“Camada Limite Atmosférica-

importante pois é aonde o ser

humano vive”

An Example of the Effects of Haze

in the Mid-Atlantic

The Great Smoky Mountains National Park

A Clear Day A Hazy Day

Photos from www.epa.gov

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

algumas horas

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

Fisch, 2009

afternoon midnight sunset 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

Hei

gh

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

• Entrainment layer: inversion, intermittent turbulence

1/2/2012 Lecture 01 - Introduction 16

Escalas do Movimento Atmosférico

Oke (1987)

Harrris (JWIA, 2008)

Van der Hoven (1957)

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 vento, processos convectivos, etc.

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.

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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 – e.g. standard deviation of wind / mean wind

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

(Validade da Teoria de Monin-Obhukov)

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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 10th of the PBL, i.e. 0.1h

– However, is nonexistent without wind!

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

Weakly stable lapse rate

Diurnal evolution of the convective and stable boundary layers in

response to surface heating (sunlight) and cooling.

Representação dos vórtices dentro da CLP

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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!

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Free Convection

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Free + Forced Convection

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„Organized‟ Convection

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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.

• Nighttime PBL top difficult to define

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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

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