باسمه تعالی سمينار لايه مرزي عنوان :       سمينار لايه مرزي عنوان : الزامات و ملاحظات مدل سازي لايه مرزي شهري دانشجو:عباسعلی آرامی92742801 مدرس :دکترمهدی مقیمی پردیس دانشگاهی علم وصنعت دیماه 1393

محتويات سمينار: 1)معرفي ومقدمه 2)ساختار لايه مرزي شهري وتئوري 3)اصلاح وبهبود شكل لايه مرزي روي يك محدوده شهري 4)سطح تعادلي انرژي در محدوده شهري 5) نمونه الگوريتم روند انجام پروژه در يك شركت 6)نگاهي به چند كار انجام شده 7)نتايج نهايي 8)مراجع

معرفي ومقدمه: خورشید هر روز طلوع نموده و غروب می کند. چرخه روزانه گرمایش تابشی،باعث ایجاد چرخه شارهای گرمای محسوس و نهان بین زمین و هوا می شود اما این شارها نمی توانند مستقیما به اتمسفر برسند بلکه در یک لایه کم عمق مجاورسطح زمین در تروپوسفر محبوس می شوند.

این لایه، لایه مرزی اتمسفر( Atmosphere Boundary Layer) نامیده می شود و چرخه روزانه ای از تغییرات دما ،رطوبت ،باد و آلودگی را تجربه می کند. تلاطم نیز معمول است و یکی از عوامل طبیعت یکنواخت لایه مرزی است. چون لایه مرزی مکانی است که در آن زندگی می کنیم،محصولات ما رشد می کند و جایی است که تجارت خود را در آن انجام می دهیم ،با چرخه روزانه اش مانوس شده ایم، اما احتمالا از این واقعیت غافلیم که در طبقات دیگر جو این چرخه های روزانه ملاحظه نمی شود.

لايه مرزي شهري بدليل ترازآلودگي بيشتر همواره مورد توجه هواشناسان بوده است ولذا كوششهاي فراواني درجهت پيش بيني وپيش يابي پارامترهاي موثر در اين لايه صورت گرفته است از آن جمله ميتوان به اجراي آزمايشهاي ميداني تهيه الگوريتمهاي متنوع به كمك پارامتري كردن ومدل سازي هاي عددي اشاره كرد كه اغلب آنها در مناطق روستايي كاربرد دارند.

چرا و كجا لايه هاي مرزي شهري مهم هستند؟؟ دانش وتكنيكهاي پيشرفته: موفقيتهاي جديد در دانش UBL امكان مدلهاي كامپيوتري با دقت بالا حذف تجربيات عملي و اندازه گيريهاي تجربي آب وهوا ي محيط و سلامتي واطمينان: حوادث سنگين آب وهوايي پيش بيني كيفيت هوا آب وهواي شهري و اثرات منطقه اي ونا حيه اي آماده سازي اضطراري وامنيتي: مدلهاي متلاشي شده هواي شهري براي شرايط اضطراري

موضوعات مرتبط: عوامل موثر برتغييرات آب وهوايي والزامات براي توسعه نتايج نمونه به ساير شهرها روند قابل توجه مدل سازي وشبيه سازي بالانس انرژي لايه مرزي شهري زبري و مشخصات زير لايه مرزي به شدت برلايه مرزي شهري و اغتشاش وضخامت لايه مرزي موثراست. حدود 90درصد لايه مرزي شهري تحت بررسي با مدلهاي جديد دقت بالا قابل شناسايي هستند. اولويت هاي خاص شامل رطوبت نسبي در طول لايه مرزي –ارتفاع لايه مرزي و توسعه طول لايه مرزي به شدت با مش بندي شبكه و مدل شبكه مرتبط است.

توسعه پيش بيني آب وهواي مناطق شهري ارتباط مدلهاي NWP با آلودگي هواي شهري ومدلهاي تجربي جمعيتPE ساختمان هاي مناطق توسعه يافته شهري اطلاعات كيفيت هوا وسيستمهاي پيش بيني كاربردهايشان در مناطق مختلف آب وهوايي اروپا مدل عددی پیش بینی آب و هوا (NWP)

منبع:The energy balance of urban areas by Ian Nicholas Harman مقیاس افقی تعریف می شود: خیابان (از مرتبه ۱۰ و ۱۰۰متر)، محله (100-1000 متر) و شهري (10-20 کیلومتر) منبع:The energy balance of urban areas by Ian Nicholas Harman

Ways to resolve the UBL structure 1. Obstacles-resolved numerical models - CFD-RANS => turbulent closure, bc, geometry, etc. - LES, …, DNS - simple box models 2. Parameterization of sub-grid processes - theoretical - experimental - numerical 3. Downscaling of models / Nesting techniques - NWP-local-scale meteorological models - Mesoscale models – CFD tools - Mesoscale models – Parameterized models

استراتژي كاربري مدلهاي شهري خواسته هاي متفاوت براي NWP و مدلهاي محيطي مدلهاي مقياسي(ناحيه محله شهر) مدلهاي آب وهوايي(بومي شهري) مدلهاي عددي پيش بيني هوا مدلهاي آلودگي اتمسفري مدلهاي پيشگيرانه اضطراري

منبع:The energy balance of urban areas by Ian Nicholas Harman- ساختار لايه مرزي

یکی از اولین آزمایشات مرتبط با مطالعه لایه مرزی , آلودگی هواي شهری(UBL) و تحقیقات در شبکه شهر نیویورک در دهه1960 ( دیویدسون، 1967؛ Bornstein، 1968 ) بود . با استفاده از هلیکوپتر بر اساس اندازه گیری دما ( بالن مدل و برخی از اولین مدل سازی هاي عددی) و بررسي ارتباط فاصله فضایی UHI نسبت به ارتفاع، و ساختار UBL ایجاد شده . آزمایش هواشناسی (METROMEX - Changnon و همکاران، 1971؛ Changnon، 1981. )

بطوركلي کیفیت هوا بعنوان انگیزه بين المللي برای مشاهده UBL میباشد ESQUIF ..در پاریس ( Menut و همکاران، 2000 ) يك همکاری جدي در زمينه UBL گسترده و روش اندازه گیری آلودگی هوا، و همچنین به عنوان پيشبرد تکنیک های مدل سازی کیفیت هوا mesoscale میباشد.( يك اقدام ارزشمند دركل اتحاديه اروپا براي ارتقاي دانش و همكاري علمي صورت گرفت) . 715 اقدام ارزشمند (هواشناسی کاربردی برای مسائل آلودگی هوا) بين سالهاي 1999-2004 به بررسی خواص عمومی UBL پرداخته شد .

در طول715 آزمايش ارزشمند بطور کلی مشاهده شد که مبنای نظری برای UBL هنوز هم نقص دارد ، و مدل های NWP تا حد زیادی'' حتي بهترین حدس '' از فرآیندهای فیزیکی انحراف دارند وغير معتبر ميباشند . روند بسیار طولانی مشاهده و بسترهاي شهری ( Koskinen و همکاران، 2011 ) فراهم کننده داده بسیار قوی تر نسبت به تست با مدل میباشند.

اعتبار سنجی در برابر داده های تونل باد نشان داده است که روش های عددی در هر جریان ناپایدار(به عنوان مثال، شبیه سازی گرداب بزرگ (LES)، شبیه سازی عددی مستقیم (DNS)، اعداد رینولدز متوسط ​​ناویر استوکس (URANS) در بازتولید ​​الگوهای متوسط جریان ازRANS ( Tominaga و Stathopoulos، 2013 ) بهتر عمل میکنند.  ارائه صحيح يك جریان اتمسفريك متلاطم مهم است و ايجاد نيروهاي اينرسي ناشي از جريان به شدت به شرایط مرزی پايين و شار گرما و دما ي ساختمان وابسته میباشد. ( Boppana و همکاران، 2012). 

تعادل انرژی سطحی کنفرانس بین المللی انرژی اخیر تعادل مقایسه شهری ( Grimmond و همکاران، 2010، 2011 ) تلاش جمعي زیادی برای مقایسه شار مدل با استفاده از 32 طرح سطح مختلف با مشاهدات با کیفیت بالا را انجام دادند. هیچ الگوی واحدی بهترین عملکرد را در تمام شار نداشت، و نتایج کیفیت داده های ورودی بسیار حساس (به خواص حرارتي مواد شهری، مورفولوژی ساختمان) میباشد. پیگون و همکاران. (2007) با استفاده از ترکیبی از مشاهدات و مدل شبیه سازی به این نتیجه رسیدند که فرارفت گرما افقی تحت سلطه شار گرما عمودی است هنگامی که نسیم دریا در مارسی درESCOMPTE / UBL-CLU ( . کروس و همکاران، 2004؛ Mestayer و همکاران،2005 ) در جریان است.. . با توجه به اینکه نسبت QF/ QH مهم است، شار گرمای انسانی به نظر می رسد بیشترین تاثیر را بر UBLدارد هنگامی که در زمان های دیگر از طول UBL همرفتی در طول روز منتشر میشود.

نگاهي به چند كار انجام شده ونتايج آنها

Accepted Sep.2011 جريان هوا و لايه مرزي شهري وابستگي جدي به عوارض طبيعي وساختمانهاي شهر دارد. از طريق شبيه سازي اديهاي بزرگ وروش سه بعدي جريان لايه مرزي در شهرهاي تپه اي با جريان مغشوش وپراكندگي خواص در بالاي تاج شهري (سايبان شهري) شبيه سازي شده است. زمينهاي با ناهمواريهاي متفاوت مورد بررسي قرار گرفته اند. زمينهاي هموار .. زمينهاي با شيب حداكثر 26صدم .. زمينهاي با ساختمانهاي نسبت ارتفاع 3/2 و9/4 .. تنش برشي وسرعت در بالاي تاج شهري در زمينها وساختماني هموار كمتر موثر هستند. باافزايش ارتفاع ناهمواريها وساختمانها تاثير تنش برشي و انرژي جنبشي توربولانس بشدت زياد ميشود. جريان هوا در لايه زير سايباني شهري درزمينهاي تپه اي به شدت بيشتر از زمينهاي هموار است. Turbulente Kinetic Energy :TKE

Accepted Feb.2012 نتايج حاصل حدس لايه مرزي شبانه براي كاربردهاي متنوع :تحليلها حاكي از آنست كه يك حدس ضعيفي از لايه مرزي پايدارارائه ميكنند-مدلهاي پيش بيني تك بعدي تخمين ضعيفي هستند.آناليزها مبين آن هستند كه:لايه مرزي پايدار وابسته شديدي با ترم دارد كه زمان از طلوع آفتاب سنجش ميشود.درضمن لايه مرزي باانتگرال شارحرارتي سطح نيز مرتبط است آنهم بدان علت كه شارحرارتي با سرعت اصطحكاكي سطح مرتبط است. يك حدس مناسب لايه مرزي پايدار ناشي از سرعت اصطحكاكي سطح است كه بطور عملياتي با سرعت باد و طول زبري سطح قابل اندازه گيري ودر دسترس هستند.

نتايج تحقيقات مختلف براي محاسبه عمق لايه پايدار شبانه: رابطه fپارامتر كريوليس است. ثابت c1 برابر 0.13 و0.7 و براي برازش بهتر0.78 گرفته اند.

بنكلي وشولمن 1979 ارتفاع لايه پايدار شبانه را فقط تابعي از سرعت باد در ارتفاع 10 متري معرف كرده اند: كه بعلت پيچيدگي الگوي باد خطاي بالايي دارد.

ونكاترم1980 براي اولين بار دماي سطح را در برآورد عمق لايه پايدار شبانه تاثيرداد:

نيواستات1981 نيواستات1984

نتيجه گيري: باتوجه به اهميت بررسي آلودگي در شهرها بويژه در شب كوششهاي فراواني براي برآورد عمق لايه پايدار شبانه در اين مناطق شده است.از آنجا كه عمق اختلاط از وروديهاي مدلهاي پخش است برآورد آن در منطقه شهري اهميت زيادي دارد از آن جمله ميتوان به اجراي آزمايشهاي ميداني مدل سازي هاي عددي وپارامتري كردن هاي گوناگون اشاره كرد.لازم به ذكر است كه اعتبار اين روابط گاه در مناطق روستايي نيز با ضرايب همبستگي كوچك همراه بوده است از اين رو انتظار نمي رود كه كاربرد آنها در منطقه شهري با ضريب همبستگي زياد همراه باشد زيرا در منطقه شهري گاه رژيم باد همديدي جريانات ميان مقياس محلي ومنطقه اي وتوپوگرافي مانند تاثير سطح وكانوپي شهري اثر خنثي كننده اي دارند.

به طور کلی، تحقیقات نشان داده است که برای شهرها در هر موقعيت غیر تخت( زمین نا هموار) سطح محلی شهر تنها ساختار UBL را تغییر مي دهد و (بطور كامل آن رامشخص نمي كند). از این رو در هر گونه مطالعات هم اندازه گیری ها و هم مدل سازی ها باید mesoscale را مد نظر داشت و برای تفسیر صحیح اندازه گیری در یک نقطه عمل كرد .  مشاهدات چالش برانگیز به دلیل وابستگی مکانی و مقیاسي ویژگی های جریان و خلاق توسعه روش مشاهده ای جدید میباشد.  رادار اسکن افقی ، مانند شبکه رادار آب و هوا در بسیاری از کشورها، می تواند برای استخراج در مقیاس بزرگتر، به صورت جریان گسترده افقی با توجه به لایه مرزی ( رنی و همکاران، 2010 ) مورد استفاده باشد و مهارت در بهبود پیش بینی wind fields در وضوح بالا mesoscale مدل شبیه سازی CBL ( رنی و همکاران، 2011 ) را نتیجه میدهد. رادار قطبی را می توان برای استخراج انکسار اتمسفر از محيط هاي مرطوب استفاده نمود. به عنوان مثال، عبور از نسیم دریا. این مشاهدات در حال حاضر برای شبکه رادار باران عملیاتی میباشد ( نیکول و همکاران، 2014 )

هنوز سوالات بی پاسخ در سطح اساسی در مورد جریان آشفته در RSL برای سایبان های همگن شهری وجود دارد به طوری که مدل سازی جریان آشفته هنوز ممکن نیست. میانگین مدلسازی جریان و مبادله با هوا بالا است، به خصوص برای کاربردهای پراکنده کار کمتر قطعی درمورد اثر رانش در جریان و شار حرارت در سایبان شهری وجود دارد.  این در بخشی به دلیل مشکل در حل لایه مرزی حرارتی در سطوح ساختمان در کار مدل سازی ( CAI، 2012 ) است، و چالش های تجربی در مشاهده فرآیندهای انتقال حرارت در چنین مقیاس کوچک از مدل سازی های فیزیکی (کاندا، 2005 ) استفاده میکند. 

مراجع : 1) Janet F.Barlow Dep.Meteorology of Reading Early Gate.2014... Progress in observing and modeling the urban boundary layer. 2) Alexander BaklanovDanish Meteorological Institute . 2007.. urban boundary layers Experience from EU-FUMAPEX 3) Long sun Anders Nottrott Jan Kleissl.2011... Effect of hilly urbun morphology on dispersion in the urban boundary layer 4) Luca Delle Monache, Jeffrey Weil ,Matthew Simpson,Marty Leach 2009..A New urban boudary layer and dispersion parameterization for an emergency response modeling system ( 5کتاب اصول و مبانی هواشناسی دکتر غلام عباس فلاح قالهری 6) Sam Pournazeri, Akula Venkatram*, Marko Princevac, Si Tan, Nico Schulte.2012.. Estimating the height of the nocturnal urban boundary layer for dispersion applications

با تشکر از توجه شما