Medição do fluxo de calor sensível com anemômetro sônico e de hélice Cristhiane Michiko Passos Okawa 1 Nelson Luís Dias 2
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1 Medição do fluxo de calor sensível com anemômetro sônico e de hélice Cristhiane Michiko Passos Okawa 1 Nelson Luís Dias 2 1 Abstract Sensible heat flux has been measured with two eddy-correlation (EC) systems. A state-ofthe-art sonic anemometer and a fine-wire thermocouple were used as a standard against a simplified EC system composed by a propeller anemometer and a more robust thermocouple. Data from both systems were logged at 2 Hz and stored in a portable computer. The analysis of the time series allowed the fluxes from the two EC systems to be compared. Our results show that the simpler system can measure the sensible flux provided it is properly calibrated. Palavras-Chave- micrometeorologia, fluxos superficiais, turbulência. 1. INTRODUÇÃO: A idealização do experimento surgiu com o objetivo de avaliar o desempenho de um sistema simplificado de medição contínua do fluxo de calor sensível ( sistema hélice ), através de comparações com as medidas realizadas por um sistema sofisticado ( sistema sônico ). O sistema sônico consiste de um anemômetro sônico uni-dimensional e um termopar acoplado a ele. O sistema hélice consiste de um anemômetro vertical de hélice e um termopar de fio mais grosso. A questão analisada surge do fato de que os sensores mais sofisticados, apesar de possuírem tempos de resposta menores e maior sensibilidade para capturar todo o espectro de freqüências da turbulência, são mais caros, mais pesados e requerem constantes manutenções quando deixados em campo. 2. DESCRIÇÃO DO EXPERIMENTO: Foi instalada uma torre meteorológica de 6,m de altura dentro de uma fazenda experimental do IAPAR Instituto Agronômico do Paraná no município de Piraquara, região metropolitana de Curitiba. As medições de turbulência compreendem aquisição de dados a 2 Hz, com o sistema de aquisição de dados conectado a um computador portátil. O aparato eperimental é composto de sensores de medição das flutuações da velocidade vertical do vento e das flutuações de temperatura do ar, além do próprio sistema de aquisição de dados e de um computador portátil para armazenamento dos dados on-line. As variáveis medidas foram: 1. flutuações da velocidade vertical do vento com anemômetro de hélice - w p ; 2. flutuações da temperatura do ar com termopar de fio mais grosso - θ p ; 3. flutuações da velocidade vertical do vento com anemômetro sônico - w s; 4. flutuações da temperatura do ar com termopar acoplado ao sônico - θ s (os índices são definidos como: s=sônico e p=hélice). O experimento foi realizado no dia 4 de setembro de 1997, no período das 1:h às 17:h. 3. RESULTADOS: A Figura 1 mostra 15 min de medição de velocidade vertical com anemômetro sônico e de hélice, entre 1:h e 1:3h do dia 4/9/1997. O sinal do anemômetro de hélice é amortecido (a 1 SIMEPAR, Caixa Postal 318, Curitiba PR 81-97, tel: ; fax: ; cris@simepar.br 2 SIMEPAR, Caixa Postal 318, Curitiba PR 81-97, tel: ; fax: ; nldias@simepar.br
2 2 variância é menor) e mais lento (o tempo de resposta do sensor é maior) em comparação com o sinal do anemômetro sônico. Apesar disto, os dois sinais são bem correlacionados. Nas figuras seguintes, a linha tracejada sempre corresponderá ao sônico ou seu termopar e a linha contínua, ao hélice ou seu termopar. Todas as demais figuras representam um intervalo de tempo de 3 minutos dentro do período total de medição (séries temporais, desvios-padrão, etc., de 3 minutos). A Figura 2 mostra a série temporal do desvio-padrão da temperatura medida por cada um dos sensores, σ θp e σ θs. Note que as duas linhas apresentam o mesmo comportamento, com o termopar acoplado ao sônico apresentando valores mais altos do que o termopar acoplado ao hélice. O mesmo ocorrerá se plotarmos as séries temporais dos desvios-padrão da velocidade vertical do vento. Os valores mais altos apresentados tanto pelo anemômetro sônico quanto pelo seu termopar podem ser explicados quando se sabe que estes sensores possuem muito mais sensibilidade e tempo de resposta muito menor do que o anemômetro de hélice e seu termopar. A Figura 3 mostra a comparação entre os desvios-padrão da temperatura; O coeficiente de determinação é,9842 e a equação que relaciona os desvios-padrão é: σ =,12 + 1, 24σ θs θp Na Figura 4, vemos as séries temporais dos fluxos de calor sensível, H s e H p, cujos valores são comparados na Figura 5. Note que este método permite determinar o momento em que o fluxo de calor sensível troca de sinal (entre 14:3 h e 15:h), e que os dois sistemas de medição coincidem neste instante (a linha tracejada passando pelo zero do eixo-y salienta a troca de sinal).os fluxos de calor sensível medidos pelos dois sistemas são fortemente correlacionados, com coeficiente de determinação de,9848 e a equação que os relaciona é: H = 2,86 + 2, 43 s H p 4. CONCLUSÕES: Após um esforço inicial para integrar sensores e dataloggers e realizar medições em alta freqüência, o experimento de campo micrometeorológico foi realizado com sucesso. As variáveis de turbulência usadas para determinação dos fluxos de calor sensível e latente foram medidas, possibilitando as análises comparativas entre os dois sistemas de medição ( sônico e hélice ). A maior sensibilidade e menor tempo de resposta dos sensores anemômetro sônico e seu termopar em relação ao anemômetro de hélice e seu termopar foi verificada, com os valores absolutos apresentados pelos sensores mais sofisticados sempre maiores. Os dados obtidos foram exaustivamente analisados do ponto de vista estatístico. Foram obtidas as médias; desvios-padrão; covariâncias; coeficientes de correlação; equações e coeficientes de determinação nas comparações. A concordância entre os sistemas sônico e hélice foi nitidamente comprovada, com as séries temporais tendo sempre o mesmo comportamento e a mudança de sinal no fluxo de calor sensível ocorrendo no mesmo instante.
3 3 Figura 1: Registros de flutuações turbulentas de velocidade vertical.6.5 Desvio-padrao : 11: 12: 13: 14: 15: 16: Horario (h) Figura 2: Série temporal dos desvios-padrão da temperatura do ar
4 Temperatura anem. sonico Temperatura anem. helice Figura 3: Comparação entre os desvios-padrão da temperatura do ar medida pelos dois sistema ( sistema hélice e sistema sônico ) 8 6 H (W/m2) : 11: 12: 13: 14: 15: 16: Horario (h) Figura 4: Série temporal dos fluxos de calor sensível medidos com os anemômetros e seus termopares
5 sonico helice 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS: Figura 5: Comparação entre os fluxos de calor sensível medidos pelos anemômetros de hélice e sônico Blanford, J.H. e Gay, L.W., Tests of a robust eddy correlation system for sensible heat flux, Theoretical and Applied Climatology, v. 46, p. 53-6, Kustas, W.P., Blanford, J.H., Stannard, D.I., Daughtry, C.S.T., Nichols, W.D. e Weltz, M.A., Local energy flux estimates for unstable conditions using variance data in semiarid rangelands, Water Resources Research, v. 3, p , Stannard, D.I., Blanford, J.H., Kustas, W.P., Nichols, W.D., Amer, S.A., Schmugge, T.J. e Weltz, M.A., Interpretation of surface flux measurements in heterogeneous terrain during the Monsoon 9 experiment, Water Resources Research, v. 3, p
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