De turbulente atmosfeer

(1)

De turbulente atmosfeer

Han van Dop Universiteit Utrecht

(2)

10/3/07HOVO cursus, najaar 2007

Horace Lamb (Trinity college, 1849-1934) "I am an old man now, and when I die and go to heaven there are two matters on which I hope for enlightenment. One is quantum electrodynamics, and the other is the turbulent motion of fluids. And about the former I am rather optimistic."

(3)

TURBULENTIE

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

Onderzoek

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

Modellen

(21)

De s tromingsvergelijkingen

De v ersnelling i n e en vloeistof per massaeenheid = De s o m van a lle daarop werkende krachten

(Newton)

(22)

(23)

K rachten

Druk P

Viscositeit

Zwaartekracht g

Electromagnetische kracht j x B + E

Archimedes kracht

Coriolis kracht g

(24)

De r u imte- e n tijdschalen van b eweging

L engteschaal L

S n elheidsschaal U

tijdschaal van b eweging L/U

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)

(32)

De a tmosferische grenslaag

(33)

Maximum and minimum temperature Wind speed gradient (wind shear) Fog and cloudiness Aviation (turbulence, wind gusts) Architecture (wind load, urban climate) Air pollution Wind energy

(34)

(35)

(36)

(37)

Stabiliteit

(38)

Neutrale a tmosfeer

(39)

(40)

(41)

(42)

Onstabiele grenslaag

(43)

(44)

(45)

(46)

Stabiele grenslaag

(47)

(48)

(49)

(50)

(51)

Dagelijkse gang

(52)

Oppervlakte energiebalans

(53)

Incoming short wave radiation S

Outgoing s hort wave radiation S

Incoming long wave radiation L

Outgoing l ong wave radiation L

Net radiation R N

(54)

Albedo

(55)

(56)

(57)

Luchtverontreiniging

(58)

(59)

(60)

(61)

(62)

(63)

(64)

(65)

(66)

(67)

(68)

(69)

(70)

(71)

(72)

(73)

(74)

(75)

(76)

(77)

Wiskundige modellen voor verspreiding en atmosferische chemie

(78)

(79)

Basis veronderstellingen

de turbulente stroming in de atmosfeer is:

stationair: dat wil zeggen U , K y en K z z ijn geen functie van de tijd.

homogeen: dat wil zeggen U , K y en K z zijn geen functie van de plaats

de verspreiding in de stromingsrichting is verwaarloosbaar ten opzichte van het transport door de (gemiddelde) windsnelheid

(80)

• L angzame windrichtingsfluctuaties

• W indraaiing m et de hoogte (w indschering)

• E igen turbulentie v an de pluim

(81)

WIND ENERGIE

(82)

(83)

(84)

48 GW of power installed worldwide 35 GW in the EU 1 GW in the Netherlands EU target increasing from 75 GW in 2010 to 180 GW in 2020 Long-term realisable wind potential in the EU 400 GW 6 GW 2020 Dutch policy target requires approximately 1,000 km 2 of sea area

NEG MICON 92/2750 turbine in the North Sea would roughly produce 12.10 6 kWh/year (~1.4 MW)

(85)

(86)

(87)

(88)

(89)

(90)

(91)

Can large wind farms affect local meteorology?

(92)

Wind farms interact with climate Changes in extreme wind conditions may affect the structural design of turbines Large-scale wind farms will also influence local climate

(93)

(94)

LOKALE KLIMAATVERANDERING DOOR GROOTSCHALIGE WINDENERGIEWINNING OP DE NOORDZEE Kleine windmolenparken lijken geen invloed op het plaatselijk klimaat te hebben, maar grootschalige parken van tienduizend vierkante kilometer zullen wel de gelijk een verandering in het klimaat langs de Nederlandse kust veroorzaken, zo blijkt uit een voorlopige modelstudie van het Instituut voor Marien en Atmosferisch Onderzoek van de Universiteit Utrecht en de groep Meteorologie van de Wageningen U n iv ersiteit.

(95)

Large-scale (9000 km2) offshore wind farm Research questions: • T urbulence generation • C loud formation, • P recipitation enhancement • W ind speed reduction Research subject:

(96)

PRELIMINARY INVESTIGATION RESULTS: • E nhanced cloud formation • R ainfall (at sea) increases. • T he Dutch coast drier and less windy

(97)

(98)

(99)

(100)

(101)

De turbulente atmosfeer

De turbulente atmosfeer

Han van Dop Universiteit Utrecht

Horace Lamb (Trinity college, 1849-1934) "I am an old man now, and when I die and go to heaven there are two matters on which I hope for enlightenment. One is quantum electrodynamics, and the other is the turbulent motion of fluids. And about the former I am rather optimistic."

TURBULENTIE

Onderzoek

Modellen

De s tromingsvergelijkingen

De v ersnelling i n e en vloeistof per massaeenheid = De s o m van a lle daarop werkende krachten

(Newton)

K rachten

Druk P

Viscositeit

Zwaartekracht g

Electromagnetische kracht j x B + E

Archimedes kracht

Coriolis kracht g

De r u imte- e n tijdschalen van b eweging

L engteschaal L

S n elheidsschaal U

tijdschaal van b eweging L/U

De a tmosferische grenslaag

Maximum and minimum temperature Wind speed gradient (wind shear) Fog and cloudiness Aviation (turbulence, wind gusts) Architecture (wind load, urban climate) Air pollution Wind energy

Stabiliteit

Neutrale a tmosfeer

Onstabiele grenslaag

Stabiele grenslaag

Dagelijkse gang

Oppervlakte energiebalans

Incoming short wave radiation S

Outgoing s hort wave radiation S

Incoming long wave radiation L

Outgoing l ong wave radiation L

Net radiation R N

Albedo

Luchtverontreiniging

Wiskundige modellen voor verspreiding en atmosferische chemie

Basis veronderstellingen

de turbulente stroming in de atmosfeer is:

stationair: dat wil zeggen U , K y en K z z ijn geen functie van de tijd.

homogeen: dat wil zeggen U , K y en K z zijn geen functie van de plaats

de verspreiding in de stromingsrichting is verwaarloosbaar ten opzichte van het transport door de (gemiddelde) windsnelheid

• L angzame windrichtingsfluctuaties

• W indraaiing m et de hoogte (w indschering)

• E igen turbulentie v an de pluim

WIND ENERGIE

48 GW of power installed worldwide 35 GW in the EU 1 GW in the Netherlands EU target increasing from 75 GW in 2010 to 180 GW in 2020 Long-term realisable wind potential in the EU 400 GW 6 GW 2020 Dutch policy target requires approximately 1,000 km 2 of sea area

NEG MICON 92/2750 turbine in the North Sea would roughly produce 12.10 6 kWh/year (~1.4 MW)

Can large wind farms affect local meteorology?

Wind farms interact with climate Changes in extreme wind conditions may affect the structural design of turbines Large-scale wind farms will also influence local climate

Large-scale (9000 km2) offshore wind farm Research questions: • T urbulence generation • C loud formation, • P recipitation enhancement • W ind speed reduction Research subject:

PRELIMINARY INVESTIGATION RESULTS: • E nhanced cloud formation • R ainfall (at sea) increases. • T he Dutch coast drier and less windy

windvoorspelling