Camada Limite Atmosférica- importante pois é aonde o ser humano vive

“Camada Limite Atmosférica-

importante pois é aonde o ser

An Example of the Effects of Haze

in the Mid-Atlantic

The Great Smoky Mountains National Park

A Clear Day A Hazy Day

Definição da Camada

Limite Planetária

• A CLP é definida pela presença

de mistura turbulenta entre a

superfície terrestre o ar em uma

escala de tempo inferior a

Turbulence inside the boundary layer

Definition of Turbulence: The apparent chaotic nature of many flows, which is manifested in the form of irregular, almost random

fluctuations in velocity, temperature and scalar concentrations around their mean values in time and space.

História da Micrometeorologia

• Meteorologia: Aristóteles (322 AC) – elementos

do clima (ar, água, fogo, solo)

• Meteorologia: ciência da atmosfera (física da

atmosfera), incluindo previsão do tempo

• Micrometeorologia: fundamentos originários da

hidrodinâmica (Reynolds, 1894, Taylor, 1915,

Prandtl, 1925, Richardson, 1920, Schmidt,

1925). Micrometeorologia moderna (conceito de

turbulência: anos 40 Russia), desenvolvimento

da instrumentação (eddy-correlation technique)

no anos 50, experimentos de campo e Teoria de

Monin-Obhukov (1954).

Micrometeorologia (1/2)

• Movimentos atmosféricos possuem uma

variedade de escalas (temporal e espacial):

• Espacial: de mm até milhares km

• Temporal: de s até meses/anos

• (denominações: local, regional, global)

• Micro: ramo da ciência Meteorológica que

estuda/analisa/investiga os fenômenos

atmosféricos, caracterizados por

microescala (pequena ou local)

Arya, 2002

afternoon sunset midnight sunrise noon

Free Atmosphere

Residual Layer

Stable Nocturnal Boundary Layer

Mixed Layer Mixed

Layer

surface layer surface layer _{surface layer}

0 1 2

Low Level Jet

H

ei

g

h

t

(k

m

)

Vertical structure of the boundary layer

From bottom up:

• Interfacial layer (0-1 cm): molecular transport, no turbulence

• Surface layer (0-100 m): strong gradient, very vigorous turbulence • Mixed layer (100 m - 1 km): well-mixed, vigorous turbulence

1/2/2012 Lecture 01 - Introduction 16 Escalas do Movimento Atmosférico

Harrris (JWIA, 2008)

Micrometeorologia (2/2)

• Ocorrem na parte baixa da troposfera

(denominada de Camada Limite Atmosférica

–

CLA ou Camada Limite Planetária (CLP), no

qual a superfície e a atmosfera interagem.

• Estuda as trocas gasosas de calor/energia,

momentum, massa, ocorrendo continuamente

entre a superfície e a atmosfera

• Exemplos: Balanços de radiação e de energia,

perfis verticais das propriedades, estatística dos

processos turbulentos, atrito/cisalhamento do

Camada Limite Atmosférica:

conceito e características

• CL é definida como sendo uma camada

de fluído (água ou ar) próxima a uma

superfície, onde ocorre uma significativa

troca de momentum, calor/energia e

massa. Variações bruscas das

propriedades do escoamento

(velocidade,temperatura, umidade)

ocorrem (Conceito de Engenharia)

CLA: características

• A CLA é formada como consequência da interação entre a superfície (água/terra/biosfera) e a atmosfera, com

escala de tempo de algumas horas até 1 dia. Nesta

região ocorre o mecanismo de transferência turbulenta vertical (ou mistura). A espessura (ou altura) da CLA (sobre o continente) pode variar entre alguma centenas de metros até poucos km e depende do fluxo de calor da superfície (e do entramento), do cisalhamento do vento, caracteristicas da superficie – rugosidade, topografia,

movimento vertical de larga-escala, advecção horizontal. Esta variação (altura) depende das condições de

umidade do solo (que determina o fluxo de calor

sensível). Em superfície plana e homogenea, a CLA é considerada como sendo horizontalmente homogenea

Turbulência

• Movimento caótico (transporte vertical eficiente). A CLA pode ser considerada a região onde a turbulência é

importante ao passo que a atmosfera livre possui um movimento mais laminar (portanto, topo da CLA pode ser interpretado também como o nível que a turbulência desaparece ou torna-se insignificante).

• Movimentos turbulentos são representações de forma aleatória e irregular da velocidade, temperatura,

concentração. Análise é feita por estatística (valores

médios, desvios, momentos superiores) nas escalas de tempo e espaço.

1/2/2012 Lecture 01 - Introduction 22

Turbulence

• Irregular, almost random 3D velocity fluctuations in a fluid

• Physical manifestations visible by tracers

– swirls of leaves – swaying grass

– ripples on water surface – irregular motions of kites – spreading of smoke

– confetti – etc.

• Gustiness is a simple indicator of turbulence

Camada Limite Superficial

• CLS: é a parte mais baixa da CLA (1/10

de altura ou aproximadamente 100-150 m)

onde o efeito da rotação da Terra (efeito

Coriolis) pode ser desprezado. Não possui

uma variação clara (como o topo da CLA)

e é nesta região que o ocorrem as trocas

mais intensas. A influência dos elementos

de rugosidade é muito importante

1/2/2012 Lecture 01 - Introduction 24

The „Surface Layer‟

• Physical properties

– Layer dominated by mechanically-induced turbulence, i.e. forced convection caused by surface friction

– Large vertical gradients in meteorological variables

• Coriolis effect small, usually ignored

• „Top‟ of this layer not well defined

– More accurate is to think of a transition zone between surface and mixed layers.

• Occupies ~lowest 10

_{of the PBL, i.e. 0.1h}

Boundary layer over land:

Comparison between day and night

Kaimal and Finnigan 1994

• Subtle difference between convective mixed layer and residual layer: Turbulence is more vigorous in the former

Super-adiabatic Nearly

adiabatic

Strongly stable lapse rate

Strongly stable lapse rate Nearly

adiabatic

Diurnal evolution of the convective and stable boundary layers in response to surface heating (sunlight) and cooling.

1/2/2012 Lecture 01 - Introduction 29

Convection

and

Advection

• Convection - the circulatory motion that

occurs in a fluid at a non-uniform

temperature owing to the variation of its

density and the action of gravity, usually

referring to vertical motions.

– Hot cells are transported within cooler

surroundings

• Advection – horizontal transport in the

atmosphere, including heat and mass!

1/2/2012 Lecture 01 - Introduction 30

1/2/2012 Lecture 01 - Introduction 31

1/2/2012 Lecture 01 - Introduction 32

1/2/2012 Lecture 01 - Introduction 33

PBL Continued

• Thickness

– varies from < 100 m – a few km – Diurnal (daily) variations

• Thickening by daytime surface heating, cold air advection over warm surface, increased macro-scale flow

• Thinning at night due to radiative surface cooling

• PBL top also fluctuates spatially from convection cells

– Depends on surface heating rate, strength of winds, surface roughness elements, etc.

1/2/2012 Lecture 01 - Introduction 34

The „Mixed‟ Layer

• Physical Properties

– Characterized more by buoyant instability, i.e. free convection than by forced convection (wind shear)

– Diurnal variations in

meteorological variables smaller than in surface layer.

– Ekman turning can be significant