Turbulenta processer

Turbulens i atmosfären består av oregelbundna variationer i vind, temperatur och fuktighet som uppkommer på grund av mängder av 3-dimensionella virvlar i luften av olika storlek och styrka. Turbulenta rörelser i luften skapas av att vindstyrkan ökar med höjden, så kallad vindskjuvning, eller genom effekten av uppvärmning eller nedkylning av luften mot markytan. Turbulens är viktigt eftersom det skapar en större omblandning i atmosfären och effektivt omfördelar energi, gaser och partiklar både horisontellt och vertikalt. I de flesta naturliga strömningar kan en stor mängd både små och stora virvlar observeras, till skillnad från många mänskligt skapade strömningar i vattenledningar och fontäner där strömningen är mycket mer likartad. Omfattningen och strukturen på turbulensens i atmosfären beror till mycket stor del på omgivande förhållanden och varierar starkt med vindhastighet och värmeutbyte mellan luft och mark. Under en blåsig eftermiddag blandar turbulensen effektivt om och sprider snabbt ut gaser eller partiklar som släpps ut nära markytan, medan den mycket svagare turbulensen under kalla vinternätter i kallt klimat är av stor vikt för exempelvis ökade halter av luftföroreningar och väderextremer så som extrem kyla.

Forskningen som bedrivs kring turbulenta processer av Meteorologi gruppen vid Uppsala Universitet täcker in olika aspekter från grundforskning och förståelse av turbulensens ursprung, intensitet och effekt i olika atmosfäriska och oceanografiska förhållanden och mer tillämpad forskning om förnybar energi, spridning och utbytesprocesser. I marina miljöer studerar vi hur havsvågor, på cm-skala till hundratals meter långa vågor, påverkar egenskaper hos turbulensen av vikt för kopplingen mellan atmosfär och hav/sjöar. Det har kunnat visas att egenskaper påverkas av långa havsvågor så att turbulensens struktur och utbytesmekanismen påverkas (se Figur 1 på ett exempel på large-eddy simulering av ett atmosfäriskt gränsskikt under inflytande från både vindskjuvning, konvektion och havsvågor). Stormar och tropiska orkaner är mäktiga atmosfäriska rörelsesystem som behöver studeras genom en mängd verktyg så som högfrekventa turbulensmätningar, i master, på vågbojar och fartyg, och numeriska modeller med hög rumslig och temporal upplösning är ofta nödvändiga för att studera de turbulenta processer som pågår och är av stor vikt för samhälle och allmänhet.

I både nationella och internationella samarbeten studerar vi även hur, under dygnets typiska variationer, turbulensen ändras under exempelvis övergångar mellan turbulensdominerade förhållanden på eftermiddagen till de mycket mer stabila och lugna förhållanden som råder nattetid. De cykler i turbulensnivå som uppkommer under dygns och årsvariationer, med variationer i turbulensens styrka och virvlars storlek är av stor betydelse för etablering av vindkraft, speciellt över områden med skog, där laster orsakade av turbulens kan antas vara större. I dessa studier används oftast en kombination av fältmätningar, numeriska beräkningar med large-eddy simulering eller väderprognosmodeller samt utveckling av statistiska metoder och modeller. Ett exempel kans ses i Figur 2, där vindhastigheten mätt av olika sensorer placerade över en skogsbeklädd kulle visas under en dygnscykel.

Figur 1: Turbulenta variationer i vertikalvinden visas visualiserade för en large-eddy simulering med påverkan av starka dyningsvågor med omväxlande mönster av vågkorrelerade uppåtvindar (i rött) och nedåtvindar (i blått) nära en idealiserad havsyta. Formation av mer storskaliga horisontella områden med uppåtvindar och nedåtvindar, påverkade av vindskjuvning och skiktning, visas utdragna i den geostrofiska vindens riktning och är för detta fall visualiserade med iso-ytor för uppåtvindar om mer än 1 m/s (i rött).

Figur 2. Vindens variation över dygnet. Mätningar från en skogsbeklädd kulle där rött och orange visar mätningar med lidar (LIght Detection and RAnging), blått med sodar (Sound Detection and RAnging) and lila med Sonic anemometer från en 180 m hög mätmast.

Personer: Anna Rutgersson, Erik Nilsson, Johan Arnqvist