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Title: Estudo de Longo Prazo da Estimativa da Altura da Altura da Camada Limite Atmosférica Acima da Amazônia Central
Authors: Souza, Carla
metadata.dc.contributor.advisor: Dias-Junior, Cléo
metadata.dc.contributor.co-advisor: D'Oliveira, Flávio
Keywords: Camada Limite Atmosférica
Issue Date: 14-Apr-2025
metadata.dc.publisher.program: Clima e Ambiente - CLIAMB
Abstract: The height (zi) of the Atmospheric Boundary Layer (ABL) is an essential parameter for ap plications such as weather and climate forecasting, pollutant dispersion, and air quality. This study presents a detailed analysis of the variability of the daytime and nighttime boundary layer above an undisturbed tropical forest. Data were collected from the Amazon Tall Tower Obser vatory (ATTO) site in the central Amazon rainforest. Two datasets were used: a ceilometer to investigate the daytime phase of the ABL, known as the convective boundary layer (CBL), and a profile of 10 three-dimensional sonic anemometers, installed at multiple levels on the ATTO towers, to analyze the nighttime phase of the ABL, known as the nocturnal boundary layer (NBL). With the backscatter profile provided by the ceilometer, it was possible to identify the height where a strong gradient in the backscatter signal occurs, which was considered the top of the CBL. However, at night, the ceilometer is not suitable for estimating the NBL because, in the absence of convection, the ABL height is quite shallow, only a few hundred meters. The refore, for the nighttime period, the turbulent sensible heat flux profile obtained from the sonic anemometers was used. The NBL top was considered to be the height where turbulent fluxes f luctuate around zero. During the daytime phase, the analysis of six years of ceilometer data revealed that the maximum depth of the CBL ( 1400 m) occurs in the afternoon, around 15:00 local time, being higher in the dry season ( 1741 m) and during El Niño years, and lower in the rainy season ( 1263 m) and in LaNiñayears. At night, the NBL exhibited significant interannual and seasonal variations. Higher heights were observed during the rainy season in a La Niña year ( 181.9 m), while the lowest values occurred in the dry season of an El Niño year ( 133.3 m). The main factors influencing this variability were turbulence intensity, radiation balance, and atmospheric stability. The morning growth of the ABL was more intense during the dry period, influenced by higher solar radiation, lower cloud cover, and more favorable initial conditions for this growth. Additionally, a simple model was developed to estimate the maximum height of the ABL based on the morning growth rate. The model showed good agreement with the observed data, providing a practical tool for estimating ABL height in locations without spe cific instrumentation. The results presented here are the first to show a long-term assessment of the CBL and NBL height in the Amazon, as previous studies have only explored short-term experimental campaigns lasting a few days. We believe that these findings not only provide unprecedented information on NBL variability in the Amazon but also contribute to improving the parameterizations of regional and global atmospheric models, enhancing the understanding of atmospheric processes in tropical ecosystems.
metadata.dc.description.resumo: A altura (zi) da Camada Limite Atmosférica (CLA) é um parâmetro essencial para aplicações como previsão de tempo e clima, dispersão de poluentes e qualidade do ar. Este trabalho apre senta um estudo detalhado sobre a variabilidade da Camada Limite Diurna e Noturna acima de uma floresta tropical intocada. Recorreu-se a dados coletados na região do Observatório Torre Alta da Amazônia (ATTO), na floresta amazônica central. Foram utilizados dois conjuntos de dados: um ceilômetro para investigar a fase diurna da CLA, ou seja a camada limite convectiva (CLC) e um perfil de 10 anemômetros sônicos 3D, instalados em múltiplos níveis nas torres do ATTO, para analisar a fase noturna da CLA, conhecida como camada limite noturna (CLN). Com o perfil de retroespalhamento fornecido pelo ceilômetro foi possível identificar a altura onde há um forte gradiente no sinal do retroespalhamento, sendo essa a altura considerada como o topo da CLC. Contudo, durante a noite, o ceilômetro não é indicado para a estimativa da CLN, uma vez que na ausência de convecção a altura da CLA é bastante rasa, algumas poucas centenas de metros. Portanto, para o período noturno recorreu-se ao perfil de fluxo turbulento de calor sensível, obtidos com o perfil de anemômetros sônicos. Foi considerado como topo da CLN a altura em que os fluxos turbulentos giram em torno de zero. Na fase diurna, a análise de seis anos de dados medidos pelo ceilômetro revelou que a profundidade máxima da CLC ( 1400 m) ocorre à tarde, por volta das 15:00 hora local, sendo maior na estação seca ( 1741 m) e durante anos de El Niño, e menor na estação chuvosa ( 1263 m) e em anos de La Niña. Durante a noite, a CLN apresentou variações interanuais e sazonais significativas. Alturas maiores foram observadas na estação chuvosa no ano de La Niña ( 181,9 m), enquanto os menores valores ocorreram na estação seca de El Niño ( 133,3 m). Os principais fatores que influenciaram essa variabilidade foram a intensidade da turbulência, o saldo de radiação e a estabilidade atmosférica. O crescimento matinal da CLA foi mais intenso durante o período seco, influenciado por maior incidência de radiação solar, menor cobertura de nuvens e condições iniciais mais favoráveis a esse crescimento. Além disso, foi desenvolvido um modelo simples para estimar a altura máxima da CLA com base na taxa de crescimento matinal. O modelo mostrou boa concordância com os dados observados, oferecendo uma ferramenta prática para estimativas da altura da CLA em locais sem instrumentação específica. Os resultados apresentados aqui são os primeiros a mostrar um estudo de longo prazo da altura da CLC e da CLN amazônica, visto que em trabalhos anteriores somente campanhas experimentais de poucos dias foram exploradas. Acreditamos que esses resultados não apenas fornecem informações inéditas sobre a variabilidade da CLN na Amazônia, mas também contribui para melhorar as parametrizações dos modelos atmosféricos regionais e globais, ampliando o entendimento de processos atmosféricos em ecossistemas tropicais.
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