Simulações Numéricas de Escoamentos Atmosféricos:

Circulação sobre uma clareira em uma floresta

Otávio C. AcevedoLaboratório de Física da Atmosfera - UFSM

Sistema de equações governantes da atmosfera

Equações do Momento: atrito de termos1

xpfv

zuw

yuv

xuu

tu

atrito de termos1

ypfu

zvw

yvv

xvu

tv

atrito de termos1

zpg

zww

ywv

xwu

tw

Equação da continuidade: 0

zw

yv

xu

dtd

Equação da energia termodinâmica: diabáticos forçantes

zTw

yTv

xTu

tT

Equação de estado: TRp ´

6 equações, 6 incógnitas (u, v, w, p, T, )

- Fechamento do sistema: depende da escala da simulação

- Grade:

Discretização das equações

Exemplo: xTu

tT

fica: x

TutT

ttTTT

1

22

122

222

xTTu

tT

2

112

1321

22

1

22

- Condições iniciais e de contorno

- Problemas associados à discretização

Tipos de Modelos

- GCM (modelos de circulação global)

Tipos de Modelos

- Modelos de previsão de tempo (global)

- Modelos de previsão de tempo (mesoescala)

LES - Large Eddy Simulation(simulação dos grandes turbilhões)

Leis de Kolmogorov, espectros turbulentos

Espectro da componente vertical da velocidade, medidos em Dona Francisca, RS(cortesia de Rodrigo Silva)

- Em uma simulação LES, se resolve explicitamenteos turbilhões maiores do escoamento;

- A resolução da grade deve ser de uma escala que esteja dentro do subintervalo inercial;

- A parametrização de subgrade pode, portanto, serfeita a partir das leis de Kolmogorov

CLAREIRAS EM UMA FLORESTA

As clareiras representam uma porção pequena da superfície total da floresta, mas podem alterar significantemente as propriedades médias e fluxos locais

Nós perguntamos:

- As clareiras podem ancorar os fluxos de um escalar (CO2 respiratório,

evaporação do solo, radônio, etc.)? Quanto é a influência dessas

clareiras nos fluxos?

- Até que distância da clareira a sua influência é sentida nos fluxos e

variáveis médias?

FERRAMENTA: modelo LES

vv FDgkdtVd

0

FD

dtd

VuVaC id /2

dzzdQF n /

FhQzQ nn exp h

z

dzaF

dx = dy = dz = 2 mdomínio:

180 m em x, 120 m em y,120 m em z.

Floresta de 20 m

vento 2 m/s no topo

Simulações feitas

- no-gap: simulação base, sem clareira;

- base gap: clareira de 20 x 20 m no centro do domínio, fluxo de calor no solo de 100 W/m2,ventos no topo do domínio de 2 m/s;

- 200: base gap, mas com fluxo de calor no solo de 200 W/m2 ;

- big gap: base gap, mas dimensões da clareira são 40 x 40 m;

- windy: base gap, mas ventos de 5 m/s no topo do domínio.

Em todos os casos, vapor d´agua foi usado como traçador escalar, comuma fonte horizontalmente uniforme no solo (100 W/m2)

PERFIS VERTICAIS

Mudanças nos perfis de vento causadas pela clareira:

CIRCULAÇÕES

FLUXOS

A clareira aumenta os fluxos acima e depois de seu lugar

Mudanças nos perfis dos fluxos causadas pela clareira

Aumento local do fluxo de escalar causado pela clareira

CONCLUSÕES

- Clareiras na floresta causam uma circulação do ar em forma de umvórtice. Sua ocorrência depende das dimensões da clareira, daintensidade do vento e do aquecimento na superfície da clareira;

- Clareiras podem determinar que os fluxos de escalares acima de sisejam até 3 vezes maiores que o fluxo médio no domínio;

- O perfil do vento se reajusta rapidamente depois da clareira. Perfis de fluxos precisam de distâncias maiores para se reajustar.