Crescimento da camada limite convectiva: estudo analítico e numérico

Autor: André Becker Nunes
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2008
Zdroj: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do INPEInstituto Nacional de Pesquisas EspaciaisINPE.
Druh dokumentu: Doctoral Thesis
Popis: Com o avanço computacional, a modelagem numérica da turbulência atmosférica tem sido de valiosa importância na análise da física da Camada Limite Planetária (CLP). Neste âmbito, destaca-se a Simulação de Grandes Vórtices (LES). O modelo LES, vastamente empregado em estudos micrometeorológicos, tem como objetivo a simulação direta dos grandes vórtices, fenômenos da escala resolvida, e parametrização dos pequenos vórtices, de escala de subgrade. Contudo, além do desenvolvimento de processamentos cada vez mais rápidos e robustos, a modelagem numérica depende, essencialmente, da elaboração de modelos analíticos. Por outro lado, a modelagem numérica auxilia na comprovação de modelos teóricos, principalmente quando consegue substituir dados observacionais difíceis de serem obtidos. Desta forma, o objetivo desta tese é a verificação de duas metodologias teóricas por meio do modelo LES. A primeira é baseada na escolha de grade a ser selecionada em uma simulação numérica. Aqui, o modelo LES comprova a coerência da teoria que sugere uma restrição física, a altura do topo da camada convectiva, para a determinação do espaçamento de grade. A escolha da resolução a ser empregada em um modelo numérico era, até então, subjetiva, pois baseava-se no número máximo de pontos que a estrutura computacional disponível conseguisse calcular em um tempo razoável. Tal escolha poderia gerar um gasto computacional excessivo ou perda de informação. A segunda teoria desenvolvida nesta tese é a modelagem analítica da fase de transição matutina, baseada na equação de espectro tridimensional do crescimento da convecção - questão ainda em aberto na literatura micrometeorológica e, portanto, principal contribuição deste trabalho. O pleno entendimento da CLP depende da análise das fases de transição. Aqui, discute-se a fase matutina, período do ciclo diurno menos estudado no meio científico. No desenvolvimento do modelo analítico apresentado neste trabalho emprega-se um conjunto de formulações (metodologias de conversão de espectro unidimensional em tridimensional, equações de espectro unidimensional, variâncias de velocidade, taxas de dissipação) que, ao serem inseridas na equação de espectro do crescimento, geram quatro modelos analíticos. A precisão destes modelos é comprovada por meio da comparação entre a energia cinética turbulenta (ECT) gerada analiticamente e a ECT gerada pelo modelo LES. Entretanto, para verificação da coerência dos resultados do modelo LES, previamente foi necessária a simulação numérica do ciclo diurno (camada convectiva, decaimento, camada neutra, crescimento e camada convectiva novamente), o que possibilitou uma proveitosa discussão dos diferentes regimes turbulentos da CLP. Portanto, conclui-se que os resultados alcançados nesta tese contribuem decisivamente na escolha da resolução de grade a ser adotada em simulações convectivas e, principalmente, na modelagem e discussão da camada limite matutina.
With the computational progress, numerical modeling has been very important in the physics of Planetary Boundary Layer (PBL) analysis. In this scope, it emphasizes the Large Eddy Simulation (LES). The LES model, broadly employed in meteorological studies, aims the direct simulation of large eddies, resolved scales phenomena, and parameterizes the small ones, subgrid scale phenomena. However, beyond the development of processing more and more quick and massive, the numerical modeling essentially depends on the working out of analytical modeling. On the other hand, numerical modeling contributes in the proof of theoretical models, mainly when it is able to substitute difficult to be obtained observed data. In this way, the objective of this work is the verifying of two theoretical methodologies through the employment of LES model. The first one is based on the grid resolution to be chosen in a numerical simulation. Here, LES model proofs the coherence of the theory that suggests a physical criterion, the convective layer top height, to determinate the grid spacing. The choice of the resolution to be employed in a numerical model was, so far, subjective, since it was based on the maximum number of points that the disposable computational structure was able to computing under a reasonable time. Such choice could generate an excessive computing spent or lost of information. The second theory developed in this thesis is the analytical modeling of morning transition phase, based on equation of convection growing three-dimension spectrum still open question in micrometeorological literature and, hence, the main contribution of this work. The full understanding of PBL depends on the transition phases analysis. Here, it is argued about morning phase, less studied period of diurnal cycle in the scientific knowledge. In the development of analytical model presented in this work is employed a set of formulations (conversion of one-dimension to three-dimension spectrum methodologies, one-dimension spectrum equations, velocity variances, dissipation rates) which, inserted in the growing spectrum equation, generates four analytical models. The accuracy of such models is proved through a comparison between the turbulent kinetic energy (TKE) generated analytically and the TKE generated by LES. Nevertheless, to verifying the LES results coherence, was previously made a numerical simulation of diurnal cycle (convective layer, decay, neutral layer, growth and convective layer again), what resulted in a useful discussion about different turbulent regimes in CLP. Therefore, it concludes that the results obtained in this thesis contribute well on the grid resolution choice to be adopted on convective simulations and, principally, in the modeling and discussion of morning boundary layer.
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
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