The energy cycle and structural evolution of cyclones over southeastern South America in three case studies

In this paper, the Lorenz energy cycle over a limited area was applied for three cyclones with different origins and evolutions, where each of them was formed in an important cyclogenetic region near southeastern South America. The synoptic conditions and energetics were analyzed during each system`s life cycle and showed important relationships between their energy cycle and the evolution of their vertical structure. In the case of the weak baroclinic cyclone which formed on Brazil`s south-southeastern coast, the analysis showed that it originated through a midlevel cutoff low with contribution from barotropic instability. Its evolution would indicate potential transition to a hybrid system if the convective activity were stronger. The system that occurred in the La Plata River mouth had features of an oceanic bomb-type cyclogenesis and showed an important contribution from the available potential energy generation term through the latent heat release by the convection. Meanwhile, the system of the southern Argentina coast presented a classical baroclinic development of extratropical cyclogenesis in the energy cycle, from the wave amplification up to the final occlusion of the associated frontal system. These analyses revealed that the development of some cyclones that occur in eastern South America can present different mechanisms that are not related to the classical extratropical cyclogenesis.

An analysis of the environmental energetics associated with the transition of the first South Atlantic hurricane

This study presents the first analysis of the energetics associated with a hybrid cyclone`s transition in the Southern Hemisphere, Hurricane Catarina ( March 2004). Catarina has earned a place in history as the first documented South Atlantic hurricane, but its unusual tropical transition is still poorly understood. Here we show that Catarina`s transition was preceded by marked environmental changes in the Lorenz energy cycle, with an abrupt shift from a baroclinic to a predominantly barotropic state. Such changes help to explain the unusual vortex`s growth until its transition was completed. Although the vortex`s energy flux is not explicitly calculated, a likely mechanism linking the environmental energetics with Catarina is the extraction of eddy kinetic energy from horizontal momentum and heat transfers within the through component of the blocking. The results advance the understanding of this rare event and suggest that the technique has a great potential to study transitioning systems in general.

Multivariate analysis of the energy cycle of the South American rainy season

The South American (SA) rainy season is studied in this paper through the application of a multivariate Empirical Orthogonal Function (EOF) analysis to a SA gridded precipitation analysis and to the components of Lorenz Energy Cycle (LEC) derived from the National Centers for Environmental Prediction (NCEP) reanalysis. The EOF analysis leads to the identification of patterns of the rainy season and the associated mechanisms in terms of their energetics. The first combined EOF represents the northwest-southeast dipole of the precipitation between South and Central America, the South American Monsoon System (SAMS). The second combined EOF represents a synoptic pattern associated with the SACZ (South Atlantic convergence zone) and the third EOF is in spatial quadrature to the second EOF. The phase relationship of the EOFs, as computed from the principal components (PCs), suggests a nonlinear transition from the SACZ to the fully developed SAMS mode by November and between both components describing the SACZ by September-October (the rainy season onset). According to the LEC, the first mode is dominated by the eddy generation term at its maximum, the second by both baroclinic and eddy generation terms and the third by barotropic instability previous to the connection to the second mode by September-October. The predominance of the different LEC components at each phase of the SAMS can be used as an indicator of the onset of the rainy season in terms of physical processes, while the existence of the outstanding spectral peaks in the time dependence of the EOFs at the intraseasonal time scale could be used for monitoring purposes. Copyright (C) 2009 Royal Meteorological Society

The Diffusion Kernel Filter

A particle filter method is presented for the discrete-time filtering problem with nonlinear ItA ` stochastic ordinary differential equations (SODE) with additive noise supposed to be analytically integrable as a function of the underlying vector-Wiener process and time. The Diffusion Kernel Filter is arrived at by a parametrization of small noise-driven state fluctuations within branches of prediction and a local use of this parametrization in the Bootstrap Filter. The method applies for small noise and short prediction steps. With explicit numerical integrators, the operations count in the Diffusion Kernel Filter is shown to be smaller than in the Bootstrap Filter whenever the initial state for the prediction step has sufficiently few moments. The established parametrization is a dual-formula for the analysis of sensitivity to gaussian-initial perturbations and the analysis of sensitivity to noise-perturbations, in deterministic models, showing in particular how the stability of a deterministic dynamics is modeled by noise on short times and how the diffusion matrix of an SODE should be modeled (i.e. defined) for a gaussian-initial deterministic problem to be cast into an SODE problem. From it, a novel definition of prediction may be proposed that coincides with the deterministic path within the branch of prediction whose information entropy at the end of the prediction step is closest to the average information entropy over all branches. Tests are made with the Lorenz-63 equations, showing good results both for the filter and the definition of prediction.

UNIFORM DISSIPATIVENESS, ROBUST SYNCHRONIZATION AND LOCATION OF THE ATTRACTOR OF PARAMETRIZED NONAUTONOMOUS DISCRETE SYSTEMS

In this series of papers, we study issues related to the synchronization of two coupled chaotic discrete systems arising from secured communication. The first part deals with uniform dissipativeness with respect to parameter variation via the Liapunov direct method. We obtain uniform estimates of the global attractor for a general discrete nonautonomous system, that yields a uniform invariance principle in the autonomous case. The Liapunov function is allowed to have positive derivative along solutions of the system inside a bounded set, and this reduces substantially the difficulty of constructing a Liapunov function for a given system. In particular, we develop an approach that incorporates the classical Lagrange multiplier into the Liapunov function method to naturally extend those Liapunov functions from continuous dynamical system to their discretizations, so that the corresponding uniform dispativeness results are valid when the step size of the discretization is small. Applications to the discretized Lorenz system and the discretization of a time-periodic chaotic system are given to illustrate the general results. We also show how to obtain uniform estimation of attractors for parametrized linear stable systems with nonlinear perturbation.

Variation of System Performance with Design and Climate for Combisystems in Sweden

In Sweden, 90% of the solar heating systems are solar domestic hot water and heating systems (SDHW&H), so called combisystems. These generally supply most of the domestic hot water needs during the summer and have enough capacity to supply some energy to the heating system during spring and autumn. This paper describes a standard Swedish combisystem and how the output from it varies with heating load, climate within Sweden, and how it can be increased with improved system design. A base case is defined using the standard combi- system, a modern Swedish single family house and the climate of Stockholm. Using the simulation program Trnsys, parametric studies have been performed on the base case and improved system designs. The solar fraction could be increased from 17.1% for the base case to 22.6% for the best system design, given the same system size, collector type and load. A short analysis of the costs of changed system design is given, showing that payback times for additional investment are from 5-8 years. Measurements on system components in the laboratory have been used to verify the simulation models used. More work is being carried out in order to find even better system designs, and further improvements in system performance are expected.

Utvärdering av Träslottets ekologiska Kolonistuga i Arbrå

Kolonistugan med lott i Arbrå är ett utställningsobjekt, som har byggts för att visa möjligheter med ekologisk odling på kolonilotten. Kolonistugan består av en växthusdel och en stugdel inredd med kök. Stugan har försetts med ett solvärmesystem, som ger tappvarmvatten och med ett luftsolvärmesystem som lagrar överskottsenergi i marken under växthuset. I denna rapport utvärderas den värmetekniska funktionen hos luftsolvärmesystemet för växthuset och systemet för tappvarmvattenberedning. Arbetet har beställts av Konsumentverket. Målet med denna under­sökning är att utvärdera funktionen hos solvärmesystemen, samt att påvisa eventuella brister i konstruktionen. Omfattande mätningar av temperaturer, solinstrålning och luftflöden har utförts under sommaren och hösten -99.Luftsolvärmesystemets syfte är att förbättra växthusets odlingsklimat och att förlänga odlingssäsongen genom att dagtid ladda ett markvärmelager. Vid solsken startar en solcellsdriven fläkt och luft sugs från växthuset. På så sätt ventileras en del av överskottsvärmen bort från växthuset. Luften värms ytterligare, då den passerar genom en luftsolfångare. Därefter sugs luften ner genom kanaler i mellanväggen och vidare genom marken, där värmen avges. Luften släpps sedan ut utomhus igen.Luftsolvärmesystemet visade sig fungera enligt den tänkta principen och har viss förlängande effekt på odlingssäsongen, men systemet är underdimensionerat för att det skall ge ett påtagligt resultat. Största problemet vad beträffar funktionen är att frostskyddet under kalla nätter inte är tillräckligt effektivt. Systemet klarar endast av att upprätthålla en temperatur på ca 5 grader över utetemperaturen. Systemet är i dagsläget inte särskilt effektivt, men har goda möjligheter att bli bättre om systemet dimensioneras omsorgsfullt och kompletteras med ytterligare installationer. Värmelagrets värmeöverförande yta kan ökas, genom att man bygger en tung värmeackumulerande mellanvägg av stenmaterial. Ett aktivt frostskydd med återcirkulation av luften genom markvärmelager och växthus nattetid är en annan lösning. Om man minskar värmeförlusterna genom att t.ex. använda tvåglasfönster får luftsolvärmesystemet också större effekt.När systemet granskades i detalj upptäcktes en rad misstag, som försämrar systemets prestanda. Bland de största misstagen kan nämnas att stora temperaturförluster uppkommer när luften passerar genom mellanväggen på väg ner till markvärmelagret. Dessa förluster gör ingen nytta för att höja temperaturen i växthuset nattetid. Luftkanalerna i markvärmelagret har också förlagts på ett dumt sätt. Detta gör att värmeöverföringen mellan luften i kanalsystemet och marken försämras.Tappvarmvattensystemet är avsett att producera varmvatten för hushållsbehov under sommaren. Varmvattnet skall räcka enbart till disk, eftersom det inte finns någon duschmöjlighet i stugan. Varmvattnet samlas in med solfångare och lagras i en ackumulatortank på 90 liter. Varmvatten bereds i genomströmning vid en varmvattentappning.Insamlingen av solenergi fungerar bra och varmvattenproduktionen är god vid solig väderlek. Systemet samlar in energi motsvarande 45 liter varmvatten med en temperatur av 45ºC under en solig dag. Systemets förmåga att lagra energi från en solig dag till en mulen dag är däremot dålig, eftersom värmeförlusterna från ackumulatortanken är stora. Orsaken är att ackumulatortanken är mycket liten (endast 90 l), relativt dåligt isolerad och har köldbryggor. Om vatten används som lagringsmedium i ackumulatortanken, måste den tappas av varje höst, för att inte frostsprängningar skall uppstå. Avtappningen har visat sig vara svår för en lekman att utföra.

Provning av tappvattenautomater kopplade till ackumulatortank

Dagens vanliga ackumulatortanksystem har för dålig skiktning i ackumulatortanken, vilket leder till försämrad effektivitet hos systemen. För att förbättra den krävs komponenter, som kan ladda och framförallt urladda med bättre skiktningsegenskaper. Ackumulatorvärmesystem som t ex vedpanna med tank och solvärmesystem kan öka sin effektivitet, om tankens skiktning främjas. En ny typ av varmvattenberedare, sk tappvattenautomater har tagits fram bl a för att ersätta trasiga eller igenkalkade varmvattenberedare i villapannor. Dessa tappvattenautomater har visat sig kunna vara intressanta även för anslutning till ackumulatortankar. Konsumentverket gav SERC uppdraget att testa dessa nya automater för att se hur väl de fungerar i ackumulatorsystem. Vi har testat tre olika fabrikat: Alfajet, Cetetherm och Solvis. Cetetherm provades förutom i grundversionen med trevägsventil, även med en tvåvägsventil. Totalt testades således fyra olika konstruktioner, som skiljer sig i värmeväxlarstorlek och reglerstrategi. I rapporten visas driftsegenskaper och termiska prestanda för tappvattenautomaterna med hjälp av diagram, som upprättades efter omfattande mätningar. Tappvattenautomaterna, som i grundutförande var avsedda för värmepannor, är inte lämpliga för användning tillsammans med ackumulatortank. Tappvattenautomater med god termisk prestanda och till ackumulatorsystem anpassad reglerstrategi ger däremot gott resultat. Alfajet och Cetetherm med trevägsventil är mindre lämpade för ackumulatorvärme-system. En onödigt hög returtemperatur till ackumulatortanken leder till dålig skiktning vid urladdning och därigenom kan en mindre del av energiinnehållet i tanken tillgodogöras. Genom att ersätta trevägsventilen hos Cetetherm med en tvåvägsventil, förbättras den termiska funktionen vid användning med ackumulatortank. Solvis tappvattenautomat var från början konstruerad för solvärmesystem med ackumulatortank och visade sig ha god prestanda. Tappvattenautomaterna testades även med avseende på varmvattenkomforten vid flödesändringar. Ingen av tappvattenautomaterna visade sig kunna reglera varmvattentemperaturen lika bra som ett traditionellt system med väl fungerande blandningsventil. Tappvattenautomatens inverkan på ett solvärmesystems täckningsgrad under sommarhalvårets väderförhållanden testades i SERCs sexdagarstest. I jämförelse till de hittills bästa konventionella system med inbyggda värmeväxlare av typ kamflänsrör kunde täckningsgraden för ett i övrigt likvärdigt system höjas med upp till 15 procentenheter. Marknadspriset för tappvattenautomater på omkring 10 000 kr är fortfarande för högt, för att den skall kunna konkurrera med konventionella system. Vidareutvecklade förenklade system, som produceras i större serier kommer enligt vår bedömning att kunna erbjudas till lägre pris i framtiden.

Förstude: Beskrivning av uppvärmningssystem med solfångare och värmepump för området Anneberg i Danderyds Kommun

Anneberg är ett område i Danderyds kommun där det skall beredas plats för ett nytt bostadsområde. Området skall bebyggas med flerbostadshus, gruppbostäder och ett sjukhem. Denna förstudie beskriver översiktligt 3 systemförslag som kan användas för uppvärmning av husen i bostadsområdet Anneberg. Målsättningen är att presentera uppvärmningssystem som visar hur solenergi kan användas för att öka värmepumpsystemens värmefaktor.Systemen modellerades i TRNSYS och systemfunktionen samt energiflöden simulerades. Simulerade prestanda för tre olika typer av uppvärmningssystem redovisas. System A är ett vanligt värmepumpsystem med borrhål och värmepump placerad i ett flerfamiljshus av typ 3. System B liknar system A, men har kompletterats med en glasad solfångare för varmvattenberedning. System C är en lösning som kan tillämpas för större byggnader eller för ett område med flera byggnader. Systemet har ett gemensamt värmelager och ett kulvertsystem som förbinder byggnaderna med värmelagret. I varje ansluten byggnad installeras sedan en värmepump och en oglasad solfångare.Simuleringsresultatet redovisas som en värmefaktor för systemets fem första driftår. System A får en värmefaktor på mellan 2,3 och 2,7 för de första 5 driftåren. System B får en värmefaktor på mellan 3,4 och 3,7 och system C får en värmefaktor på mellan 4,0 och 4,5. Studien visar att det går att öka värmefaktorn på en värmepumpanläggning från ca 2,5 upp till 4 eller 4,5 genom att komplettera anläggningen med solfångare och värmelager. Detta innebär att elförbrukningen minskar från att vara ca 40 % av värmebehovet ned till under 25 % av värmebehovet. Det bör således finnas en potential för att komplettera värmepumpanläggningar med solvärme. Vilket utförande som kan bli ekonomiskt intressant kan inte bedömas i denna förstudie. I förstudien visas enbart resultatet för tre enstaka systemutföranden. Inga parametervariationer (tex solfångaryta, antal borrhål och avstånd mellan borrhålen) är utförda. En sådan systemoptimering bör göras med förstudien som utgångsläge.

Six-Day System Test and Component test and System Simulation for Combitanks with Internal heat Exchangers

An international standard, ISO/DP 9459-4 has been proposed to establish a uniform standard of quality for small, factory-made solar heating systerns. In this proposal, system components are tested separatelyand total system performance is calculated using system simulations based on component model parameter values validated using the results from the component tests. Another approach is to test the whole system in operation under representative conditions, where the results can be used as a measure of the general system performance. The advantage of system testing of this form is that it is not dependent on simulations and the possible inaccuracies of the models. Its disadvantage is that it is restricted to the boundary conditions for the test. Component testing and system simulation is flexible, but requires an accurate and reliable simulation model.The heat store is a key component conceming system performance. Thus, this work focuses on the storage system consisting store, electrical auxiliary heater, heat exchangers and tempering valve. Four different storage system configurations with a volume of 750 litre were tested in an indoor system test using a six -day test sequence. A store component test and system simulation was carried out on one of the four configurations, applying the proposed standard for stores, ISO/DP 9459-4A. Three newly developed test sequences for intemalload side heat exchangers, not in the proposed ISO standard, were also carried out. The MULTIPORT store model was used for this work. This paper discusses the results of the indoor system test, the store component test, the validation of the store model parameter values and the system simulations.

Provning av ackumulatorsystem för solvärmeanläggningar

Inom projektet provades 10 konfigurationer av samma ackumulatortank. Tankarna utsattes under kontrollerade förhållanden för en 6-dagars testcykel. Under testet tillfördes varje tank värme från en (simulerad) solfångare och, i den mån det behövdes, tillsatsvärme från elpatronen. Väderförhållanden under de sex dagarna var två fina, en växlande, två dåliga och ytterligare en växlande dag i nämnd följd. De flesta systemkonfigurationer klarade sig under de soliga dagarna utan energitillskott från elpatronen och förmådde dessutom att lagra värnlen så att även tappningar på följande dag med "växlande" väder kunde ske utan el-tillskott. De molniga dagarna behövde alla systemkonfigurationer el-tillskott. Solvärmesystemens täckningsgrad varierade mellan 36,5 % för det sämsta systemet till 70, 3 % för det bästa. En ackumulatortank med två seriekopplade tappvarmvattenvärmeväxIare (en i botten för förvärmning och en i tankens övre del för slutvärmning) ger betydligt bättre resultat än en tank med bara en enda sådan värmeväxlare. Tankens volym var i de utförda provningarna 750 liter, solfångarstorleken 10 m2 och lasten 13 kWh per dag. För dessa förutsättningar ger en yttre solvärmeväxlare inga mätbara fördelar gentemot en tillräcklig stor inbyggd värmeväxlare. De gjorda försöken visar, att alla tankkonfigurationerna visar dålig skiktning. Ett fortsatt arbete bör göras för att minska omblandningen i tanken vid både inladdning och uttag av värme.

Villasystem för solvärme

Del 1:Innehållsförteckning och korta sammanfattningarDEL 2:Verksamhetsberättelsen för perioden maj 1992 till april 1993 beskriver de arbeten som har gjorts av villasolvärmegruppen på SERC efter den inledande studie (SERC/UCFB-91/0039), där villasolvärmesystem kartlades. Följande arbeten beskrivs:- Utveckling av lågflödessystem och internationella kontakter- Uppbyggnad av värmelaboratorium på SERC- Praktiska test av värmelagringsenheten- Praktiska test av nya systemkomponenter i solvärmekretsen- Datasimulering inkluderande nyutvecklade systemkomponenterI verksamhetsplanen beskrivs huvudmålet för de arbeten som ska utföras under trårsperioden 93 - 96. Mera detaljerat beskrivs de arbeten som ska utföras under budgetåret 1993/94:- Beräkningsprogram för nogrannare dimensionering av finrörsvärmeväxlare- Konstruktion av maskiner för värmeväxlartillverkning- Utveckling av värmeväxlare för tappvarmvatten- Simuleringsberäkningar för hela systemet med PRESIM/TRNSYS.DEL 3:Del 3 innehåller en redovisning av mätresultat för den undersökta kombitanken. Temperaturförloppen på olika höjd i tankens har studerats vid uppvärmning genom solvärmeväxlaren och nedkylning genom tappning av varmvatten. Resultaten diskuteras kvalitativt och redovisas kvantitativt i form av diagram. Mätresultaten på två prototyper av den på SERC utvecklade finrörsvärmeväxlaren redovisas och diskuteras i jämförelse till traditionell värmeväxlare. De erhållna mätresultaten används som ingångsvärden för simuleringsberäkningar med PRESIM/TRNSYS. Problemen med de i PRESIM/TRNSYS befintliga modellerna diskuteras. De utförda modellberäkningarna tillåter en uppskattning av möjliga förbättringar i form av höjd årsverkningsgrad för ett svenskt villasolvärmesystem med kombitank. I del 3 redovisas dessutom de mätningar som har utförts på otika pumpar vilka skulle kunna användas i solfångarkretsen. Sex olika pumpar analyseras och diskuteras. Del 3 har följande rubriker:- Beskrivning av den undersökta lagringstanken- Mätningar på tappvarmvattenväxlare- Mätningar på solvärmeväxlare (kamflänsrör och finrörsvärmeväxlare)- Simuleringsberäkningar- PumpmätningarDEL 4:Del 4 innehåller publicerade rapporter under 1992 och 93 samt patentansökan för SERC?s finrörsvärmeväxlare: - NORTH SUN 1992, Solar Energy at High Latitudes, June 24-26 1992 Trondheim, Norway. Domestic solar heating system - a systematic study i progress Patentansökan på finrorsvärmeväxlare till Patent- och Registreringsverket från 93 01 23. ISES SOLAR WORLD CONGRESS, 23-27 augusti 1993, Budapest, HUNGARY Criteria for cost efficient small scale solar hot water installations.DEL 5:Del 5 hänvisar till rapporterna från IEA Task-1 4 mötena om solfångarsystem i- Hameln, Tyskland, augusti 1992 och- Rom, Italien, januari 1993.I rapporterna beskrivs aktiviteten inom den internationella arbetsgruppen speciellt med hänsyn på utveckling av villasolvärmesystem. I Rom presenterades principlösningen för den på SERC utvecklade finrörsvärmeväxlare. De har publicerats separat som nr 42 och 46 i SERCs rapportserie.