APLICAÇÃO DA TRANSFORMADA EM ONDELETAS PARA A DETERMINAÇÃO

Transcrição

1 APLICAÇÃO DA TRANSFORMADA EM ONDELETAS PARA A DETERMINAÇÃO DAS ESCALAS TEMPORAIS ASSOCIADAS ÀS ESTRUTURAS COERENTES PRÓXIMO À COPA DA FLORESTA AMAZÔNICA. II SITUAÇÃO DIURNA. Walter E. de Castro Jr. 1, Leonardo D. de Abreu Sá 2, Gannabathula S. S. D. Prasad 2, Maurício J. A. Bolzan 3, Meteorologia/INPE, Av. dos Astronautas, 1758, CP515, , São José dos Campos, SP, Brasil (castro@met.inpe.br) Yadvinder Malhi, Bart Kruijt, Institute of Ecology and Resource Management, University of Edinburgh, Escócia (ymalhi@srv0.bio.ed.ac.uk) Abstract: This work is the continuation of the previous one (for stable conditions), where the wavelet analysis has been applied to temperature and wind velocity data. The results show that the time scales corresponding to diurnal coherent structures are similar in some sense with those associated to nocturnal ones: for both situations the time scales corresponding to coherent structures of temperature were always greater than those associated with vertical velocity. Nevertheless, for the case of diurnal convective conditions, the variance of wavelet coefficients for vertical velocity increases in magnitude with increasing height, while for temperature, the variance is greater just above the canopy crown. Palavras chave: Micrometeorologia, Floresta Amazônica, estruturas coerentes, wavelets 1. Introdução As interações entre o escoamento atmosférico e a copa da floresta Amazônica dependem de fatores ligados à redistribuição do fluxo radiativo incidente, ao balanço de energia cinética turbulenta (ECT), às condições de estabilidade do ar tanto acima como dentro da copa, e das características de rugosidade impostas pela geometria da copa florestal, dentre outros. Um aspecto ainda pouco estudado, refere-se ao papel que a ECT desempenha nos processos de troca atmosfera-copa. Este relaciona-se à própria estrutura da turbulência existente na região imediatamente acima da copa. Sob condições estáveis, conforme discutido em Castro Jr. et al. (1998) (doravante denominada de Parte I), há uma tendência de amortecimento das flutuações turbulentas determinada pela estratificação térmica imperante acima da copa. Mas, sob condições instáveis, a estrutura da turbulência pode apresentar diversas características fisicamente diferentes (Brutsaert, 1992). Provavelmente, dependendo do caráter da fonte predominantemente mecânica ou térmica, o grau de organização desta em estruturas coerentes (ECs) deverá diferir consideravelmente (Bolzan, 1998). A compreensão de como a natureza das ECs influi nos processos de troca ainda é um assunto pouco conhecido na floresta Amazônica, razão pela qual este trabalho pode ter relevância. Neste se aplica a transformada em ondeletas (TO) como um 1 Universidade do Amazonas Departamento de Física 2 Bolsista CNPq 3 Bolsista CAPES

2 instrumento objetivo para a determinação das escalas de tempo associadas às ECs que ocorrem no escoamento turbulento acima e abaixo da copa da floresta Amazônica de terra firme, para a situação de estratificação térmica instável. Da mesma maneira que na Parte I, será utilizada a metodologia proposta por Gao e Li (1993). 2. Dados Para este trabalho, utilizaram-se os valores da temperatura e da componente vertical da velocidade do vento correspondentes ao horário das 12:00 às 13:00 Hora Local do dia juliano 341 (07/12/95). Este apresentou radiação solar líquida média no horário estudado igual a 598,8W/m 2, e a do horário seguinte igual a 715,0W/m 2. A escolha deste horário se deveu ao fato de nele atuarem fortemente tanto a turbulência de origem térmica quanto aquela de origem mecânica, condições que devem favorecer ao acoplamento entre os escoamentos acima e abaixo da copa. 3. Resultados e Discussão A metodologia adotada foi a mesma utilizada na Parte I, a qual consistiu em detectar as escalas de ocorrência de ECs e verificar a variação vertical das mesmas, com a finalidade de caracterizar o eventual acoplamento entre os escoamentos acima e abaixo da copa. Na Figura 1 são apresentadas informações que sugerem a existência de ECs no sinal de temperatura das 12:15 às 12:30 HL do nível de 32m (altura da copa). Assim, em 1a é mostrada a variação temporal da temperatura, sendo possível notar as estruturas características de rampas para a situação de estratificação térmica instável (um aumento progressivo é seguido por um súbito decréscimo do sinal), muito comuns nas flutuações turbulentas de escalares (Antonia et al., 1979). Em 1b estão os valores dos coeficientes da TO obtidos pela aplicação da Equação (1) ao sinal da temperatura. Como na Parte I, adotou-se a mesma convenção para os matizes de cores. Nota-se que os padrões de cores se alternam entre valores positivos e negativos em duas regiões distintas, uma nas escalas de tempo entre 31,3 e 74,4s à esquerda da figura e outra nas escalas de tempo acima de 100s no centro e à direita da mesma. Isto pode ser confirmado em 1c onde há um máximo relativo na variância dos coeficientes da TO do sinal de temperatura correspondente à escala de tempo de aproximadamente 57,4s e há tendência de um segundo máximo relativo além da escala de 140s. Situações similares a esta já foram ralatadas: assim, Bolzan (1998), estudando a variabilidade das ECs encontradas no Pantanal Matogrossense para a estação seca (em função das condições de estabilidade atmosférica) mostrou que tais padrões ocorrem em situações convectivas, nas quais as ECs mais duradouras (provavelmente do tipo "rolo" com eixo de simetria perpendicular ao escoamento, geradas hipoteticamente por instabilidade do ponto de inflexão) se alternam com outras mais rápidas, dissipativas (estas, provavelmente, mostrando uma disposição tal que se alinham ao longo da direção do escoamento). Dever-se-ia esperar que nos primeiros padrões citados, as ECs tivessem uma menor capacidade de penetração na copa do que aquelas mais rápidas do segundo caso (porém, numa situação altamente convectiva com fracos valores de dissipação de ECT, a penetração deve diminuir drasticamente).

3 Na Figura 2 estão os valores da variância dos coeficientes da TO para os sinais de temperatura (Figura 2a) e da componente vertical da velocidade (Figura 2b) nos níveis de 16m (em azul), 32m (em verde) e 45m (em vermelho) para o horário entre 12:25 e 12:30 HL. Diferentemente da situação de estratificação térmica estável estudada na Parte I (onde os valores da variância do sinal de temperatura aumentavam com a altura), os maiores valores da variância de temperatura ocorrem logo acima da copa (32m), resultado este também encontrado por Fitzjarrald et al. (1990) para a situação convectiva na floresta Amazônica. Da Figura 2b nota-se que os valores da variância aumentam com a altura refletindo as maiores flutuações da velocidade vertical acima da copa com relação às flutuações abaixo da mesma, o que é plenamente explicável pelo aumento da variância com o aumento da instabilidade atmosférica. Tabela 1 Escalas temporais e espaciais associadas as estruturas coerentes para a temperatura (ECT) e para a velocidade vertical (ECV), nas diversas alturas. Altura U (m/s) Escala de tempo do sinal de temperatura (s) ECT Escala de tempo do sinal de velocidade vertical (s) ECV 8 0, ,7 34,6 16 0,31 108,9 33,3 90,1 27,6 32 1,24 78,6 97,5 64,8 80,4 45 1,78 87,6 155,4 82,3 146,0 Na Tabela 1 estão os valores das escalas de tempo correspondentes aos máximos relativos das variâncias dos coeficientes da TO para os 12 arquivos de 5min associados aos sinais de temperatura e de velocidade vertical entre 12:00 e 13:00 HL. Assim como já foi discutido na Parte I, nota-se que os valores das escalas de tempo correspondentes às ECs de temperatura são sempre superiores àqueles associados à velocidade vertical. Também estão indicados os valores da velocidade média do escoamento nas diversas alturas e as escalas de tamanho horizontal médio dos vórtices associadas as ECs para a temperatura (ECT) e para a velocidade vertical (ECV), nas diversas alturas. 4. Conclusões Foi mostrado como a transformada em ondeletas pode ser aplicada como um método objetivo de determinação das escalas de tempo associadas às ECs na situação de estratificação térmica instável. As principais conclusões obtidas foram: (i) Em cada nível, os valores das escalas de tempo correspondentes às ECs de temperatura são sempre superiores àqueles associados à velocidade vertical, resultado também obtido para a situação de estratificação estável (Parte I). (ii) Os valores da variância dos coeficientes da TO aumentam com a altura para o caso do sinal de velocidade vertical, refletindo as maiores flutuações da mesma acima da copa, onde as condições são instáveis. Para o caso do sinal de temperatura, os valores da variância são maiores logo acima da copa.

4 Figura 1 (a) Sinal de temperatura; (b) Distribuição tempo-escala dos coeficientes da TO do sinal dado em (a) e (c) Variância dos coeficientes da TO em função da escala. Figura 2 Variância dos coeficientes da TO em função da escala nas alturas de 16m (azul), 32m (verde) e 45m (vermelho) para : (a) o sinal de temperatura e (b) o sinal de velocidade vertical.

5 Agradecimentos Os autores agradecem aos participantes da campanha JACAREX: Bart Kruijt, Yadvinder Malhi, Patrick Meir, Fiona Carswell, John Grace, Jon Lloyd, Antônio Miranda, Antônio Nobre, Ari Marques Filho, Edicilio Barbosa e Reynaldo Victoria pela cessão dos dados utilizados neste trabalho. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Antonia, R.A.; Friehe, C.A.; Van Atta, C.W. Temperature Ramps in the Atmospheric Surface Layer. Journal of the Atmospheric Sciences, 36(1): , Bolzan, M.J.A. Estudo da Influência das Estruturas Coerentes e da Rugosidade na Estimativa de fluxos Turbulentos sobre o Pantanal. São José dos Campos. 121p. Dissertação (Mestrado em Meteorologia) Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, Brutsaert, W. Stability Correction Functions for the Mean Wind Speed and Temperature in the Unstable Surface Layer. Boundary-Layer Meteorology, 19 (5): , Castro Jr., W.E; Prasad, G.S.S.D.; Bolzan, M.J.A.; Sá, L.D.A.; Malhi, Y.; Kruijt, B. Aplicação da Transformada em Ondeletas para a Determinação das Escalas Temporais Associadas às Estruturas Coerentes Próximo à Copa da Floresta Amazônica. I Situação Noturna. Nesta edição, Fitzjarrald, D.R.; Moore, K.E.; Cabral, O.M.R.; Scolar, J.; Manzi, A.O; Sá, L.D.A. Daytime Turbulence Exchange Between the Amazon Forest and the Atmosphere. Journal of Geophysical Research, 95 (D10): , Gao, W.; Li, B.L. Wavelet Analysis of Coherent Structures at the Atmosphere-Forest Interface. Journal of Applied Meteorology, 32: , 1993.