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Modelo Conceptual
Descripción
Modelo E5 - Turbulencia y Capa Límite Atmosférica
El modelo conceptual busca comprender los mecanismos que dan origen a un comportamiento, y describirlos de la forma más simple posible. Para eso, el comportamiento se segmenta en temas (grupos): cada uno identifica los objetos o variables que participan —tanto en su funcionamiento normal como en sus posibles anomalías o desviaciones— y describe, mediante verbos, la forma en que esos objetos interactúan entre sí. El resultado es lo que llamamos una red semántica: la estructura con la que representamos y comunicamos el modelo conceptual, antes de introducir ecuación alguna.
ID:4939
Estructura de los Grupos
Descripción
El primer paso consiste en analizar la descripción general del modelo e identificar los distintos aspectos que intervienen en el fenómeno y que deben ser representados. Cada uno de estos aspectos se organiza como un grupo, entendido como una unidad conceptual coherente que describe una parte específica del funcionamiento del modelo.
Cada grupo reúne los objetos o conceptos relevantes para ese aspecto y las relaciones o verbos que describen cómo interactúan, se modifican o dependen unos de otros. De esta manera, cada grupo constituye una parte de la red semántica del modelo, mientras que el conjunto de los grupos permite representar de forma estructurada su funcionamiento global.
La división en grupos facilita además separar mecanismos, condiciones, procesos y resultados que cumplen funciones diferentes dentro del modelo, manteniendo al mismo tiempo las relaciones que existen entre ellos. Los grupos no son, por tanto, componentes aislados: pueden compartir conceptos y establecer relaciones entre sí, formando conjuntamente una única representación semántica del fenómeno.
La imagen anterior ofrece una visión general de los distintos aspectos en que se ha estructurado el modelo. A continuación se presentan los grupos identificados, indicando para cada uno su título y una breve descripción del aspecto del modelo que representa.
Grupo 1: Grupo 1: Ciclo diurno de la capa límite
¿Cómo alterna la capa límite entre estados diurno y nocturno?
Grupo 2: Grupo 2: Transporte turbulento vertical
¿Qué transporta la turbulencia desde la superficie hacia la atmósfera?
Grupo 3: Grupo 3: Semejanza de Monin-Obukhov
¿Cómo se clasifica la estabilidad en la capa superficial?
Grupo 4: Grupo 4: Perfiles de viento y temperatura
¿Cómo modifica la estabilidad los perfiles superficiales?
Grupo 5: Grupo 5: Parametrización de primer orden
¿Cómo representa un modelo la turbulencia no resuelta mediante gradientes?
Grupo 6: Grupo 6: Cierre de orden superior y TKE
¿Cómo mejora el cierre al predecir energía cinética turbulenta?
Grupo 7: Grupo 7: Parámetros integradores de superficie
¿Qué magnitudes medibles controlan conjuntamente la estructura y los cierres?
ID:1798
Grupo 1: Grupo 1: Ciclo diurno de la capa límite
Descripción
¿Cómo alterna la capa límite entre estados diurno y nocturno?
Pregunta clave: ¿Cómo alterna la capa límite entre estados diurno y nocturno?
Durante el día, el calentamiento que recibe la superficie genera convección térmica, y esa convección térmica mezcla enérgicamente toda la capa límite atmosférica de arriba abajo; durante la noche, en cambio, el enfriamiento radiativo de la superficie crea una capa nocturna estable en la que la turbulencia queda suprimida. Así, la capa límite atmosférica alterna cada día entre un estado turbulento y mezclado durante las horas de sol y un estado estable y calmo durante las horas de oscuridad, y esa alternancia diaria vuelve a repetirse con cada nuevo ciclo de calentamiento y enfriamiento de la superficie. Comparar la altura a la que se está midiendo con esta longitud de Obukhov permite clasificar el estado de la capa: cuando esa comparación da un resultado negativo, la capa está en un estado inestable, dominado por la convección térmica; cuando da un resultado positivo, la capa está en un estado estable, con la turbulencia suprimida como ocurre durante la noche. Estas dos cantidades son los parámetros fundamentales que controlan la estructura de la capa límite atmosférica: alimentan tanto la teoría de semejanza de Monin-Obukhov como las parametrizaciones de la turbulencia no resuelta, y son, en el fondo, la versión resumida y medible de todo el calentamiento diurno, el enfriamiento nocturno y la turbulencia que se describieron desde el comienzo.
ID:3704
Grupo 2: Grupo 2: Transporte turbulento vertical
Descripción
¿Qué transporta la turbulencia desde la superficie hacia la atmósfera?
Pregunta clave: ¿Qué transporta la turbulencia desde la superficie hacia la atmósfera?
La turbulencia que domina la capa límite atmosférica durante el día no se limita a mezclar el aire: también transporta momento, calor sensible y calor latente desde la superficie hacia el interior de la atmósfera, llevando hacia arriba la cantidad de movimiento, el calor y la humedad que la superficie le entrega a la capa límite atmosférica. Dos cantidades resumen, más que ninguna otra, el estado de toda la capa límite atmosférica en un momento dado: la velocidad de fricción, que mide qué tan fuerte agita el viento a la superficie, y el flujo turbulento de calor que sale de la superficie, que mide cuánto calor le entrega la superficie a la capa límite atmosférica en ese instante. Los esquemas más simples, de primer orden, describen el flujo turbulento como proporcional al gradiente de la cantidad que se transporta, multiplicado por una difusividad turbulenta que resume, en un solo número, todo el efecto de la turbulencia no resuelta. Los esquemas de orden superior, en cambio, resuelven explícitamente una ecuación que predice cómo evoluciona la propia energía cinética turbulenta, y usan esa energía cinética turbulenta para calcular el flujo turbulento con más detalle del que permite un simple esquema de primer orden.
ID:3705
Grupo 3: Grupo 3: Semejanza de Monin-Obukhov
Descripción
¿Cómo se clasifica la estabilidad en la capa superficial?
Pregunta clave: ¿Cómo se clasifica la estabilidad en la capa superficial?
Comparar la altura a la que se está midiendo con esta longitud de Obukhov permite clasificar el estado de la capa: cuando esa comparación da un resultado negativo, la capa está en un estado inestable, dominado por la convección térmica; cuando da un resultado positivo, la capa está en un estado estable, con la turbulencia suprimida como ocurre durante la noche. Con esa misma comparación entre la altura y la longitud de Obukhov, los perfiles de viento y de temperatura dentro de esta capa superficial siguen funciones de similitud que dependen de esa comparación, y esas funciones de similitud son las que modifican el perfil logarítmico que tendrían el viento y la temperatura si la capa estuviera en un estado neutro, ni inestable ni estable. Esta teoría define la longitud de Obukhov, una escala de altura a la que la producción de turbulencia por efecto mecánico del viento y la producción de turbulencia por efecto térmico del calentamiento o enfriamiento de la superficie llegan a ser comparables entre sí. Así, la capa límite atmosférica alterna cada día entre un estado turbulento y mezclado durante las horas de sol y un estado estable y calmo durante las horas de oscuridad, y esa alternancia diaria vuelve a repetirse con cada nuevo ciclo de calentamiento y enfriamiento de la superficie.
ID:3706
Grupo 4: Grupo 4: Perfiles de viento y temperatura
Descripción
¿Cómo modifica la estabilidad los perfiles superficiales?
Pregunta clave: ¿Cómo modifica la estabilidad los perfiles superficiales?
Con esa misma comparación entre la altura y la longitud de Obukhov, los perfiles de viento y de temperatura dentro de esta capa superficial siguen funciones de similitud que dependen de esa comparación, y esas funciones de similitud son las que modifican el perfil logarítmico que tendrían el viento y la temperatura si la capa estuviera en un estado neutro, ni inestable ni estable. Esta teoría define la longitud de Obukhov, una escala de altura a la que la producción de turbulencia por efecto mecánico del viento y la producción de turbulencia por efecto térmico del calentamiento o enfriamiento de la superficie llegan a ser comparables entre sí. Dos cantidades resumen, más que ninguna otra, el estado de toda la capa límite atmosférica en un momento dado: la velocidad de fricción, que mide qué tan fuerte agita el viento a la superficie, y el flujo turbulento de calor que sale de la superficie, que mide cuánto calor le entrega la superficie a la capa límite atmosférica en ese instante.
ID:3707
Grupo 5: Grupo 5: Parametrización de primer orden
Descripción
¿Cómo representa un modelo la turbulencia no resuelta mediante gradientes?
Pregunta clave: ¿Cómo representa un modelo la turbulencia no resuelta mediante gradientes?
Los esquemas más simples, de primer orden, describen el flujo turbulento como proporcional al gradiente de la cantidad que se transporta, multiplicado por una difusividad turbulenta que resume, en un solo número, todo el efecto de la turbulencia no resuelta. Los esquemas de orden superior, en cambio, resuelven explícitamente una ecuación que predice cómo evoluciona la propia energía cinética turbulenta, y usan esa energía cinética turbulenta para calcular el flujo turbulento con más detalle del que permite un simple esquema de primer orden. En los modelos numéricos, la turbulencia que ocurre a una escala más pequeña que la que el propio modelo puede resolver todavía tiene que representarse de alguna manera, y para eso existen las parametrizaciones de la turbulencia no resuelta. La turbulencia que domina la capa límite atmosférica durante el día no se limita a mezclar el aire: también transporta momento, calor sensible y calor latente desde la superficie hacia el interior de la atmósfera, llevando hacia arriba la cantidad de movimiento, el calor y la humedad que la superficie le entrega a la capa límite atmosférica.
ID:3708
Grupo 6: Grupo 6: Cierre de orden superior y TKE
Descripción
¿Cómo mejora el cierre al predecir energía cinética turbulenta?
Pregunta clave: ¿Cómo mejora el cierre al predecir energía cinética turbulenta?
Los esquemas de orden superior, en cambio, resuelven explícitamente una ecuación que predice cómo evoluciona la propia energía cinética turbulenta, y usan esa energía cinética turbulenta para calcular el flujo turbulento con más detalle del que permite un simple esquema de primer orden. Los esquemas más simples, de primer orden, describen el flujo turbulento como proporcional al gradiente de la cantidad que se transporta, multiplicado por una difusividad turbulenta que resume, en un solo número, todo el efecto de la turbulencia no resuelta. Dos cantidades resumen, más que ninguna otra, el estado de toda la capa límite atmosférica en un momento dado: la velocidad de fricción, que mide qué tan fuerte agita el viento a la superficie, y el flujo turbulento de calor que sale de la superficie, que mide cuánto calor le entrega la superficie a la capa límite atmosférica en ese instante.
ID:3709
Grupo 7: Grupo 7: Parámetros integradores de superficie
Descripción
¿Qué magnitudes medibles controlan conjuntamente la estructura y los cierres?
Pregunta clave: ¿Qué magnitudes medibles controlan conjuntamente la estructura y los cierres?
Estas dos cantidades son los parámetros fundamentales que controlan la estructura de la capa límite atmosférica: alimentan tanto la teoría de semejanza de Monin-Obukhov como las parametrizaciones de la turbulencia no resuelta, y son, en el fondo, la versión resumida y medible de todo el calentamiento diurno, el enfriamiento nocturno y la turbulencia que se describieron desde el comienzo. Dos cantidades resumen, más que ninguna otra, el estado de toda la capa límite atmosférica en un momento dado: la velocidad de fricción, que mide qué tan fuerte agita el viento a la superficie, y el flujo turbulento de calor que sale de la superficie, que mide cuánto calor le entrega la superficie a la capa límite atmosférica en ese instante. Para describir esta turbulencia en el tramo más bajo de la capa límite atmosférica, los diez a cincuenta metros más cercanos al suelo, la teoría de semejanza de Monin-Obukhov es el marco teórico estándar. La turbulencia que domina la capa límite atmosférica durante el día no se limita a mezclar el aire: también transporta momento, calor sensible y calor latente desde la superficie hacia el interior de la atmósfera, llevando hacia arriba la cantidad de movimiento, el calor y la humedad que la superficie le entrega a la capa límite atmosférica.
ID:3710