Exportar este item: EndNote BibTex

Use este identificador para citar ou linkar para este item: https://bdtd.inpa.gov.br/handle/tede/2260
Tipo do documento: Tese
Título: Detecção de fenômenos extremos na camada limite atmosférica noturna acima da floresta Amazônica a partir da análise de sinais precursores
Autor: Farias, Francisco Otávio Miranda 
Primeiro orientador: Sá, Leonardo Deane de Abreu
Primeiro coorientador: Randow, Celso von
Segundo coorientador: Ramos, Fernando Manoel
Resumo: É estudada a ocorrência de fenômenos extremos (FE) na camada limite estável (CLE) acima da floresta Amazônica. Para isso foi utilizada metodologia disponível na literatura, baseada na detecção estatisticamente robusta de sinais precursores que antecedem a existência de um ponto de ruptura que marca o limiar entre dois estados qualitativamente diferentes do sistema dinâmico investigado. Tais sinais precursores são detectáveis nos períodos que antecedem tal transição crítica em que há um amortecimento considerável das flutuações turbulentas, como se isto funcionasse como fenômeno precursor da irrupção dos fenômenos extremos, o que indica processos característicos de "critical slowing down” (CSD), conforme a conceituação de Dakos et al. (2012). Eles apresentam-se associados a forte atividade convectiva, com diminuições consideráveis nos valores da temperatura potencial equivalente, θE, e com aumentos consideráveis nas concentrações de ozônio, O3 (assumidas como variáveis de estado), além de alterações na direção do vento e aumentos abruptos nos valores da velocidade do vento (U), em geral indicando a transição de um regime de turbulência fraca para outro de turbulência forte. A aplicação de outra metodologia para a caracterização de FE’s, baseada na utilização da decomposição do sinal em escalas usando-se a Transformada Wavelet (TW) e a utilização da informação referente aos valores das fases do sinal nas escalas permitiu a detecção de singularidades associadas à ocorrência do FE, além da caracterização de processos associados à sua geração, como a existência de bifurcações sub-harmônicas e super-harmônicas, respectivamente antes e depois da eclosão do FE e de dobramento de período. A utilização de diagramas de Poincaré, nos quais foi usada informação que precede, e também que sucede o FE, permitiu a identificação de ponto fixo e ciclo-limite repulsores antes do FE e de ciclo-limite e ponto fixo atratores depois do FE. Este último permaneceu existindo enquanto foi possível se manter um regime de turbulência suficientemente forte, após o que o padrão de oscilação dos sinais medidos pouco acima da copa florestal sofreu modificação drástica, com reflexos nos padrões de interação entre a floresta e a atmosfera. As séries temporais usadas foram obtidas em torre meteorológica erigida na reserva Biológica do Cuieiras, localizada a 60 km a norte/noroeste da cidade de Manaus, norte do Brasil (S 2°36.11', W 60°12.56'), durante o período correspondente à estação chuvosa da Amazônia, quando das campanhas experimentais do projeto GoAmazon (Observations and Modeling of the Green Ocean Amazon) em 2014/15. No presente estudo foram efetuados diversos testes estatísticos para comprovar a ocorrência de fenômenos do tipo CSD na camada limite atmosférica, particularmente, na camada limite noturna. Foram analisados quatro casos em que ocorreu CSD em períodos precursores da transição entre os dois regimes de turbulência supramencionados, o que se verificou sempre durante a estação chuvosa da região. Aqui serão inicialmente aprofundadas as análises para o caso do dia 12 de abril de 2014 por se tratar do dia com maior disponibilidade de dados e para o qual foram obtidos os melhores resultados, em comparação com os demais casos identificados, possivelmente por se tratar de um evento em que a forte nuvem convectiva que desencadeou o FE à superfície teve seu eixo de deslocamento espacial disposto de forma a apontar para a região onde estava a torre experimental. Como principais conclusões, podem ser mencionados: i) foram feitos vários testes estatisticamente robustos que comprovaram aexistência de CSD para alguns casos na atmosfera tropical. Ao que se saiba este foi o primeiro caso comprovado de CSD para dados experimentais na camada limite noturna; ii) os casos em que se obteve maior robustez nas tendências dos indicadores de CSD foram aqueles em que o eixo de deslocamento da nuvem estava apontando na direção da torre experimental; iii) as variáveis que se mostraram mais adequadas para verificar a ocorrência de CSD foram 𝜃 e concentração de 𝑂; iv) Aumentos significativos nos indicadores ocorrem uma única vez por transição, reafirmando os princípios do CSD já analisados na literatura disponível e discutidos ao longo do presente manuscrito; v) Todas as tendências positivas para existência de CSD ocorreram sempre em transições entre regimes de turbulência fraca e forte e estiveram sempre acompanhadas de mudanças de pelo menos 45° na direção do vento e presença de convecção profunda nos arredores do sitio experimental; vi) para alguns casos verificou-se a existência de ciclos repulsores e atratores associados às flutuações de variáveis como a velocidade do vento. Esses ciclos foram obtidos a partir da construção de diagramas de Poincaré associando as flutuações das variáveis e suas respectivas derivadas temporais. Observe-se que os diagramas de Poincaré associados aos dados de velocidade do vento foram plenamente satisfatórios para este estudo de caso. Para os demais casos tal robustez não foi plenamente verificada, mas com os ciclos sempre evidentes para todos os casos analisaos. Com tal metodologia foi possível obter informações sobre o processo não linear envolvendo a interação dos movimentos engendrados em nuvens convectivas fortes com a superfície.
Abstract: The occurrence of extreme phenomena (EF) in the stable boundary layer (SBL) above the Amazon forest is studied. For this, a methodology available in the literature has been proposed, based on the statistically robust detection of precursor signals that precede the existence of a turning point that marks the threshold between two qualitatively different states of the investigated dynamical system. Such precursor signals are detectable in the periods prior to such a critical transition when there is considerable dumping of turbulent fluctuations, as if they act as a precursor to the extreme phenomena onset, which indicates characteristic “critical slowing down” (CSD) processes, according to Dakos et al. (2012) proposition. They are associated with strong convective motions and great changes in the values of the equivalent potential temperature, θE, increases in the ozone O3 concentrations (which are considered as state variables), and with changes in wind direction and abrupt increases in wind speed (U) values, generally indicating the transition from a weak turbulence regime to a strong turbulence regime. The application of another methodology for EFs characterization based on the Wavelet Transform (TW) analysis and on the use of the information regarding the scale-value phase provided by the wavelet coefficients has allowed the detection of singularities associated to the occurrence of the EF, besides the characterization of processes associated to its generation, such as the existence of subharmonic and superharmonic bifurcations, respectively before and after the of EF’s occurrence, and period doubling oscillations. The use of Poincaré’s diagrams with information obtained before and after the EF occurrence allowed the identification of a repulsor fixed point and a repulsor limit-cycle before the EF occurrence and of an attractor limit-cycle and an attractor fixed point after the EF occurrence. The latter remained while it was possible to maintain a sufficiently strong turbulence regime, after which the oscillation pattern of the signals measured just above the forest canopy presented a drastic modification, with effects on the forest-atmosphere interaction patterns. The used time series were obtained from a meteorological tower erected in the Cuieiras Biological Reserve, located 60 km north / northwest of the city of Manaus, northern Brazil (S 2 ° 36.11 ', W 60 ° 12.56'), during the Amazon rainy season regarding the experimental campaigns of the GoAmazon project (Observations and Modeling of the Green Ocean Amazon) in 2014/15. In the present study, several statistical tests are performed in order to verify the occurrence of CSD phenomena in the atmospheric boundary layer, particularly in the nocturnal boundary layer. Four cases in which CSD occurred in precursor periods of the transition between the two above mentioned turbulence regimes were analyzed, which was always carried out during the region‘s rainy season. Here we will initially deepen the analyzes for the case of April 12, 2014 because it is the day with greater data availability and for which the best results were obtained in comparison with the other identified cases, possibly because it is an event in which the strong convective cloud that triggered FE detected at the surface had its axis of spatial displacement arranged so as to point towards the region in which the experimental tower is located. As main conclusions, we can mention: i) several statistically robust tests were performed in order to prove the existence of CSD for some cases in the tropical atmosphere. To our knowledge this is the first proven case of CSD detection for experimental data in the atmospheric nocturnal boundary layer; Ii) the cases in which the CSD indicators tended to be more robust were those where the axis of displacement of the cloud was pointing towards the experimental tower; Iii) the variables that were most adequate to verify the occurrence of CSD was θE and O3 concentration; Iv) Significant increases in the indicators occur only once per transition, reaffirming the CSD principles already analyzed in the available literature and discussed throughout the present manuscript; V) All positive trends for CSD always occurred in transitions between weak and strong turbulence regimes and were always accompanied by changes of at least 45 ° in the direction of the wind and presence of deep convection in the surroundings of the experimental site; Vi) for some cases there were repulsor and attractors cycles associated with oscillations of the measured variables, such as wind speed. These cycles have been obtained from Poincaré’s diagrams associating the variable oscillations with their respective time derivatives. It should be noted that the Poincaré’s diagrams associated with the wind speed data were fully satisfactory for this particular case study. For the other cases, such good accuracy was not fully verified. With this methodology it was possible to obtain information about the nonlinear process involving the interaction of the movements generated in strong convective clouds with the surface.
Palavras-chave: atmosfera
Sinais precursores
Fenômenos extremos
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: Farias, Francisco Otávio Miranda. Detecção de fenômenos extremos na camada limite atmosférica noturna acima da floresta Amazônica a partir da análise de sinais precursores. 2017. 233 f. Tese( Clima e Ambiente (CLIAMB)) - Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia, Manaus,2017 .
Tipo de acesso: Acesso Aberto
Endereço da licença: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
URI: http://bdtd.inpa.gov.br/handle/tede/2260
Data de defesa: 21-Fev-2017
Aparece nas coleções:Doutorado - CLIAMB

Arquivos associados a este item:
Arquivo Descrição TamanhoFormato 
Tese_Francisco_Corrigido_Final_16042017.pdf4,51 MBAdobe PDFBaixar/Abrir Pré-Visualizar


Este item está licenciada sob uma Licença Creative Commons Creative Commons