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https://repositorio.inpa.gov.br/handle/1/12965| Título: | Estudo do escoamento turbulento atmosférico em diferentes sítios experimentais localizados na Amazônia |
| Autor: | Santana, Raoni Aquino Silva de |
| Orientador: | Silva, Julio Tóta da |
| Palavras-chave: | Perfil do vento Turbulência atmosférica |
| Data do documento: | 28-Jul-2017 |
| Editor: | Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia - INPA |
| Programa: | Clima e Ambiente - CLIAMB |
| Abstract: | Amazon region is known worldwide for the availability of water and for the number of ecosystems such as dense forests land, flooded forests, flood plains, igapós, open and closed fields. The important role that the Amazon rainforest plays in the energy and mass exchange with the atmosphere and the implication of these changes in the climate at a local, regional and global scale is a fact difficult to be answered. Since such changes are controlled by atmospheric turbulence, the understanding of turbulent flow in the different atmosphere layers, in and above the forest canopy and above water surfaces in the Amazon, becomes necessary. In this work, the vertical variability of the wind velocity, the turbulence statistical moments, the sensible heat flux (H) and the turbulent kinetic energy dissipation rate (ε) in different experimental sites in and above Amazon forest were studied. In addition, a comparison was made between turbulent flows above one of these sites (a rough surface) and above a lake, which is also located in the Amazon. Regarding the vertical wind profile, data collected from six towers of different experimental sites were analyzed, aiming to observe the general characteristics of the behavior of said profile, as well as to test the ability of simplified models to reproduce such characteristics. In general, the profile below the canopy is strongly affected by the forest structure. From the soil up to 0.65h (where h = 35 m is the average height of the forest canopy), the vertical wind profile is approximately constant with height and has very low values, less than 1,0 ms -1. Above 0.65h up to 2.25h the wind speed increases with height. As for the models used, both the Yi and Souza models were able to reproduce satisfactorily the wind profile for the different experimental sites. In relation to this last model, it was still possible to reduce the amount of input variables required to simulate the vertical wind speed profile without prejudice to the aforementioned ability. Differently from the wind profile, the other analyzes performed in this work were based on data from only two experimental sites. These data were collected by bi and three - dimensional sonic anemometers arranged from near the forest floor to about 80 m high. Comparing the results of the two sites studied in this study with other two (investigated by other authors in published works) also located in Amazonia, these sites showed significant differences in the efficiency of absorbing momentum of the atmosphere, probably due to small differences in the forest structure of each site. The behavior of the turbulence statistical moments showed that eddies generated above the forest canopy hardly penetrate the region below 0.5h, , and that depth can be more easily reached during strong wind conditions. Likewise, H values were higher during this condition in both during the daytime and nighttime. Another important observation disappears from the H profile is that is not constant with the height, compromising the validity of the Monin-Obukhov’s theory similarity. In addition, it has been noted that the behavior of the H diurnal cycle is quite complex at certain times, changing from positive to negative within the daytime period. The ε diurnal cycle shows the same behavior at all heights, influenced by the solar radiation diurnal cycle. The highest values of ε were also found during the strong winds performance, with a maximum close to the forest canopy top. Comparing the turbulence characteristics above the forest with those observed above the lake, it was verified that in general the air turbulence intensity above the forest was higher than above the lake during the daytime, due to the high efficiency of the forest in absorbing momentum of the turbulent flow. During the nighttime the situation was reversed, with greater air turbulence intensity above the lake, except in some periods in which intermittent turbulence bursts occur above the forest. The horizontal (Λu) and vertical (Λw) eddies scales calculated during the daytime period were higher above forest than above the lake, and the vertical length scale (Lw) was also larger over the forest, but the horizontal length scale (Lu) was higher above lake. The composites of the vertical velocity power spectra obtained for the daytime and nighttime periods for each site showed canonical behavior, with a well-defined inertial subdomain region, except in the nighttime period above the forest. Finally, shear production was the dominant term of the turbulent kinetic energy (TKE) budget equation during the daytime period at both sites. All terms calculated in this work at night showed values close to zero over the lake, indicating that the terms that could not be calculated, such as the TKE advection, may have contributed to maintenance of turbulence overnight at this site. |
| Resumo: | A região amazônica é mundialmente conhecida pela disponibilidade de água e pelo número de ecossistemas, tais como: florestas densas de terra firme, florestas inundadas, planícies de inundação, igapós, campos abertos e fechados. O importante papel que a floresta amazônica exerce nas trocas de energia e massa com a atmosfera e a implicação destas trocas no clima em escala local, regional e global é fato difícil de ser contestado. Uma vez que tais trocas são controladas pela turbulência atmosférica, o entendimento do escoamento turbulento nas diferentes camadas da atmosfera, dentro e acima do dossel da floresta e sobre superfícies aquáticas na Amazônia se faz necessário. Como base nisso, neste trabalho, foram estudados a variabilidade vertical da velocidade do vento, dos momentos estatísticos da turbulência, do fluxo de calor sensível (H) e da taxa de dissipação da energia cinética turbulenta (ε) em diferentes sítios experimentais sobre áreas de floresta na Amazônia. Além disso, foi realizada uma comparação entre os escoamentos turbulentos sobre um destes sítios (tradada como superfície rugosa) e sobre um lago, este também localizado na Amazônia. Com relação ao perfil vertical do vento, foram analisados dados coletados em seis torres de medidas de diferentes sítios experimentais, com objetivo de observar as características gerais do comportamento do referido perfil, além de testar a habilidade de modelos simplificados em reproduzir tais características. De maneira geral, o perfil abaixo do dossel é fortemente afetado pela estrutura da floresta. Do solo até 0,65 (em que h = 35 m é a altura média do dossel da floresta), o perfil vertical do vento é aproximadamente constante com a altura e apresenta valores muito baixos, menores do que 1,0 ms -1. Acima de 0,65h até 2,25h a velocidade do vento aumenta com a altura. Quanto aos modelos utilizados, tanto o modelo de Yi quanto o de Souza conseguiram reproduzir de maneira satisfatória o perfil do vento para os diferentes sítios experimentais. Em relação a este último modelo, ainda foi possível diminuir a quantidade de variáveis de entrada necessárias para simular o perfil vertical de velocidade do vento sem prejuízo na tal habilidade mencionada acima. Diferentemente do perfil do vento, para as outras análises realizadas neste trabalho foram analisados dados de apenas dois sítios experimentais. Tais dados foram coletados por anemômetros sônicos bi e tridimensionais dispostos desde próximo ao solo da floresta até cerca de 80 m de altura. Comparando os resultados dos dois sítios estudados neste trabalho com outros dois (investigados por outros autores em trabalhos já publicados) também localizados na Amazônia, verificou-se que estes sítios apresentaram diferenças significativas na eficiência em absorver momentum daviii atmosfera, provavelmente devido a pequenas diferenças na estrutura da vegetação de cada sítio. O comportamento dos momentos estatísticos da turbulência evidenciou que vórtices gerados acima do dossel florestal dificilmente penetram a região abaixo de 0.5h, sendo que tal profundidade pode ser mais facilmente atingida durante condições de ventos fortes. Da mesma forma os valores de H foram maiores durante esta condição, tanto durante o dia quanto a noite. Outra observação importante, acerca do perfil de H, é o fato deste não ser constante com a altura, comprometendo a validade da teoria de similaridade de Monin- Obukhov. Além disso, notou-se que o comportamento do ciclo diário de H é bastante complexo em certas alturas, mudando de positivo para negativo dentro do período diurno. Já o ciclo diário de ε, apresenta o mesmo comportamento em todas as alturas, influenciado pelo ciclo diário da radiação solar. Os maiores valores de ε também foram encontrados durante a atuação de ventos fortes, com um máximo próximo ao topo do dossel da floresta. Comparando as características da turbulência sobre a floresta com as observadas sobre o lago, foi verificado que, em geral, a intensidade da turbulência do ar sobre a floresta foi maior do que sobre o lago durante o dia, devido à alta eficiência da floresta em absorver momentum do escoamento. Durante a noite, a situação se inverte, uma vez que a turbulência do ar tem maior intensidade sobre o lago, exceto em alguns períodos em que rajadas de turbulência intermitente ocorrem sobre a floresta. As escalas integrais da turbulência horizontal (Λu) e vertical (Λw), calculadas durante o período diurno, foram maiores sobre a floresta do que sobre o lago, da mesma forma que a escala de comprimento vertical (Lw) também é maior sobre a floresta. Por outro lado, a escala de comprimento horizontal (Lu) foi maior sobre o lago. Os compósitos dos espectros de potencia da velocidade vertical obtidos para os períodos diurno e noturno para cada sítio apresentaram comportamento canônico, com a região do subdomínio inercial bem definida, exceto no período noturno acima da floresta. Finalmente, a produção de turbulência por cisalhamento do vento foi o termo dominante da equação do balanço de Energia Cinética Turbulenta (ECT), durante o período diurno em ambos os sítios. Todos os termos desta equação calculados neste trabalho, referente ao período noturno, apresentaram valores muito próximos de zero sobre o lago, indicando que outros termos que não puderam ser calculados, como a advecção de ECT, podem ter contribuído para manter a turbulência durante a noite neste sítio. |
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