando multipos níveis atmosféricos são considerados, este apresenta soluções complexas,
caracterizando a ocorrência do fenômeno conhecido como intermitência global. A estrutura vertical dos
eventos intermitentes é analisada, e esta mostra que os eventos são gerados na superfície pelo aumento
local do cisalhamento acima de uma fronteira, propagando-se para cima através do termo de transporte
turbulento na equação da ECT. É proposto que tais eventos constituam uma característica natural da CLE
desconectada, a qual ocorre em condições de ventos de grande escala fracos e com céu claro. O capítulo
4 tem como propósito mostrar que o uso de funções de estabilidade que representam a intensidade da
turbulência como a dependência média desta com a estabilidade atmosférica, reduz os graus de liberdade
do sistema, assim evitando que este encontre soluções complexas. Finalmente, no capítulo 5, uma análise
dinâmica detalhada é aplicada no modelo proposto no capítulo 3, com meta de identificar se este é caótico
ou não. É mostrado que as soluções do sistema bifurcam-se com o aumento da velocidade do vento no
topo da CLE, encontrando soluções com período 3 para um intervalo de situações, uma condição suficiente
para a existência de caos. Além disso, expoentes de Lyapunov positivos são encontrados, novamente
confirmando o caráter caótico do sistema. É mostrado que a complexidade surge através de interações
não lineares entre os diferentes níveis verticais considerados, através do termo de transporte vertical de
turbulência.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufsm.br:1/3896 |
| Date | 09 December 2011 |
| Creators | Costa, Felipe Denardin |
| Contributors | Acevedo, Otávio Costa, Dias, Pedro Leite da Silva, Rivero, Silvio Nilo Figueroa, Moraes, Osvaldo Luiz Leal de, Degrazia, Gervásio Annes |
| 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/doctoralThesis |
| 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, 300, 300, 300, 300, 300, 300, 4239c892-611b-4128-ac89-6b924ba480e5, e2208229-12a5-4c65-b374-cbc9b69d36e7, 71b6265c-b085-48dd-9de3-8f609060f171, 110f8ebe-bb28-49f5-bffb-89a808b7cfd5, 53fb4f4a-7237-4fb0-bf4c-778cc069294c, 7c80e26e-6967-4a7a-af4e-2fbb5ebc8da0 |
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