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Tipo do documento: Tese
Título: Estudo da organização da turbulência na interface floresta-atmosfera: análises de dados observacionais e simulação numérica
Autor: Dias Júnior, Cléo Quaresma 
Primeiro orientador: Marques Filho, Edson Pereira
Primeiro coorientador: Sá, Leonardo Deane de Abreu
Resumo: Investigou-se a estrutura do escoamento turbulento acima da reserva florestal Rebio-Jarú, localizada no Estado de Rondônia. Para isso, utilizaram-se dados medidos em torre micrometeorológica, coletados durante a estação úmida, em períodos diurnos e noturnos, e também se recorreu à modelagem numérica usando-se Large Eddy Simulation (LES). Para condições diurnas foram analisados alguns aspectos do perfil vertical do vento médio acima e no interior do dossel florestal. Usou-se satisfatoriamente a função tangente hiperbólica com o objetivo de se obter um ajuste para o perfil vertical do vento acima e no interior do dossel florestal, o qual levou em conta a variabilidade da altura do ponto de inflexão no perfil vertical do vento e o índice de área foliar. Além disso, obteve-se uma relação linear robusta entre a variabilidade da altura do ponto de inflexão e a escala temporal associada à organização das estruturas coerentes existentes imediatamente acima da copa florestal. Para a camada limite noturna foram analisadas ocorrências de três diferentes regimes turbulentos: regime 1) fraca turbulência e baixa velocidade do vento; regime 2) forte turbulência e alta velocidade do vento e regime 3) eventos turbulentos não estacionários. Notou-se que na camada limite noturna amazônica a maior frequência de ocorrência é do regime 1 (95%), comparada aos regimes 2 e 3 (5% cada). Contudo, para situações do regime 2, observou-se que o fluxo de calor sensível é cerca de 40 vezes maior comparativamente às situações em que o regime 1 é dominante. Além do quê, em situações em que predomina o regime 2, observou-se que a altura do ponto de inflexão, a escala de comprimento de cisalhamento do vento, as escalas temporais das estruturas coerentes e a taxa de dissipação de energia cinética turbulenta foram consideravelmente maiores quando comparados aos respectivos valores obtidos no regime 1, indicando a ocorrência de forte mistura turbulenta na camada limite superficial. Também constatou-se que os episódios classificados como regime 3 foram essencialmente não-estacionários. Na aplicação do LES foi acrescentada uma força de arrasto no modelo, representativa da floresta amazônica, com o objetivo de se ter simulações o mais próximo da realidade. Seu objetivo foi o de investigar a ocorrência das estruturas coerentes acima da floresta amazônica. Os resultados mostraram que o escoamento turbulento foi sensível à presença do dossel florestal, com um nítido ponto de inflexão no perfil vertical do vento logo acima do dossel. Além disso, os perfis do fluxo de momento e de energia cinética turbulenta foram similares àqueles obtidos com dados experimentais. Na região entre 1h e 4h (onde h corresponde à ix altura média do dossel florestal) os valores de várias grandezas aí observadas, tais como pressão, fluxo de momento, skewnesses de componentes de velocidade do vento e vorticidade sugerem que as estruturas coerentes se organizam na forma de rolos, com eixo de simetria perpendicular ao escoamento médio. Os resultados reforçam a importância de se considerar a física do ponto de inflexão no perfil vertical de velocidade do vento nas trocas turbulentas entre floresta e atmosfera.
Abstract: Were investigated the structure of turbulent flow above the Rebio-Jarú forest reserve, located in the state of Rondônia. For this, we used data measured in micrometeorological tower, collected during the wet season, in daytime and nighttime periods, and also performed numerical modeling using Large Eddy Simulation (LES). For daytime conditions some aspects of the average vertical wind profile above and within the forest canopy were analyzed. It is used the hyperbolic tangent function satisfactorily in order to obtain a functional shape for the vertical wind profile above and inside the canopy, which took into account the variability of the height of the inflection point in the vertical wind profile and the leaf area index, too. Furthermore, we obtained a robust linear relationship between the varying height of the inflection point and the characteristic time scale associated with the coherent organization of existing structures immediately above the forest canopy.For the nocturnal boundary layer situations, three different turbulent regimes were analyzed: regime 1) weak turbulence and low wind speed; regime 2) strong turbulence and high wind speed and regime 3) non-stationary turbulent events. It was noted that in the nocturnal boundary layer the highest frequency of occurrence is related with the first regime (95%), compared to regimes 2 and 3 (5% each). However, for regime-2’s situations, it was observed that the sensible heat flux is about 40 times higher compared to situations in which the regime 1 is dominant. Besides, in situations where the regime 2 is predominant, it was observed that the height of the inflection point, the length-scale associated with the wind-shear, the coherent structures’ time scale, and the dissipation rate of turbulent kinetic energy were significantly higher when compared to the respective values obtained in the regime 1, indicating the occurrence of strong turbulent mixing in the surface boundary layer in such situations. In addition, it was found that the episodes classified as regime 3 were essentially non-stationary. In applying LES was added a drag force into the model, representative of the rainforest canopy, in order to obtain simulations closer to reality. Its main goal was to investigate the occurrence of coherent structures above the Amazon rainforest. The results showed that the turbulent flow was sensitive to the presence of the forest canopy, with a well-defined inflection point on the vertical wind profile just above the canopy. Furthermore, the profiles of momentum flux and turbulent kinetic energy were similar to those obtained with experimental data. In the region between 1h and 4h (where h is the average height of the forest canopy) the observed values of several physical variables such as pressure, momentum fluxes, skewnesses of the wind velocity components, and vorticity are suggesting that coherent structures are organized in form of rolls, with symmetry axis perpendicular to the mean flow. The results reinforce the importance of considering the physical role of the inflection point on the vertical wind speed profile in the turbulent exchanges between forest and atmosphere.
Palavras-chave: Ventos
Turbulência
Área(s) do CNPq: METEOROLOGIA::CLIMATOLOGIA
Idioma: por
País: Brasil
Instituição: Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia
Sigla da instituição: INPA
Departamento: Coordenação de Pós Graduação (COPG)
Programa: Clima e Ambiente (CLIAMB)
Citação: DIAS JUNIOR, Cléo Quaresma. Estudo da organização da turbulência na interface floresta-atmosfera: análises de dados observacionais e simulação numérica. Manaus: [s.n.], 2015. xv, 107. Tese (Clima e Ambiente (CLIAMB)) - Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
Endereço da licença: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
URI: http://localhost:8080/tede/handle/tede/1947
Data de defesa: 14-Set-2015
Aparece nas coleções:Doutorado - CLIAMB

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