Análise de turbulência e convecção na Amazônia utilizando o modelo palm-les

Autor: Theomar Trindade de Araújo Tiburtino Neves
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2015
Zdroj: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do INPEInstituto Nacional de Pesquisas EspaciaisINPE.
Druh dokumentu: Doctoral Thesis
Popis: Este trabalho analisa as características da Camada Limite Planetária (CLP), através das análises do comportamento de fluxos turbulentos de calor, umidade e \emph{momentum} obtidos por meio de um modelo de simulação de grandes vórtices (LES) para a camada limite convectiva (CLC), associados com condições de superfície e na zona de entranhamento. O modelo numérico PALM foi utilizado com 3 diferentes conjuntos de dados representando a estação seca (RBLE3), chuvosa (WetAMC) e um período de transição (RaCCI/LBA) com superfícies homogêneas características de pastagem e floresta na região Amazônica. Para a inicialização do modelo foram utilizados observações de perfis de radiossonda (temperatura potencial, umidade específica, componentes do vento) e de fluxos turbulentos de calor sensível e latente em superfície. Para comprovar a eficiência do modelo PALM, foram realizadas validações dos resultados obtidos utilizando-se da evolução diurna dos perfis termodinâmicos e dinâmicos. Durante a estação seca, a simulação de pastagem gerou convecção mais intensa do que a floresta e, como consequência deste maior aquecimento superficial, uma altura da CLC mais profunda. A forte convecção causa misturas efetivas da umidade, aumentando o fluxo de calor sensível e facilitando a ocorrência de maiores vórtices sobre a pastagem. Quando há uma maior disponibilidade de umidade (tanto na atmosfera quanto no solo), como no caso da floresta, o fluxo de calor latente passa a ser o principal modo de transferência de calor por turbulência, regulando o aquecimento e o crescimento da CLC. Através dos perfis de variância de temperatura e umidade, encontrou-se uma interação térmica e úmida mais profunda da ZE com a CLC sobre o sítio de floresta, ao mostrar uma maior variação da amplitude principalmente na variância de temperatura. A análise comparativa entre a razão dos fluxos de calor sensível a superfície e na zona de entranhamento apresentou um valor superior (-0,38) daquele usualmente utilizado pela literatura e diferindo também quanto a variação temporal. A altura da CLC estimada pelo método do mínimo fluxo de calor sensível do modelo foi mais eficiente nas comparações com os resultados analíticos do sítio de floresta (diferença de 340 m), enquanto para o sítio de pastagem uma maior acurácia foi obtida usando o método de estimativa da temperatura potencial (diferença de 560 m). Com respeito ao balanço de energia cinética turbulenta (ECT), o termo de produção térmica se mostrou o mais importante, enquanto que no período chuvoso, a produção mecânica ocorreu com baixa intensidade devido a ventos mais calmos. Os processos físicos em superfície (transporte turbulento) chegaram a produzir até 3 vezes mais mistura na extensão inferior da CLC do que na superior da mesma. Como um estudo de caso, foi realizada uma simulação heterogênea (região de floresta e pastagem juntas) com dados representativos da estação seca, e foi observado que os valores de máximo fluxo de calor latente foram maiores do que aqueles obtidos nos casos homogêneos. A convecção mais intensa produzida pela pastagem, associada a uma maior disponibilidade de umidade da floresta juntamente com uma possível circulação secundária, provocaram esse maior fluxo. A razão dos fluxos de calor sensível à superfície e na zona de entranhamento sobre a heterogeneidade resultou em uma razão de -0,48, ao passo que o balanço de ECT apresenta características bem semelhantes ao sítio homogêneo de floresta.
This thesis analyzes Planetary Boundary Layer (PBL) features by analyzing the behavior of turbulent heat, moisture and \emph{momentum} fluxes obtained through a large eddies simulation (LES) model for the convective boundary layer (CBL) associated with surface conditions and the entrainment zone (EZ). The PALM numerical model was used with three different datasets representing the dry (RBLE3) and rainy (WETAMC) seasons and a transitional period (RaCCI / LBA) with homogeneous pasture and forest surfaces characteristics in the Amazon region. For initialization of the model, observations of radiosonde profiles (potential temperature, specific humidity, wind components) and surface sensible and latent turbulent heat fluxes were used. To prove the PALM model efficiency, validations were carried out for the results obtained using the diurnal evolution of thermodynamic and dynamic profiles. During the dry season, pasture simulation generated more intense convection than the forest and as a consequence of this greater surface warming, a deeper CLC height was formed. The strong convection causes effective moisture mixtures, increasing the sensible heat flux and facilitating the occurrence of major eddies on the pasture. When there is a greater availability of moisture (both in atmosphere and surface), as in the case of the forest, the latent heat flux becomes the main turbulent heat transfer mode, regulating the heating and the CLC growth. Through the temperature and humidity variance profiles, a deeper thermal and moisture interaction of the EZ with the CLC on the forest site was found by showing greater amplitude variation mainly in temperature variance. The comparative analysis of the ratio of surface and entrainment zone sensible heat fluxes presented a higher value (-0.38) than the one usually used in the literature and also differing the temporal variation. The CLC height estimated by the method of the minimum sensible heat flux of the model was more efficient in comparison with the analytical results of the forest site (difference of 340 m), while for pasture site an improved accuracy was achieved using the method of potential temperature (difference of 560 m). Regarding the turbulent kinetic energy (TKE) budget, the thermal output term proved to be the most important, while in the rainy season, the mechanical production occurred with low intensities because of calm winds. Physical processes in surface (turbulent transport) produced up to 3 times more mixing in the lower extension of the CLC than the upper extension. As a case study, was performed a heterogeneous simulation (forest and pasture region together) with data representative of a dry season. It was observed that the maximum latent heat flux values were higher than those found in homogeneous cases. The most intense convection produced by pasture, associated with an increased availability of forest moisture along with a possible secondary circulation, caused this increased flux. The ratio of the surface and EZ sensible heat flux in heterogeneity resulted in a ratio of 0.48, while the TKE budget show characteristics very similar to the homogeneous forest site.
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
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