UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO INSTITUTO DE ASTRONOMIA, GEOFÍSICA E CIÊNCIAS ATMOSFÉRICAS. DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS ATMOSFÉRICAS GEORGIA CODATO

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1 UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO INSTITUTO DE ASTRONOMIA, GEOFÍSICA E CIÊNCIAS ATMOSFÉRICAS. DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS ATMOSFÉRICAS GEORGIA CODATO Smlação nmérca da evolção drna do monódo de carbono na camada lmte planetára sobre a RMSP com modelo LES São Palo 28

2 GEORGIA CODATO Smlação nmérca da evolção drna do monódo de carbono na camada lmte planetára sobre a RMSP com modelo LES Dssertação de Mestrado apresentada ao Departamento de Cêncas Atmosfércas para obtenção do títlo de Mestre em Cêncas Atmosfércas. Área de Concentração: Mcrometeorologa. Orentador: Prof. Dr. Amar Perera de Olvera. São Palo 28

3 AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE. Catalogação na Pblcação Departamento de Cêncas Atmosfércas Insttto de Astronoma, Geofísca e Cêncas Atmosfércas da Unversdade de São Palo Codato, Georga. Smlação nmérca da evolção drna do monódo de carbono na camada lmte planetára sobre a RMSP com modelo LES / Georga Codato; orentador Prof. Dr. Amar Perera de Olvera. -- São Palo, pp. Dssertação (Mestrado Programa de Pós-Gradação em Cêncas Atmosfércas. Área de Concentração: Mcrometeorologa Insttto de Astronoma, Geofísca e Cêncas Atmosfércas da Unversdade de São Palo. 1. Camada lmte planetára Flos Vertcas Trblentos Energa Cnétca Trblenta. 2. Monódo de Carbono Entranhamento. 3. Modelagem nmérca Modelo LES. I. Títlo.

4 FOLHA DE APROVAÇÃO Georga Codato Smlação nmérca da evolção drna do monódo de carbono na camada lmte planetára sobre a RMSP com modelo LES Dssertação apresentada ao Departamento de Cêncas Atmosfércas do Insttto de Astronoma, Geofísca e Cêncas Atmosfércas para obtenção do títlo de Mestre. Área de Concentração: Mcrometeorologa. Aprovado em: Banca Eamnadora Prof. Dr. Insttção: Assnatra: Prof. Dr. Insttção: Assnatra: Prof. Dr. Insttção: Assnatra:

5 São vencedoras e vvem ma estênca felz as pessoas qe vencem os desafos qe elas própras lançaram. Dasak Ikeda

6 AGRADECIMENTOS Ao Prof. Dr. Amar Perera de Olvera, pela dedcação e enorme pacênca drante o desenvolvmento desta dssertação e por ter sdo sempre mas do qe m professor, e sm m verdadero mestre. Aos mes amados pas, por me apoar sempre, mesmo qando não estavam de acordo com as mnhas escolhas. Ao me namorado, Cesar, pelo carnho e pacênca em todos os momentos. Ao Prof. Edson Perera Marqes Flho, pelo menso apoo com a tlzação do modelo LES. A Profa. Jacyra pelo apoo no desenvolvmento deste trabalho e ecelente companha em todos os momentos. Ao Francsco Rbaconka e ao Laboratóro de Comptação Centfca Avançada (LCCA) pela dsponblzação do clster tlzado para rodar o modelo LES, sem este apoo sera mpossível a realzação deste trabalho. Aos mes qerdos amgos, Renata e Tony, pelo apoo e dsposção em adar em todos os momentos da mnha vda. Ao pessoal do Laboratóro de Interação Ar-Mar e Laboratóro de Mcrometeorologa, Em especal ao Marco e Edardo. Agradecmento especal à Coordenação de Aperfeçoamento Pessoal de Nível Speror, qe permte qe a pesqsa contne progredndo no país. O desenvolvmento deste proeto de Mestrado só fo possível devdo ao aílo da CAPES e ao CNPq (Proc. No /27-7).

7 Smáro SUMÁRIO SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABELAS LISTA DE SIMBOLOS E ABREVIATURAS RESUMO ABSTRACT v v v v 1. Introdção Entranhamento Modelagem nmérca da CLP Motvação para o estdo Obetvo Descrção do modelo LES Modelos de Smlação Nmérca Dreta Modelos de Méda de Reynolds Modelos de Smlação dos Grandes Trblhões Fltro Eqações governantes da escala resolvda Parametrzação Dspersão de polente Esqema nmérco e condção de frontera Caracterzação dos parâmetros físcos qe determnam a dspersão do monódo de carbono em São Palo Polção em São Palo Monódo de carbono 29

8 Smáro 3.3. Descrção dos dados, topografa e ocpação do solo Algns aspectos clmátcos da dspersão de polentes na RMSP Efetos topográfcos e de ocpação do solo na CLP Evolção do monódo de carbono na RMSP Dspersão atmosférca de CO na RMSP Mecansmos relevantes Advecção horzontal Emssão veclar Smáro Smlação nmérca da CLP convectva Condção ncal e de contorno Momentos estatístcos Escalas característcas da CLP convectva Condção de eqlíbro Estrtra vertcal da trblênca Estrtra vertcal do polente Entranhamento Advecção horzontal Smáro 8 5. Conclsão Referêncas bblográfcas 87

9 Lsta de fgras LISTA DE FIGURAS 1.1 Estrtra da camada lmte planetára, drante o da. Onde z é o comprmento de rgosdade, z S, z e z T são a altra da CLS, da CM e da CE, respectvamente e q T, qm, q, q são mdade específca méda no nível z S T, na CM, no nível z, e na sperfíce, T, M,, são a temperatra potencal S méda no nível z T, na CM, no nível z, e na sperfíce, respectvamente. E h é o comprmento da camada de mstra (dstanca entre z e z s ), e Δh é o comprmento da camada de entranhamento (dstânca entre z e z T ). E q e são a varação da temperatra potencal e mdade específca méda entre CE e CM, respectvamente. E e são o gradente vertcal de q mdade específca e temperatra potencal, respectvamente Espectro de energa trblenta. Onde η é a mcro escala de Kolmogorov e l é a escala dos trblhões mas energétcos (Adaptado: Stll, 1988, fgra 2.2, págna 32) Eemplos de fltros espacas. Onde Δ é o comprmento característco do fltro. Fltro (a) e (b) tem momentos secndáros dêntcos. O fltro de (c) é eqvalente ao método da epansão fnta de Forer. (Fonte: Leonard, 1974, págna 239) Macha rbana da RMSP. O lmte entre a área rbana e não rbana é ndcado por m círclo branco traceado. O domíno horzontal da grade tlzada no modelo LES é ndcado por m qadrado vermelho Áreas relatvas das classes de so e ocpação do solo na RMSP, dados de 22. Fonte: Atlas de so e ocpação do solo ( Mapa da alttde (a) RMSP e da cdade de São Palo, (b) da cdade São Palo (c) topográfca da regão smlada (1 km 1 km) Evolção sazonal da méda mensal dos valores dáros de (a) temperatra e (b) Umdade relatva em São Palo. Período: Evolção sazonal da méda mensal da (a) velocdade do vento, (b) dreção do vento em São Palo. Drante o mês de Jnho. Observações de A barra vertcal ndca erro estatístco, n, onde é o desvo padrão e n o número de pontos da amostra

10 Lsta de fgras v 3.6 Evolção drna da méda mensal da (a) velocdade do vento, (b) dreção do vento em São Palo. Drante o mês de Jnho. Observações de Evolção sazonal do cclo drno da (a) velocdade e (b) dreção do vento médo nas estações de Ibrapera, Lapa, Pq. Dom Pedro II e Osasco. Lnha azl ndca dreção sl e lnha vermelha ndca dreção leste. Período: (a) Evolção sazonal do valor dáro médo mensal da radação solar global da sperfíce; (b) Evolção sazonal do cclo drno médo mensal da radação solar global; (c) Cclo drno médo mensal radação solar global e lqda em nho. (d) cclo drno do flo de calor sensível na sperfíce. Dados de radação solar estão baseados em observações realzadas na plataforma mcrometeorologca do IAG drante o período de 1994 a Evolção méda mensal do valor dára do monódo de carbono. Período: Evolção drna do monódo de carbono para no mês de nho. Período: Evolção sazonal do cclo drno para concentrações médas de CO nas ses estações Evolção drna da meda mensal da taa de varação temporal do CO observado na sperfíce de São Palo e estmado pela advecção horzontal, ambos drante nho. Período: 1996 a Estmatva da evolção drna do flo de calor sensível para a regão de São Palo no período de nverno Perfs vertcas de (a) temperatra potencal, (b) monódo de carbono e (c) componentes do vento horzontal tlzadas como condção ncal no modelo LES Flo vertcal trblento de (a) calor sensível CO para a RMSP drante o para nho (captlo 3, Tab. 4.1). Os valores ndcados por barras hachradas foram tlzados como condção de contorno nferor nas smlações nmércas com o LES Evolção temporal da ECT total ntegrada na CLP. As lnhas vermelhas vertcas ndcam o ntervalo de dração de cada smlação (1 hora). Foram tlzados restart a cada hora (1h, 2h até 1h) e o número de nós varo entre 4 (4n) e 8 nós (8n). O flo de calor sensível está ndcado logo abao do número de nós (,17,,154;...,1 K m s -1 )

11 Lsta de fgras v 4.4 Evolção drna da altra da CLP Perfl vertcal da (a) temperatra potencal (b) flo de vertcal trblento de calor sensível (escala resolvda + sbgrade) em fnção da altra. Cada crva corresponde a hora do da smlada, as lnhas contnas ndcam qe o flo de calor sensível esta amentando e a lnha traceada o flo de calor sensível esta dmnndo Perfl vertcal da (a) velocdade horzontal do vento e do (b) flo vertcal trblento (escala resolvda + sbgrade) de momento Perfl vertcal da (a) componente zonal do vento, (b) flo vertcal trblento de momento zonal, (a) componente merdonal do vento, (b) flo vertcal trblento de momento merdonal (escala resolvda + sbgrade) Perfl vertcal da varânca (a) das componentes horzontas e (b) da componente vertcal da velocdade do vento. Smlação nmérca da CLP com modelo LES Perfl vertcal da varânca (a) da componente zonal e (b) da componente merdonal da velocdade do vento Perfs vertcas: (a) concentração de polente; (b) flo trblento do polente Evolção drna smlada e observada da (a) temperatra potencal e (b) flo vertcal de calor sensível Evolção drna da razão do flo trblento no topo e na sperfíce para CO e calor sensível modelados pelo LES Evolção drna smlada e observada da (a) concentração de CO na sperfíce e (b) flo vertcal de CO Evolção drna da taa de varação do CO assocada ao entranhamento, emssão veclar e a dvergênca vertcal do flo smlado pelo LES. A taa de varação de CO assocada a advecção horzontal hpotétca Esqema representatvo da transção entre a CLP em ma regão nãorbana e rbana.... 8

12 Lsta de tabelas v LISTA DE TABELAS 2.1 Característcas das aplcações dos modelos LES para smlar propredades da CLP Padrões naconas da qaldade do ar, méda anal e número de ltrapassagem na RMSP, em Emssão anal de CO em megacdades Descrção das estações meteorológcas e de montoramento da polção do ar na RMSP Advecção horzontal de CO em nho Condções ncas e de contorno tlzadas pelo modelo LES Escalas característcas da CLP convectva Escalas característcas da CLP. Resltados da smlação nmérca Advecção horzontal de CO em nho. Valor médo mensal drno... 77

13 Lsta de símbolos e varáves v LISTA DE SÍMBOLOS E VARIÁVEIS CLP B CE CETESB CLA CLS CM CO COHb D DNS ECT EPA FFT FMC GFC HC HL IAG LCCA-USP LES Camada Lmte Planetára. Taa de prodção destrção térmca de ECT. Camada de Entranhamento. Companha de Tecnologa de Saneamento Ambental. Camada Lmte Atmosférca. Camada Lmte Sperfcal. Camada de Mstra. Monódo de carbono. Carbohemoglobna. Taa de varação de ECT devdo à dsspação moleclar. Smlação nmérca dreta ( Drect nmercal smlaton ). Energa Cnétca Trblenta. Envronmental Protecton Agency. Transformada rápda de Forer. Fmaça. Método de nfravermelho não dspersvo. Hdrocarbonetos. Hora local. Insttto de Astronoma, Geofísca e Cêncas Atmosfércas. Laboratóro de Comptação centfca Avançada Unversdade de São Palo. Large Eddy Smlaton.

14 Lsta de símbolos e varáves v MP MP 1 NO 2 NO X O 3 ONU PTS RANS RMSP S SGS SO 2 SO X T TVM-NH Materal partclado. Partíclas naláves, menores qe 1 μm. Dódo de ntrogêno. Ódos de ntrogêno. Ozôno. Organzação das Nações Undas. Partíclas totas em sspensão. Méda de Reynolds das eqações de Naver-Stokes ( Reynolds Average Naves-Stokes ). Regão Metropoltana de São Palo. Taa de prodção mecânca de ECT. Escala não resolvda ( Sbgrade scale ). Dódo de enofre. Ódos de enofre. Taa de varação de ECT devdo ao transporte trblento e da fltação. Topography vortcty model non hydrostatc. Temperatra potencal méda. q q, q, q T, M S Umdade específca méda no nível z T, na CM, no nível z, e na sperfíce, respectvamente. T, M,, S Temperatra potencal méda no nível z T, na CM, no nível z, e na sperfíce, respectvamente. q, Varação da temperatra potencal e mdade específca méda entre CE e CM, respectvamente. q e Gradente vertcal de mdade específca e temperatra potencal, respectvamente. w * Escala de velocdade convectva.

15 Lsta de símbolos e varáves z Altra da CLP. Varável no nível de referênca. Varável da escala resolvda o fltrada (méda de volme). Varável da escala de sbgrade o resdal. Meda no plano horzontal. HCO Gradente horzontal de CO. c n Varação da concentração ncal do polente. L Parâmetro de nstabldade. z Temperatra potencal ncal. n c w Flo vertcal trblento de monódo de carbono. w Flo vertcal trblento de calor sensível. n Intensdade da nversão térmca ncal. w * Escala característca de velocdade. * Escala característca de temperatra. c * Escala característca de concentração de polente. t * Escala característca de tempo. E Enega Cnétca trblenta méda no volme total da CLP. U Velocdade horzontal do vento. Componente da velocdade do vento. w Flo vertcal trblento de momento. 2 Covarânca da velocdade do vento.

16 Lsta de símbolos e varáves Tensor tensão de Reynolds modfcado de sbgrade. Flo trblento de concentração de polente de sbgrade. cw A EMISSÃO B co B θ c c n C k L m CO rral CO rbano c p e F f g G g Lattde. Escala de comprmento resolvda pelo modelo LES. Área de emssão efetva. Ampltde do flo de CO. Ampltde do flo de calor sensível. Concentração do polente. Concentração ncal do polente. Comprmento de mstra lgado com espaçamento de grade. Concentração de monódo de carbono rral. Concentração de monódo de carbono rbano. Calor específco a pressão constante (14 J Kg -1 K). Energa cnétca trblenta. Termo fonte. Vetor força de corols. Aceleração da gravdade. Fnção fltro. Aceleração da gravdade. h Comprmento da camada de mstra (dstanca entre z e z s ). H K c L l Soma dos termos da varação temporal da velocdade. Coefcente de dfsvdade trblento do polente atmosférco. Comprmento de Monn Obkhov. Escala característca de comprmento dos trblhões mas energétcos.

17 Lsta de símbolos e varáves L L, L y, L z M M co Escala de comprmento característca dos grandes trblhões. Domíno do modelo nas dreções, y, z respectvamente. Peso moleclar. Emssão anal de CO. P* Termo da pressão modfcado. p, p Pressão Atmosférca; Pressão Atmosférca no nível de referênca. p Fltação de pressão do ar. Re R Número de Reynolds. Tensor tensão de Reynolds. Rn Saldo de radação na dreção. S t T t 1 t 2 Taa de deformação. Qalqer valor horáro. Temperatra. Posção da ampltde da prmera máma nma dstrbção gassana. Posção da ampltde da segnda máma nma dstrbção gassana. Componente da velocdade. Fltação da velocdade zonal do vento. g,v g V Componente e v da velocdade do vento geostrófco. Velocdade do vento. v Fltação da velocdade merdonal do vento. w Fltação da velocdade vertcal do vento. rral rbano z Posção da emssão de CO em ambente rral. Posção da emssão de CO em ambente rbano. Comprmento de rgosdade aerodnâmca.

18 Lsta de símbolos e varáves z n z S, z e z T γ Γ c Γ θ Δ Altra da CLP ncal. Altra da CLS, da CM e da CE, respectvamente. Fator de sotropa. Gradente vertcal do polente na atmosfera lvre. Taa de varação vertcal de temperatra potencal na atmosfera lvre. Espaçamento médo da grade. Δh Comprmento da camada de entranhamento (dstânca entre z e z T ). δ Δt Delta de Kronecker. Varação do tempo. Δ e Δy Δz Espaçamento entre pontos de grade nas dreções, y, z respectvamente. ε ε k ζ Η η Taa de dsspação. Tensor de Lev-Cvta. Vortcdade. Mcro escala de Kolmogorov. Mcroescala de Kolmogorov. θ, θ Temperatra potencal; Temperatra potencal no nível de referênca. θ Fltação da temperatra potencal. κ ν ν t, ν T ν θ ρ ζ t Dfsvdade térmca. Vscosdade cnemátca. Coefcentes de dfsvdade trblenta da parte sotrópca e da parte não homogênea, respectvamente. Coefcente de dfsvdade de calor. Densdade do ar. Desvo padrão.

19 Lsta de símbolos e varáves Ω Área rbanzada Favela Indstra Eqpamento rbano Aterro santáro Lão Reservatóro de retenção Chácara Loteamento desocpado Vetor taa de rotação da Terra. Áreas arradas e efetvamente ocpadas por so resdencal, comercal e de servços, caracterzadas por ras e edfcações. Connto de ndades habtaconas e sb-habtaconas (barracos, casas de madera o alvenara), sem dentfcação de lotes, dspostas, va de regra, de forma desordenada e densa. O sstema váro é consttído de vas de crclação estretas e de alnhamento rreglar. Edfcações o aglomerados de nstalações caracterzados pela presença de grandes edfcações e pátos de estaconamento localzados dentro o fora de áreas rbanzadas, especalmente ao longo de grandes eos város. Área ocpada por estabelecmentos, espaços o nstalações destnados ã edcação, saúde, lazer, cltra, assstênca socal, clto relgoso o admnstração pblca. Áreas de dsposção fnal de resídos sóldos rbanos no solo através de confnamento em camadas cobertas com materal nerte, geralmente solo, segndo normas especfcas, de modo a evtar danos o rsco ã saúde e ã segrança, mnmzando mpactos ambentas. Áreas de deposto de resídos sóldos a cé aberto, sem nenhm tratamento. Reservatóro de controle de cheas com saídas não. Chácaras soladas e loteamentos de chácaras de lazer o de so resdencal e sedes de sítos qe se encontram, notadamente, ao longo das estradas vcnas. Áreas arradas com até 1% de ocpação, podendo estar localzadas dentro da área rbana, na perfera o soladas. Rodova Áreas de rodova com faa de domíno de largra speror a 25m. Mneração Movmento de terra hortfrtgranero Reflorestamento Áreas de etração mneral e se entorno (movmento de terra, cavas e edfcações) qe sofrem o sofreram efetos desta atvdade. Áreas qe sofreram terraplanagem, apresentando solo eposto pela remoção da cobertra vegetal e movmentação do solo. Áreas de cltra perene o anal, hortcltra, grana e psccltra. Formações arbóreas e homogêneas, cltvadas pelo homem com fm

20 Lsta de símbolos e varáves v bascamente econômco. Solo eposto Mata Capoera Vegetação de várzea Campo Otro so Solo preparado para o cltvo e áreas qe se encontram sem cobertra vegetal, devdo ã ação de processos erosvos. Vegetação consttída por arvores de porte speror a 5m, cas copas se toqem (no tpo denso) o propcem ma cobertra de pelo menos 4% (nos tpos abertos). Vegetação secndára qe scede ã derrbadas das florestas, consttída sobre tdo por ndvídos lenhosos de segndo crescmento, na maora, da floresta anteror, e por espéces espontâneas qe nvadem áreas devastadas, apresentando porte deste arbstvo até arbóreo, porem com arvores fnas e compactamente dspostas. Vegetação de composção varável qe sofre nflenca dos ros, estando seta a nndações peródcas, na época das chvas. Vegetação caracterzada, prncpalmente pela presença de gramíneas, ca altra, geralmente vara de 1 a 15 cm, apromadamente, consttndo ma cobertra qe pode ser qase contna o se apresentar sob forma de tfos, deando, nesse caso, algns trechos de solo a descoberto. Áreas qe não se enqadram nos padrões anterores, tas como: comerco e servços ao longo das estradas o solados (restarantes, postos de gasolna, hotel e etc.).

21 Resmo v RESUMO Esta dssertação tem como obetvo nvestgar os padrões de dspersão atmosfércos na regão metropoltana de São Palo (RMSP) através da smlação nmérca da evolção drna da camada lmte planetára (CLP) convectva com o modelo LES desenvolvdo por Moeng. Os resltados apresentados neste trabalho correspondem m connto de smlações nmércas realzadas com passo de tempo de 1 segndo e ma grade de pontos dstrbídos galmente sobre m domíno de 1 km por 1 km na dreção horzontal e de 2 km na dreção vertcal. O modelo LES fo eectado para smlar a evolção da CLP drante 1 horas correspondentes ao período entre 8: HL e 18: HL. Nestas smlações fo tlzado, como condções de contorno e ncal, m connto de parâmetros compatíves com as condções meteorológcas típcas do nverno na RMSP observadas drante o mês de nho. Para smlar a evolção drna do monódo de carbono na RMSP fo desenvolvda ma epressão para o flo vertcal de monódo de carbono na sperfíce, estmado a partr do nventáro das emssões veclares da CETESB. Esta epressão reprodz o comportamento do tráfego de veíclos da RMSP com ma emssão máma no níco e no fm do período drno. O modelo LES fo capaz de reprodzr as prncpas propredades estatístcas da trblênca observadas em CLP convectva sobre ma regão rbana. A etensão máma da CLP atng cerca de 1165 metros as 16: HL. A evolção drna smlada do monódo de carbono é caracterzada por m decréscmo na concentração a partr da segnda metade do período da manhã. Este comportamento é consstente com as observações realzadas pela CETESB na RMSP e está assocado ao entranhamento de ar lmpo no topo da CLP, combnado com a dmnção da ntensdade do tráfego de veíclos. Fnalmente, as smlações nmércas com o modelo LES e as observações analsadas neste trabalho ndcam qe advecção horzontal de monódo pode ser m efeto mportante somente nas regões de transção entre a ocpação não-rbana e rbana da RMSP. Nas regões afastadas das fronteras os mecansmos domnantes são a emssão veclar e o entranhamento.

22 Abstract v ABSTRACT The man goal of ths work s to evalate the patterns of atmospherc dsperson over the metropoltan regon of São Palo (MRSP) by carryng ot nmercal smlatons of the drnal evolton of the convectve planetary bondary layer (PBL) sng the LES model developed by Moeng. The reslts dscssed here correspond to a set of nmercal smlatons sng a tme step of 1 second and a grd wth ponts, eqally dstrbted over a doman of 1 km by 1 km n the horzontal drecton and 2 km n the vertcal drecton. The LES model was rn to smlate the tme evolton of the PBL for 1 hors correspondng to the perod between 8: LT (Local Tme) and 18: LT. In ths smlaton t was sed as ntal and bondary condtons a set of parameters compatble to the typcal atmospherc condtons fond n the MRSP drng the wnter month of Jne. In order to smlate the drnal evolton of carbon monode n the MRSP t was developed an epresson for the vertcal fl of carbon monode at the srface based on the vehcle emsson nventory provded by CETESB. Ths epresson reprodces the traffc patterns of vehcles n the MRSP wth a mamm emsson n the begnnng and at the end of the daytme perod. The model LES was capable to reprodce the man statstcal propertes of trblence observed n a convectve PBL over an rban area. The mamm vertcal etent of the PBL was abot 1165 meters at 16:3 LT. The drnal evolton of carbon monode obtaned from the model LES and observed n the MRSP showed a good level of agreement. The smlated drnal evolton of the carbon monode s characterzed by a decreasng n the concentraton n the second half of the mornng. Ths behavor s consstent wth the observatons carred ot by CETESB n the MRSP, and t s assocated to the entranment of clean ar at the top of the PBL combned wth the dmnshng n the vehcles traffc ntensty. Fnally, the nmercal smlatons sng LES and observatons n the MRSP ndcated that horzontal advecton of carbon monode seems to be an mportant effect only n areas located n not-rban and rban bondares of MRSP. Far from the bondares the domnant effects are entranment and vehcle emsson.

23 1. Introdção 1 1. Introdção Ldwng Prandtl fez a prmera descrção do conceto de camada lmte planetára em 194, sa teora dza qe o atrto casava desaceleração no fldo medatamente adacente à sperfíce e qe o efeto do atrto era sentdo somente nma peqena regão próma a sperfíce onde os movmentos atmosfércos de peqena escala, também denomnados trblênca, são mportantes (Anderson Jr, 25). Na camada lmte planetára (CLP), também chamada de camada lmte atmosférca (CLA), os flos trblentos de momento, calor o massa são gerados por meo de movmentos trblentos com escala característca de comprmento da ordem de grandeza da etensão vertcal da camada lmte o menor. (Garratt, 1994). A CLP é ma componente de fndamental mportânca em estdos de modelagem nmérca do tempo e do clma, sea regonal, global o contnental, á qe esses modelos são sensíves aos processos de sperfíce qe ocorrem na peqena escala como os flos trblentos de momento, calor e mdade. A CLP anda pode ser classfcada como: Convectva: o aqecmento solar da sperfíce é sfcente para manter a convecção térmca; Netra: qando nem o aqecmento solar nem o resframento radatvo são sfcentes para alterar as característcas da trblênca de orgem mecânca; Estável: o resframento radatvo da sperfíce é sfcente para manter ma estratfcação térmca através da qal a trblênca terá qe realzar trabalho. A CLP convectva pode ser dvdda em três camadas (Fg. 1.1):

24 1. Introdção 2 Fgra 1.1: Estrtra da camada lmte planetára, drante o da. Onde z é o comprmento de rgosdade, z S, z e z T são a altra da CLS, da CM e da CE, respectvamente e q, q, q, q são mdade específca méda no nível z T, na CM, no nível z, e na sperfíce, T, M,, são a temperatra potencal méda no S nível z T, na CM, no nível z, e na sperfíce, respectvamente. E h é o comprmento da camada de mstra (dstanca entre z e z s ), e Δh é o comprmento da camada de entranhamento (dstânca entre z e z T ). E q e são a varação da temperatra potencal e mdade específca méda entre CE e CM, respectvamente. E e são o gradente vertcal de mdade específca e temperatra potencal, q respectvamente. T M S Camada lmte sperfcal (CLS), com espessra de dezenas de metros (apromadamente 1% da altra da CLP), é a camada onde os flos vertcas trblentos são constantes e os gradentes vertcas das propredades médas são ntensos;

25 1. Introdção 3 Camada de mstra (CM), com espessra da ordem de 1 m, é a camada onde os gradentes vertcas das propredades médas são mantdos peqenos pela ntensa mstra trblenta; Camada de entranhamento (CE), com espessra varável de 5 a 2 m, é a camada onde os gradentes vertcas das propredades médas são ntensos devdo ao entranhamento do ar provenente da atmosfera lvre na CM (Newstadt e Dybkerke, 1996). Os processos de prodção da trblênca podem ser avalados por meo da eqação qe descreve a conservação de energa cnétca trblenta ( e 2,5 ) para ma CLP estaconára, horzontalmente homogênea e com o vento médo paralelo a dreção leste-oeste (Garratt, 1994): w S z g B w e w z T 1 pw D (1.1) onde, = (, v, w) ndcam as componentes zonal, merdonal e vertcal do vento, a méda de Reynolds e a fltação em torno da méda de Reynolds, z a coordenada vertcal, temperatra potencal, p pressão atmosférca, a densdade do ar e o estado de referênca da atmosfera (Panofsky e Dtton, 1984). Os termos em (1.1) representam: S: Taa de prodção mecânca de ECT (Energa Cnétca Trblenta); B: Taa de prodção (CLP convectva) o destrção térmca (CLP estável) de ECT; T: Taa de varação de ECT devdo ao transporte trblento de ECT e a fltação de pressão; D: taa de varação de ECT devdo à dsspação moleclar.

26 1. Introdção 4 A prodção mecânca de ECT é dretamente proporconal ao csalhamento vertcal do vento médo. Como na CLP a velocdade do vento médo vara mas com a altra na regão próma da sperfíce, a maor parte da prodção mecânca de ECT está concentrada próma à sperfíce (Newstadt e Valk, 1987). A prodção (o destrção) térmca de ECT está relaconada com os efetos dnâmcos das fltações trblentas de densdade ndzdas pelas varações de temperatra. Qando o ar é não satrado, a prodção térmca de ECT é casada eclsvamente pelas fltações de temperatra e neste caso a prodção térmca de ECT é eclsvamente determnada pelo flo de calor sensível gerado pela sperfíce. Qando o ar está satrado deve-se levar em conta na estmatva da prodção térmca de ECT as varações de densdade assocadas às fltações no conteúdo de vapor de ága da CLP. Qando a maor parte da ECT é prodzda pelo empo o regme da trblênca é denomnado convecção térmca e a CLP é denomnada convectva. Drante o período drno a trblênca na CLP é mantda prncpalmente pela prodção térmca (trblênca gerada pelo movmento vertcal ndzdo pelo empo postvo das parcelas de ar menos densas) e pela prodção mecânca (trblênca gerada pelo csalhamento vertcal do vento médo) de ECT. No período drno, com o aqecmento radatvo da sperfíce, a regão da CLP convectva próma à sperfíce torna-se nstável ( z, Fg. 1.1). Nesta regão as parcelas de ar são aceleradas na dreção vertcal devdo à ação da força de empo. Neste caso a dreção da força do empo e a dreção da velocdade da parcela concdem, dando orgem a movmentos vertcas ntensos denomnados de térmcas o smplesmente convecção térmca. Além do aqecmento radatvo da sperfíce, a trblênca na CLP convectva pode também ter orgem na convecção térmca ndzda pelo resframento radatvo das nvens localzadas no topo da CLP.

27 1. Introdção 5 Drante a note, com o resframento radatvo da sperfíce, a ntensdade ECT na CLP passa a depender somente da prodção mecânca e da ntensdade da estratfcação térmca. Neste caso a dreção da força de empo e a dreção da velocdade da parcela estão orentadas em dreções opostas e os movmentos vertcas assocados à trblênca de orgem mecânca são fortemente atenados à medda qe a establdade das camadas mas prómas à sperfíce amenta. Nestas condções, o regme de trblênca é denomnado convecção forçada e a CLP estável Entranhamento O processo de crescmento da CLP convectva é denomnado entranhamento. Ele ocorre qando o ar da atmosfera lvre é deslocado na vertcal para dentro da CLP ao longo da camada de nversão térmca de alttde. Este ar, ncalmente não trblento, torna-se trblento à medda qe se mstra com o ar da CLP. A taa de entranhamento, o sea, taa de crescmento da CLP depende da estratfcação térmca da atmosfera lvre acma da CLP e da magntde da ECT na CLP (Sorban, 1996). Na presença de nvens ( stratocmls-topped bondary layer ) a taa de entranhamento da CLP não é dretamente proporconal ao flo de calor médo na CLP (Moeng, 2). Apesar de não nvaldar os estdos anterores (Deardorff, 198; Bretherton et al., 1999), este fato ndca qe os padrões de dspersão atmosférca de ma CLP sem nvem não podem ser etrapolados para ma CLP com nvens, prncpalmente se for stratocmls. Em regões onde a polção atmosférca está assocada a fontes localzadas na sperfíce, o entranhamento de ar da atmosfera lvre na CLP é m mportante mecansmo de lmpeza. À medda qe o ar da atmosfera lvre, menos polído, penetra no nteror da CLP a concentração do polente dmn.

28 1. Introdção 6 Ca e Lhar (22), nvestgaram a fmgação nma CLP convectva para dferentes parâmetros de entranhamento, tlzando o modelo LES ( Large Eddy Smlatons ), e mostraram qe nos casos em qe a ntensdade da nversão térmca é fraca o crescmento da CLP convectva é mto rápdo, conseqentemente a fmgação ocorre com maor freqüênca na medda em qe a maor parte da plma é rapdamente entranhada dentro da CLP convectva. Estes resltados estão de acordo com os dados epermentas obtdos por Hbberd e Lhar (1996). Sorban (26) eamno o regme de transção entre a CLP estável e convectva (danote) tlzando modelo LES, e sas smlações nmércas ndcaram qe na prmera metade da CM o campo do vento não se altera mto drante a transção de estável para convectva. Entretanto, na metade speror da CM e ao longo da camada de transção, os gradentes da velocdade do vento dmnem consderavelmente em resposta ao entranhamento. Assm, o entranhamento na CLP convectva é m processo mportante para a caracterzação da evolção temporal e espacal da estrtra dnâmca e termodnâmca da CLP com mplcações do ponto de vsta prognóstco das varáves meteorológcas convenconas (vento, temperatra, mdade, etc) e na caracterzação do potencal de dlção de polentes na atmosfera. Nesse trabalho será nvestgado o papel do entranhamento de ar lmpo na CLP convectva no cclo drno do monódo de carbono na sperfíce Modelagem nmérca da CLP Drante as últmas qatro décadas, a CLP tem sdo ntensvamente nvestgada observaconalmente através de epermentos de campo (Crry et al., 2; LeMone et al., 22; Polos et al., 22). Apesar do avanço consderável no entendmento dos processos trblentos, prncpalmente sobre sperfíces planas e com ocpação do solo homogêneas, as

29 1. Introdção 7 lmtações operaconas e o csto têm amentado de forma sgnfcatva qando os estdos observaconas são realzados sobre sperfíces compleas e com ocpação do solo heterogênea. Neste caso, o trabalho epermental necessta ser complementado, o até eventalmente sbsttído, por estdos nmércos. A modelagem nmérca da atmosfera constt ma mportante ferramenta para a prevsão do tempo e do clma. Os modelos nmércos podem e devem ser tlzados para sbsdar o gerencamento ambental, prncpalmente para efetar dagnóstcos do comportamento da atmosfera assocados a ocpações rbanas, rras e nstalações ndstras. Apesar da mportânca, os modelos nmércos da atmosfera apresentam dversas lmtações. Entre elas pode-se destacar a dfcldade em representar a trblênca na CLP. Esta dfcldade está ntrnsecamente relaconada à mpossbldade em reprodzr os processos físcos de trocas trblentas de momento, energa e massa, entre sperfíce e atmosfera. A dfcldade se acenta qando as sperfíces são caracterzadas por ma ocpação do solo heterogênea e por ma topografa complea. Nestes casos, parte do problema resde nas dfcldades em especfcar as propredades físcas da sperfíce (albedo, emssvdade, rgosdade aerodnâmca, etc) e as propredades do solo (relaconadas ao transporte de calor e mdade no solo) com resolção espacal e temporal adeqada. Além dsso, em algns tpos de ocpação do solo (como por eemplo, a rbana) este a mpossbldade prátca de se representar adeqadamente à trblênca na CLS. Nestas crcnstancas as teoras da smlardade de Monn-Obkhov não são váldas, porqe devdo à heterogenedade de sperfíce, não se observa à formação da regão de eqlíbro nercal da CLS (Marht, 2). Entre os prncpas modelos nmércos tlzados para representar as propredades dos escoamentos trblentos na CLP destacam-se modelos de Méda de Reynolds (RANS), de Smlação Nmérca Dreta (DNS), e LES.

30 1. Introdção 8 Os modelos RANS são nmercamente mas smples e, portanto mto empregados em modelagem de fenômenos atmosfércos de grande e mesoescala. Neles a trblênca é parametrzada de forma global, o sea, ndependente da escala espacal dos vórtces trblentos. Independentemente da ordem do fechamento, as parametrzações tlzadas apresentam séres defcêncas qando as característcas do escoamento smlado dvergem das condções predomnantes nas meddas epermentas tlzadas para dervá-las (Xe e Castro, 26). Os modelos do tpo DNS são os mas compleos do ponto de vsta nmérco, ma vez qe todas as escalas espacas dos vórtces presentes no escoamento trblento são resolvdas nmercamente sem nenhm tpo parametrzação. Apesar de ser a melhor representação do escoamento trblento, os modelos DNS apresentam m csto comptaconal elevado e a sa aplcação está lmtada a escoamentos trblentos com número de Reynolds bao. Este fato restrnge de forma dramátca a aplcação de modelos DNS na smlação de escoamentos trblentos geofíscos (Xe e Castro, 26). Os modelos do tpo LES representam hoe em da a melhor forma de smlar nmercamente a trblênca na CLP, ma vez qe combnam a smplcdade dos modelos RANS e a capacdade de reprodzr a trblênca dos modelos DNS. Os modelos LES estão baseados na smlação nmérca dreta dos vórtces trblentos de grande escala e na parametrzação dos vórtces de peqena escala, onde os trblhões apresentam característcas mas nversas permtndo o desenvolvmento de parametrzações com característcas mas geras (Pope, 24). O modelo tpo LES fo empregado com scesso para smlar trblênca de grande escala na atmosfera no nco década de 7 por Deardorff (Deardorff, 197; 1972; 1974). Nestes trabalhos poneros, o modelo LES fo tlzado para smlar nmercamente a evolção temporal e espacal da camada lmte atmosférca netra, nstável e convectva com ma grade

31 1. Introdção 9 de 4 3 pontos de grade com grande scesso. Deve ser ressaltado o scesso destas smlações se deve ao fato de Deardorff tlzar o fechamento proposto por Smagornsky. Entre otras cosas o fechamento de Smagornsky preserva o processo de cascata de energa, onde a ECT é transferda dos trblhões de grande escala para os de menor escala, onde é dsspada pela vscosdade moleclar do flído. Desde então, a CLP tem sdo ntensvamente estdada com modelos nmércos do tpo LES (Moeng, 1984; Schmdt e Schmann, 1989; Newstadt et al., 1992; Mason, 1999; Km et al., 23; Doso et al., 23; Sorban, 24; Fedorovch et al., 24; Patton et al., 25). Nessa dssertação de mestrado será tlzada ma versão paralelzada do modelo LES crado por Deardorff (197) e modfcada por Moeng (1984) e Sllvan et al,. (1994). Esta versão paralelzada fo mplementada no clster Intel Ln do LCCA-USP (8 nós) e permte realzar smlações nmércas da CLP convectva de 36Δt e com pontos de grade (dstrbídos galmente sobre m domíno de 1 km por 1 km na horzontal, e 2 km na vertcal) em cerca de 1 horas de CPU. O modelo LES tem sdo tlzado pelo Grpo de Mcrometeorologa da USP para smlar a evolção espacal da CLP convectva sobre ma sperfíce plana e homogênea (Marqes Flho, 24). A versão seral do modelo fo mplementada no CRAY-J9 1 do LCCA da USP em 2 (Marqes Flho, 24; Olvera et al., 22) e, apesar das lmtações de processamento, prncpalmente relaconadas à área em dsco, permt smlar a dspersão de fontes do tpo área (Marqes Flho et al., 23) e fonte do tpo pontal (Marqes Flho, 24, Marqes e Olvera, 25). Deve ser ressaltado qe todas esta smlações com a versão seral do modelo LES fcaram restrtas a períodos de no mámo 1 hora (36Δt). Assm neste trabalho, o modelo LES será empregado para smlar a evolção drna da CLP com o obetvo de caracterzar a estrtra dnâmca e termodnâmca sobre a regão 1 CRAY SV1 a partr de 23

32 1. Introdção 1 rbana representatva da Regão Metropoltana de São Palo (RMSP). As smlações serão realzadas para m período de 1 horas, cobrndo todo período convectvo. As smlações realzadas por meo do LES tlzarão condções de contorno nferores correspondentes a ma sperfíce rbana com topografa plana e ocpação do solo homogênea. A compledade da topografa e da ocpação do solo realístca não serão levados em conta nestas smlações, por qe apesar da estrtra comptaconal dsponível pelo LCCA ser mto boa, ela é dvda por város pesqsadores e não permte ma tlzação mas ntensva necessára para alterações de códgo. Além dsso, não estão dsponíves nformações sobre as propredades radométrcas, térmcas e aerodnâmcas da sperfíce da RMSP com a resolção necessára para obter-se qalqer benefco da mplementação de m códgo de balanço de energa rbano (Martll, 27). Em fnção destas dfcldades técncas opto-se em focar as análses na caracterzação dnâmca de CLP convectva através de ma smlação de 1 horas e nvestgar o papel da entranhamento de ar da atmosfera lvre no comportamento do monódo de carbono observado na sperfíce em São Palo Motvação para o estdo Opto-se, nessa dssertação, em tlzar o monódo de carbono por se tratar de m gás qe não sofre reações qímcas na escala de tempo da evolção drna da CLP. A polção atmosférca tem sdo etensvamente estdada por casar séros danos ao meo ambente devdo às altas concentrações de polentes gasosos e partclados, e afetar de dversas formas a saúde hmana, os ecossstemas e os materas. Estdos mostraram qe qando eposta a altos níves de polção a poplação está seto a sofrer séras nfecções respratóras, doença crônca plmonares, e câncer plmonar (Smth et al., 1999).

33 1. Introdção 11 A cdade de São Palo, com mas de 1 mlhões de habtantes, nto com otras 39 cdades menores formam a Regão Metropoltana de São Palo (RMSP). A RMSP poss ma área de 8.51km 2 e é ma das maores áreas rbanas da Amérca do Sl e ma das maores do mndo. Com cerca de 19 mlhões de habtantes, a RMSP sofre todo tpo de problema ambental, entre os qas se destaca a deteroração da qaldade do ar, devdo às emssões atmosfércas de cerca de 2 ndústras de alto potencal poldor e de ma frota regstrada de apromadamente 7,3 mlhões de veíclos. A frota de veíclos da RMSP representa cerca de 2% do total naconal. Além dsso, de acordo com as estmatvas de 26, as fontes de polção estentes na RMSP são responsáves pelas emssões para a atmosfera de 1,48 mlhões de toneladas por ano de CO (Monódo de carbono, CETESB, 27). Deve ser ressaltado qe no ano de 26 ocorreram sete epsódos onde a concentração de CO ltrapasso o padrão prmáro (CETESB, 27). Assm, do ponto de vsta ambental a nvestgação dos fatores qe determnam qaldade do ar da RMSP é ma área prortára em fnção da forte degradação ambental casada pela concentração de fontes poldoras. Desta forma, é de etrema mportânca conhecer o comportamento deste polente. Devdo à efcênca em modelar efetos de peqena escala, tlzaremos o modelo LES para smlar o comportamento do monódo de carbono em condções atmosfércas smlares as qe encontramos na RMSP.

34 1. Introdção Obetvo O obetvo deste trabalho é efetar ma caracterzação da CLP rbana através do modelo LES. Para tanto foram efetadas smlações nmércas da evolção da CLP convectva sobre ma sperfíce plana e horzontalmente homogênea com característcas representatvas de ma regão rbana smlar a RMSP. Para representar o regme convectvo as smlações nmércas foram realzadas para m período de 1 horas, entre 8 e 18 horas. As condções de contorno e ncas foram obtdas a partr das observações dsponíves na RMSP e refletem condções típcas de nverno. Nesta nvestgação, as propredades estatístcas da CLP convectva serão obtdas através dos campos trdmensonas de velocdade, temperatra e concentração de monódo de carbono. Os resltados das smlações foram comparados com observações realzadas na plataforma mcrometeorológca do IAG (temperatra potencal) e com dados da CETESB (monódo de carbono). Neste trabalho, a descrção do modelo LES é apresentada no captlo 2. As prncpas característcas ambentas e clmátcas da RMSP são dsctdas no captlo 3, focando a qestão ambental do monódo de carbono. Neste capítlo é apresentada também ma descrção da metodologa de estmatva da emssão de CO tlzada como condção de contorno nas smlações com o modelo LES. Os prncpas resltados são apresentados no capítlo 4 e resmdos no capítlo 5.

35 2. Descrção do modelo LES Descrção do modelo LES Wyngaard e Pelter (1996) defnram a palavra modelagem como a representação da trblênca através de apromações das eqações do movmento ca solção é capaz de reprodzr o comportamento da trblênca de forma smlar ao observado na atmosfera. Os três prncpas tpos de modelos tlzados hoe são: Modelos de Smlação Nmérca Dreta; Modelos de Méda de Reynolds; Modelos de Smlação dos Grandes Trblhões Modelos de smlação nmérca dreta Nas smlações com os modelos de smlação nmérca dreta ( Drect nmercal smlaton o DNS) todas as escalas do escoamento trblento são resolvdas através da solção nmérca das eqações do movmento. Para smlar a CLP com este tpo de modelo, o número de pontos de grade reqerdo para descrever o escoamento trblento com escala de comprmento característca L é dado por 3 L, onde η é a mcroescala de Kolmogorov. Para condções típcas de L = 1 m e η =.1 m, sera necessáro cerca de 1 18 pontos de grade. A eqação abao mostra qe o número dos pontos de grade é proporconal ao número de Reynolds (Re): 3 L Re 9 4 A atal capacdade de processamento dos comptadores torna o emprego de modelos DNS mpratcável para smlar as propredades da CLP.

36 2. Descrção do modelo LES Modelos de méda de Reynolds Os modelos nmércos do tpo méda de Reynolds baseam-se no tratamento estatístco dos escoamentos trblentos assmndo a estênca de ma fnção densdade de probabldade assocada a cada varável qe descreve as propredades dnâmcas e termodnâmcas do escoamento (Monn eyaglon, 197). A aplcação da méda de Reynolds nas eqações do movmento (conservação de momento, massa e energa) gera o problema de fechamento, onde o número de ncógntas estentes no sstema de eqações resltante é maor do qe o número de eqações. Os modelos nmércos baseados no tratamento estatístco da trblênca reqerem a solção do problema de fechamento. As solções estentes, ndependentemente da ordem do problema de fechamento, estão baseadas em meddas epermentas e apresentam defcêncas na representação de mtos processos físcos (Garratt et al., 1994). Parte dessa defcênca resde no fato de qe os escoamentos trblentos - consttídos de vórtces de váras escalas de comprmento - são descrtos nestas parametrzações de forma global. Também conhecdos como modelos RANS ( Reynolds Average Naves-Stokes ) reqerem na sa forma mas smples (fechamento de prmera ordem) a parametrzação dos flos vertcas trblentos de momento. No fechamento prmera ordem, os flos vertcas trblentos são representados através do prodto entre m coefcente de dfsão trblenta e o gradente da propredade méda. Esta parametrzação basea-se na analoga entre o transporte trblento e o moleclar. A analoga com transporte moleclar apresenta város problemas, destacando-se o fato do transporte em m escoamento trblento ser ma propredade do escoamento, enqanto qe o transporte moleclar é ma propredade do fldo (Tennekes e Lnley. 1972).

37 2. Descrção do modelo LES 15 Os modelos de fechamento segnda ordem estão baseados em m connto de eqações qe descrevem os momentos estatístcos de segnda ordem a partr da parametrzação dos termos de tercera e qarta ordem (Donaldson, 1973; Mellor e Yamada, 1974; André et al., 1978; Olvera, 23) Modelos de smlação dos grandes trblhões Nos últmos 3 anos, o modelo de smlação dos grandes trblhões ( Large eddy smlaton o LES) tem sdo aplcado para nvestgar város aspectos da estrtra da trblênca da CLP convectva, netro e estável. Eemplos dessas aplcações são descrtos na tabela 2.1. Nela verfca-se qe na década de 9 os modelos LES atngram ma etraordnára resolção, com espaçamento de grade da ordem de 1 metros e número de pontos de grade da ordem de 1 6. Com as smlações da CLP convectva realzadas, na década de 7, por Deardorff (1972) fo possível mostrar qe a escala de velocdade convectva w e a altra da CLP ( z ) são as escalas característcas de velocdade e de comprmento, respectvamente, qe formam a base da teora da smlardade da camada de mstra. Nestas smlações os resltados ndcaram qe, em condções convectvas, m polente emtdo na sperfíce é transportado para o topo da CLP em ma escala característca de tempo qe é cerca de das ordens de magntde maor do qe em condções netras. Moeng (1984) desenvolve ma nova versão do modelo LES proposto por Deardorff, onde as eqações governantes são dscretzadas tlzando o esqema nmérco psedoespectral. Esta modfcação ntrodzda por Moeng permt ma melhora na precsão nmérca do modelo sem m csto comptaconal elevado, em vrtde da aplcação da técnca de transformada Rápda de Forer (FFT). *

38 2. Descrção do modelo LES 16 Tabela 2.1: Característcas das aplcações dos modelos LES para smlar propredades da CLP. Ator Espaçamento da grade (km 2 ) Número de pontos (,y,z) Deardorff (1972) , 4, 2 Moeng (1984) , 32, 4 Moeng e Wyngaard (1988) , 96, 96 S et al. (1998),192,192,6 96, 96, 3 De Roode at al. (24) 5,12 5,12 1,44 256,256,96 Doso et al. (26) 5,12 5,12 1,28 512, 512, 128 Neste trabalho, está sendo tlzada na nvestgação da CLP convectva sobre a regão rbana de São Palo ma versão paralelzada do modelo de Moeng. Os modelos de méda de volme, também denomnados de modelos LES ( Large Eddy Smlaton Model ), estão baseados na smlação nmérca dreta dos grandes trblhões (escala resolvda) e na parametrzação dos processos qe ocorrem em peqena escala (escala não resolvda o SGS) (Deardorff, 1972; Moeng, 1984; Mason, 1994; Leser e Metas, 1996). O escoamento trblento na camada lmte atmosférca é composto de grandes trblhões. A energa cnétca da trblênca na CLP é obtda através de energa cnétca dos movmentos atmosfércos de grande e mesoescala (Fg. 2.1a). A etensão espacal dos grandes trblhões é determnada pela geometra do fldo, em geral caracterzada por ma escala característca de comprmento (da ordem de grandeza da altra da CLP, Fg. 2.1b). Em m escoamento trblento plenamente desenvolvdo, os grandes trblhões são compostos por trblhões menores. A energa cnétca qe mantém os grandes trblhões é transferda para aos trblhões menores progressvamente até qe as menores escalas do movmento trblento seam atngdas. Nesta regão do espectro de trblênca, a escala característcas dos trblhões é da ordem de grandeza da mcroescala de Kolmogorov (Fg. 2.1b). A ECT (Energa Cnétca Trblenta) assocada aos menores trblhões é totalmente dsspada em calor. O processo de transferênca espectral de ECT é denomnado de cascata de energa.

39 2. Descrção do modelo LES 17 A grande vantagem dos modelos de méda de volme é qe, dferentemente dos modelos baseados na méda de Reynolds, o problema de fechamento fca confnado a parte do espectro de trblênca localzada entre o sbdomíno nercal e a regão de dsspação moleclar (Fg. 2.1). Nesta regão do espectro, os trblhões apresentam característcas mas nversas permtndo com sso o desenvolvmento de parametrzações com característcas mas geras. Fgra 2.1: Espectro de energa trblenta. Onde η é a mcro escala de Kolmogorov e l é a escala dos trblhões mas energétcos (Adaptado: Stll, 1988, fgra 2.2, págna 32). Apesar da vantagem dsctda acma, os modelos do tpo LES têm algmas lmtações relaconadas ao fechamento da escala não resolvda (modelos de sb-grade o SGS) e as lmtações mpostas pela dmensão da grade. Esta últma lmtação é mportante e reqer m cdado especal na escolha da resolção da grade, prncpalmente na CLS (Sllvan et al., 1994; Mason e Brown, 1999; Pope, 24). Resltados mas recentes têm mostrado qe o desempenho do modelo LES pode melhorar com a adoção de modelos dnâmcos de SGS para flos de momento e de escalares, dependentes da escala espacal do movmento (Porte-Agel et al., 2; Porte-Agel, 24). Essas aplcações do LES com modelos dnâmcos de SGS têm mostrado ma melhora sgnfcatva na descrção das propredades da CLP, permtndo prncpalmente a obtenção de perfs médos de velocdade e de espectros de velocdade mas realístcos.

40 2. Descrção do modelo LES Fltro Para defnr precsamente as qantdades a serem comptadas pelo LES é aplcado m fltro qe remove as componentes de peqena escala das eqações governantes (Leonard, 1974). A decomposção de ma varável em componentes da escala resolvda e escala de sbgrade é: (2.1) onde ndca a varável da escala resolvda o fltrada e a varável da escala de sbgrade o resdal. A fnção fltrada é defnda como: f (, t) G( ) f ( ) d (2.2) onde f é a varável do escoamento, G é a fnção fltro, e a ntegração é feta sobre o volme. A escala não resolvda é calclada como resído, sendo: f (, t) f (, t) f (, t) (2.3) A fnção fltro G pode ser defnda de dferentes formas. Algns eemplos são apresentados na fgra 2.2. Cada m desses fltros remove as contrbções da peqena escala da varável randômca f. A versão do modelo LES desenvolvda por Moeng, tlza o fltro Gassano (Fg. 2.2b) nas dreções horzontas, e na dreção vertcal o própro esqema nmérco de dferenças fntas spre aplcação do fltro.

41 2. Descrção do modelo LES 19 Fgra 2.2: Eemplos de fltros espacas. Onde Δ é o comprmento característco do fltro. Fltro (a) e (b) tem momentos secndáros dêntcos. O fltro de (c) é eqvalente ao método da epansão fnta de Forer. (Fonte: Leonard, 1974, págna 239) 2.5. Eqações governantes da escala resolvda As eqações de conservação de momento, energa, massa conntamente com a eqação de estado descrevem adeqadamente os movmentos trblentos na CLP. Elas são representadas pelo sstema de eqações qe descrevem os movmentos atmosfércos sob condções de convecção rasa (Dtton e Ftchl, 1969; Stll, 1988): k k g p p t (2.4) P k Rn c t (2.5) (2.6) (2.7)

42 2. Descrção do modelo LES 2 No sstema de eqações acma,,, p, representam os valores nstantâneos (totas) das três componentes da velocdade, temperatra potencal, pressão hdrostátca e da densdade do ar. Rn representa o saldo de radação na dreção. As varáves com índce zero,, p representam o estado termodnâmco de referênca. O estado de referenca apresenta varação somente na dreção vertcal. Os parâmetros e k ndcam a dfsvdade moleclar de momento e temperatra, determnados a partr do estado de referênca. A aceleração da gravdade é ndcada por g. O vetor representa a velocdade de rotação da Terra, (, sn, cos ), estmado em fnção da lattde (). O vetor g representa a aceleração da gravdade defnda como (,, g), Com a aplcação do fltro na eqação do momento (2.4), temos: t 1 p p g 2 k k 2 (2.8) A é a tensão de Reynolds na escala de sbgrade (SGS) é dada por: R 1 Rkk 3 Sabendo qe apromação sal pode ser decomposto como:. A (Llly, 1967) só pode ser aplcada em eqações dnâmcas para escoamentos de grande escala, segndo Leonard (1974). Pode-se reescrever o tensor R como: R Então a tensão de Reynolds 1 Rkk 3 Portanto,

43 2. Descrção do modelo LES 21 kk R 3 1 (2.9) Desprezando o efeto da vscosdade moleclar 2, decompondo a pressão p p p p, e consderando a fltação de temperatra potencal, e anda sbsttndo 2 f, tlzando a eqação (2.9) podemos reescrever a eqação (2.8) como: k k kk f g p p R t (2.1) onde o gradente de pressão horzontal p é tratado como ma forçante eterna e ndca a méda sobre o plano horzontal, a segnte relação pode ser consderada: g v f p 2 1 g f y p 2 1 Note qe g e v g são as componentes zonal e merdonal do vento geostrófco e devem ser especfcadas como forçantes eternas a CLP. Com ma smples manplação algébrca temos: k k kk f g p R p t (2.11) Consderando apenas o prmero termo do lado dreto: (2.12) Para m escoamento não dvergente, a eqação (2.12) torna-se: Consderando a forma rotaconal do termo de advecção:

44 2. Descrção do modelo LES A eqação (2.11) pode ser reescrta como: k k kk k k f g p R p t e defnndo, k k kk R P p (2.13) Temos, k k f g p P t 1 Consderando qe: k v w v w y z z y onde k z y. Assm tem-se, z y p P v f v w t z y z y 2 1 (2.14) z y y p y P f w t v z y y y y z 2 1 (2.15) z y z p z P g v t w z z y z z y 1 (2.16a) As eqações (2.14) e (2.15) podem ser escrtas da segnte forma: * P H t (2.17a) onde H é a soma dos termos do lado dreto das Eqs. (2.14)-(2.15). Aplcando o operador dvergênca na eqação (2.16), tem-se:

45 2. Descrção do modelo LES 23 * P H t * 2 z y P z H y H H t w z t v y t * 2 z y P z H y H H z w y v t Consderando qe o campo é não dvergente : z H y H H P z y * 2 (2.17b) t w z y z P g v t w yz yy y y (2.16b) Na eqação (2.16b) a méda horzontal da aceleração vertcal é sbtraída para assegrar qe tanto w qanto t w permaneçam nlos drante a evolção da CLP (Deardorff, 1972). Isto garante qe o escoamento trblento na escala resolvda satsfaça o eqlíbro hdrostátco, g z p 1. A eqação da conservação de temperatra potencal na escala resolvda é descrta por: z y z w y v t z y (2.18) 2.6. Parametrzação O modelo tlzado é m o modelo modfcado de Smagorsky (1963), qe assme a estênca de m eqlíbro local entre a prodção térmca e a dsspação moleclar da energa cnétca trblenta (ECT) e também, garante a cascata de energa da maor para menor escala (Smagornsky, 1984).

46 2. Descrção do modelo LES 24 Sllvan et al. (1994) propseram modfcações no modelo de SGS com base no modelo desenvolvdo por Schmann (1975), pos csalhamento médo prómo à sperfíce nos movmentos SGS não podera ser gnorado. O modelo proposto era composto de m termo de contrbção sotrópca e otro de não-homogênea. Onde a sotropa dos trblhões vscosos depende da magntde da taa de deformação da fltação, enqanto qe o termo não homogêneo vara com a magntde da taa de deformação méda. O modelo tlzado no atalmente pelo LES é: 2 S 2 t T S (2.19) onde t e T são coefcentes de dfsvdade trblenta relaconado com a parte sotrópca e a parte não-homogênea, respectvamente, S 1 2 v é o fator de sotropa, é o coefcente de dfsvdade de calor. O fator de sotropa é dado por: 2 é a taa de deformação, S S (2.2) 2 2 S S S E os coefcentes são defndos como: 1 2 t C k l e (2.21) 2l 1 t 3 y z T ( C K L m ) 2 2 S S (C K L m ) 2 z 2 v z 2 onde é a energa cnétca da trblênca de sb-grade e, 5R kk, l é o comprmento de mstra, Δ é o espaçamento médo da grade sendo qe para ma estratfcação nstável l.

47 2. Descrção do modelo LES 25 C k é constante e gal a,1 (Moeng, 1984). m K L C é o comprmento de mstra lgado com espaçamento de grade, onde C k é apromadamente,1. Esta constante é nflencada pela geometra de grade. A energa cnétca trblenta na escala de sb-grade é obtda através de ma eqação prognostca smlar a adotada por Deardorff (198): p p e w w g e t e (2.22) Na eqação 2.23 a taa de dsspação moleclar (ε) e o termo de transporte da ECT de sbgrade, são parametrzados da segnte forma (Moeng, 1984): m 2 3 L ( e ) C t e 2 p p e onde m L 74,,19 C. Em condções convectvas l e conseqentemente C =, Dspersão de polente Para smlar a dspersão de polentes na CLP será tlzada a eqação prognostca de conservação de m escalar atmosférco em connto com de eqações do LES. Esta eqação pode ser escrta como (Moeng e Wyngaard, 1984): cw cv c F z y z c w y c v c t c onde c é a concentração do polente, F é o termo fonte e η c os flos trblentos do polente na escala de sbgrade c c c c c c. Sendo qe c c c K

48 2. Descrção do modelo LES 26 onde K c é o coefcente de dfsvdade trblento do polente atmosférco. Será sada neste trabalho ma fonte área localzada na sperfíce e qe emte de forma contína Esqema nmérco e condção de frontera No modelo LES tlzado neste trabalho, as eqações do movmento são resolvdas nmercamente tlzando m método psedoespectral nas dreções horzontas e m esqema de dferenças fntas de segnda ordem centrada no espaço na dreção vertcal. As dervadas temporas são dscretzadas através do esqema de 2ª ordem Adams-Bashforth, estável para peqenos passos de tempo (Mesnger e Arakawa, 1982). A establdade nmérca do sstema nmérco e determnada através do cálclo do número de Corant em cada passo de tempo (Δt). As condções de fronteras lateras são assmdas como sendo cíclcas. Esse tpo de frontera é aproprado para representar escoamentos trblentos da CLP sobre sperfíces homogêneas. A teora da smlardade de Monn-Obkhov é empregada para estmar os flos trblentos de momento na sperfíce. Essa frontera é consderada rígda, e com velocdade vertcal nla. A condção de frontera speror é radatva, com gradentes vertcas nlos para as componentes horzontas de velocdade do vento e flos trblentos de sbgrade. Por consstênca, no modelo LES a velocdade vertcal também é nla no topo da grade.

49 3. Caracterzação dos parâmetros físcos Caracterzação dos parâmetros físcos qe determnam a dspersão do monódo de carbono em São Palo 3.1. Polção em São Palo A cdade de São Palo, com mas de 1 mlhões de habtantes, nto com otras 39 cdades menores formam a Regão Metropoltana de São Palo (RMSP). A RMSP poss ma área de 8.51km 2 e é ma das maores áreas rbanas da Amérca do Sl e ma das maores do mndo. Com cerca de 19 mlhões de habtantes, a RMSP sofre todo tpo de problema ambental, entre os qas se destaca a deteroração da qaldade do ar, devdo às emssões dos polentes atmosfércos de cerca de 2 ndústras de alto potencal poldor e de ma frota regstrada de apromadamente 7,3 mlhões de veíclos, sendo 6, mlhões de veíclos do cclo Otto, 43 ml veíclos a desel e 87 ml motos. A frota de veíclos da RMSP representa cerca de 2% do total naconal. Assm, do ponto de vsta ambental a nvestgação dos fatores qe determnam qaldade do ar da RMSP é ma área prortára em fnção da forte degradação ambental casada pela concentração de fontes poldoras. Em termos prátcos, a avalação da qaldade do ar está lgada à freqüênca de ocorrênca de ltrapassagem dos padrões de qaldade do ar e aos efetos adversos qe casam ao meo ambente (Resolção CONAMA n 3/9). Assm, para evtar danos à saúde da poplação foram estabelecdos os padrões prmáros, e para mnmzar os danos à fana e à flora, aos materas e ao meo ambente em geral, foram estabelecdos os padrões secndáros. Fazem parte do grpo convenconalmente tlzado como ndcador de qaldade do ar o dódo de

50 3. Caracterzação dos parâmetros físcos 28 enofre (SO 2 ), o materal partclado (MP), o monódo de carbono (CO), o ozôno (O 3 ) e o dódo de ntrogêno (NO 2 ). Entre os polentes presentes na atmosfera da RMSP os qe mas freqüentemente ltrapassam os lmtes legas na RMSP são O 3, MP e o CO (Tab. 3.1). Tabela 3.1: Padrões naconas da qaldade do ar, méda anal e número de ltrapassagem na RMSP, em 26. Polente Tpo de amostragem Padrão Prmáro (g m -3 ) Padrão Secndáro (g m -3 ) Méda Nº de Ultrapassagens PTS 24 horas MP 1 24 horas FMC 24 horas SO 2 24 horas NO 2 1 hora CO 8 hora 1 9 ppm 9 ppm - 7 O 3 1 hora Não deve ser ltrapassado mas de ma vez por ano. MP 1 = partíclas naláves O 3 = ozôno NO 2 = dódo de ntrogêno SO 2 = dódo de enofre FMC = Fmaça PTS = partíclas totas em sspensão Segndo a CETESB, para esse tpo de amostragem a ltrapassagem não deve ocorrer mas de ma vez por ano, no entanto o qe se observa é qe elas ocorrem com maor freqüênca para o monódo de carbono (7), materal partclado (6) e no caso do ozôno (168). Entre os anos de 1997 e 26 hove 195 ltrapassagens do monódo de carbono na RMSP, sendo qe nos últmos anos a ltrapassagem de CO dmn sgnfcatvamente (CETESB 22; CETESB, 27). Os polentes presentes na atmosfera da RMSP estão prncpalmente relaconados à grande emssão provenente dos veíclos atomotores leves e pesados e secndaramente pelas emssões orgnadas em processos ndstras. Os veíclos são responsáves por 97% das

51 3. Caracterzação dos parâmetros físcos 29 emssões de monódo de carbono (CO), 97% de hdrocarbonetos (HC), 96% de ódos de ntrogêno (NO X ), 4% de materal partclado (MP) e 35% de ódos de enofre (SO X ). O obetvo deste trabalho é nvestgar o comportamento do monódo de carbono na CLP, drante o período convectvo. Este polente fo escolhdo por ser consderado como m traçador nerte de parcelas de ar, pos se tempo de resdênca é relatvamente longo na troposfera, varando entre das semanas e dos meses (Novell et al., 1998). O CO é afetado apenas por emssões antropogêncas recentes podendo ser tlzado para nvestgar fenômenos de escala mcrometeorologca como a evolção vertcal da CLP. Além dsso, o CO ocpa o segndo lgar em ltrapassagem dos padrões prmáros de qaldade do ar na RMSP Monódo de carbono Estma-se qe em todo o planeta são emtdas para atmosfera analmente da ordem de 26 mlhões de toneladas de CO, sendo qe 6% estão assocados às atvdades hmanas e 4% de processos natras (EPA, 1991). A concentração de fndo global do CO vara entre,5,12 ppm. No começo dos anos 8, hove m amento anal de 1 2% na concentração troposférca de monódo de carbono não rbano, no entanto entre 1989 e 1992 a concentração começo a decar rapdamente (WHO, 2). A concentração de fndo em ma regão rbana recebe contrbção de rodovas, da dstrbção de ndústras, da prodção doméstca e da concentração de fndo regonal (Cosemans et al., 25). Dessa forma, a concentração de fndo não pode ser avalada por estações de montoramento em regões rbanas porqe não são representatvas do balanço de CO em ma escala espacal (escala contnental) e temporal (sazonal). Em geral, sto é calclado por meo de modelos de mesoescala, com resolção espacal e temporal lmtado (Mensnk et al., 23).

52 3. Caracterzação dos parâmetros físcos 3 As concentrações ambentas meddas em áreas rbanas dependem do número e do poder de combstão dos veíclos, e são fortemente nflencados pela topografa e condções do tempo. Otra fonte de CO são as emssões contínas de gases devdo ao processo de qema de bomassa drante as estações de seca. Segndo Boan e Krchhoff (26), as qemadas geram ma camada densa de gases polentes e fmaça sobre a regão central do Brasl pode ser transportado para regões dstantes. Um fator mportante no amento de emssões de monódo de carbono é a aceleração da rbanzação. Segndo a ONU ( em 27, a poplação do mndo ltrapasso 5% de pessoas morando nas cdades. Na Amérca Latna esse percental é de 75%. A tendênca é de establzação em torno de índces entre 8 e 9%, embora algns países á tenham ltrapassado os 9%. O Brasl é m dos mas rbanzados do planeta, com 81% dos habtantes em áreas rbanas. Um dos efetos mas mportantes da rbanzação é o amento do número de veíclos e, conseqüentemente, o amento da emssão de polentes na atmosfera (Tab. 3.2). Comparatvamente, com ma emssão anla de 1,48 Tg (Teragramas = 1 12 gramas = 1 6 toneladas) por ano a RMSP é ma das megacdades qe menos emte. Os veíclos atomotores são as prncpas fontes de monódo de carbono, hdrocarbonetos (HC) e ódos de ntrogêno (NO X ). O CO é prodzdo prmaramente por combstão ncompleta de combstíves contendo carbono, como a gasolna, o gás natral, óleo, carvão e madera ( Commttee on Carbon Monode Epsodes n Meteorologcal and Topographcal Problem Areas, 23).

53 3. Caracterzação dos parâmetros físcos 31 Tabela 3.2: Emssão anal de CO em megacdades. Cdade Localzação (lat, long, alttde) Número de habtantes (mlhões) Número de veíclos (mlhões) CO (Tg/ano) São Palo, Brazl. (CETESB, 27) Méco Cty, Méco. (Grar e Leleveld, 25) New York, USA. (EPA, 1997) Los Angeles, USA (EPA, 1997) Moscow, Rssan. (Grar e Leleveld, 25) Shangha, Chna. (Grar e Leleveld, 25) Beng, Chna. (Grar e Leleveld, 25) * $ 23º33 S, 46º44 W, 742m 19º36 N, 98º57 W, 224 m 4º47 N, 73º58 W, 3.5 m 36º3 N, 118º14 W, 233 m 55º46 N, 37º4 E, 15 m 31º13 N, 121º28 E, 4 m 39º54 N, 116º23 E, 43 m & 2,5 7 1,48 18,1-1,8 8,1-3, 11,8-3,6 1,4 2,7* 1, & 2, $ 2,7 Em ambentes de tráfego rbano, a concentração de CO dentro dos atomóves geralmente é mas alta qe os meddos em ambente aberto. Os níves de monódo de carbono são mas altos em carros passageros, as concentrações varam de 2 a 5 vezes mas do qe os níves meddos nas ras o dentro de trens de metro. Em m estdo realzado em Sothampton, Reno Undo, verfco-se qe as pessoas qe se locomovem de bccleta estão epostas a ma concentração méda de 5,3-17,9 ppm podendo atngr 62 ppm (WHO, 2). O monódo de carbono é m gás etremamente pergoso à saúde hmana. As altas concentrações de CO podem casar envenenamento por carbohemoglobna (COHb). Esta molécla é formada qando o CO reage com a hemoglobna, a proteína ntracellar qe transporta ogêno no sange. A afndade maor da hemoglobna com o CO faz com qe na presença de CO o transporte de ogêno pelo sange sea redzdo. Isto pode casar dores de

54 3. Caracterzação dos parâmetros físcos 32 cabeça, delíros, náseas, e em concentrações e tempo de eposção sfcentemente alta podem levar a morte ( Commttee on Carbon Monode Epsodes n Meteorologcal and Topographcal Problem Áreas, 23). Geralmente, em pessoas sadáves, os sntomas são dor de cabeça qando concentrações de COHb alcançam 1%; zmbdo e delíro em 2%; násea, vômto e fraqeza às 2-3%; perda de conscênca e coma a ao redor 35%; e morte a ao redor 5% (Cobrn, 197). A eposção contína a níves altos de CO também está assocada a preízo dos refleos, da capacdade de estmar ntervalos de tempo, no aprendzado e vsal ( Commttee on Carbon Monode Epsodes n Meteorologcal and Topographcal Problem Áreas, 23). Resltados obtdos por Perera et al. (1998), ndcam qe este ma relação entre a polção do ar e a morte fetal por casa dos altos níves de COHb qe podem ser casado pela dmnção na ogenação, podendo até mesmo levar a morte na RMSP. Conceção et al. (21), encontro ma assocação sgnfcatva entre a mortaldade nfantl (< 5 anos) devdo a doenças respratóras e altos níves dáros de CO, SO 2 e PM 1 em São Palo. Caçado et al. (26), mostro qe a poplação de crança (< 13 anos) em Praccaba teve qatro vezes mas problemas respratóros do qe a de dosos. Deve ser ressaltado qe no estdo realzado por Codato et al. (28), verfco-se qe a concentração de materal partclado (PM 1 ) representatva da regão de Botcat (cdade rral) no período de qema de cana de açúcar (de mao a otbro) tem m mpacto na radação solar observada na sperfíce smlar à encontrada em São Palo.

55 3. Caracterzação dos parâmetros físcos Descrção dos dados, topografa e ocpação do solo De acordo com as estmatvas de 26, essas fontes de polção são responsáves pelas emssões para a atmosfera de 1,48 mlhões de toneladas por ano de monódo de carbono na RMSP, sendo qe os veíclos são responsáves por 97% desse total. (CETESB, 27). Os veíclos leves são os qe mas contrbem para a emssão de CO na RMSP, cerca de 72%, os veíclos pesados contrbem com cerca de 22% e os processos ndstras com cerca de 3%. Portando, devdo à combstão ncompleta, os veíclos atomotores são as prncpas fontes de monódo de carbono. O monódo de carbono na sperfíce é meddo pela Companha de Tecnologa de Saneamento Ambental (CETESB) a cada hora, sando o método de nfravermelho não dspersvo nas estações de sperfíce de Ibrapera, Lapa, Pq. Dom Pedro II, Osasco, Cerqera César e Congonhas, localzadas na RMSP (Fg. 3.1 e Tab. 3.3). Neste trabalho, foram tlzadas observações horáras de CO realzadas de forma contna entre Tabela 3.3: Descrção das estações meteorológcas e de montoramento da polção do ar na RMSP. Estação Localzação (Lat, Long) Altra (m) Tpo IAG 23º33 34 S, 46º44 1 O 742 M C. Cesar 23º33 11 S, 46º4 2 O 817 CO Congonhas 23º36 57 S, 46º39 46 O 76 CO Ibrapera 23º35 3 S, 46º36 43 O 75 CO/W Pq. Dom Pedro II 23º32 4 S, 46º37 45 O 73 CO/W Lapa 23º3 32 S, 46º42 4 O 72 CO/W Osasco 23º31 34 S, 46º47 29 O 74 CO/W M ndca meddas de parâmetros meteorológcos (Temperatra, mdade relatva, radação solar); CO ndca meddas de concentração de monódo de carbono; W ndca meddas de velocdade e dreção do vento.

56 3. Caracterzação dos parâmetros físcos 34 Fgra 3.1: Macha rbana da RMSP. O lmte entre a área rbana e não rbana é ndcado por m círclo branco traceado. O domíno horzontal da grade tlzada no modelo LES é ndcado por m qadrado vermelho. A RMSP poss 8.51 km 2 sendo consttída, em sa maor, parte por mata (34%). A área consderada rbana (área rbanzada, favela, loteamento desocpado, chácara, ndstra, rodova, eqpamento rbano, reservatóro de retenção, aterro santáro, lão e movmento de Terra) corresponde a 28% da RMSP (Fg. 3.2, Fonte: Atlas mncpal do so e ocpação do solo). Segndo a CETESB (27) a RMSP poss km 2 de área rbanzada, como ndcado pela cor cnza claro na fgra 3.1. Nesta fgra a regão não rbanzada, ndcada pela cor cnza escro, é ocpada predomnantemente por vegetação natral, reflorestamento e agrcltra, reservatóro de ága e etc.

57 3. Caracterzação dos parâmetros físcos 35 Fgra 3.2: Áreas relatvas das classes de so e ocpação do solo na RMSP, dados de 22. Fonte: Atlas de so e ocpação do solo ( A baca hdrográfca do Alto Tetê concde qase completamente com a delmtação da RMSP, sendo qe apenas 5% da área da baca estão fora dessa regão (CBH-AT, 21), onde o prncpal vale é o do Ro Tetê (leste-oeste), com ma alttde méda de 72 metros e ma etensa planíce de nndação. Essa baca é cercada ao norte pela Serra da Cantarera (Fg. 3.3a), também orentada no sentdo leste-oeste e com alttde qe atngem 12 metros e a leste-sl pelo reverso da Serra do Mar (Fg. 3.3a), com alttdes qe, em geral, ltrapassam os 8 metros (CETESB, 27). A varação de topografa na área smlada pelo modelo LES (qadrado vermelho) é de apromadamente de 6 m (Fg. 3.3b). Na fgra 3.3c é possível observar qe a topografa da regão correspondente ao qadrado de 1 km por 1 km corresponde a m vale.

58 3. Caracterzação dos parâmetros físcos 36 (c) Fgra 3.3: Mapa da alttde (a) RMSP e da cdade de São Palo, (b) da cdade São Palo (c) topográfca da regão smlada (1 km 1 km) Algns aspectos clmátcos da dspersão de polentes na RMSP A cdade de São Palo está localzada a 6 km a oeste do oceano Atlântco e a 746 m acma do nível médo do mar. O clma típco de regões sbtropcas do Brasl é caracterzado como fro e seco drante o nverno (Jnho-Agosto) e qente e úmdo drante o verão (Dezembro-Março). A fgra 3.4 mostra a méda mensal temperatra e mdade relatva em São Palo, estas meddas foram efetadas pelo Laboratóro de Mcrometeorologa do IAG/USP, no período de 1997 a 26. No período de nverno o valor dáro da temperatra méda mensal vara entre o mínmo de 17 o C em lho e o mámo de 23 o C em feverero (Fg. 3.4a). O valor dáro da mdade relatva do ar méda mensal atnge m mínmo de cerca de 78 % em agosto e m mámo de 85% em anero.

59 3. Caracterzação dos parâmetros físcos 37 Fgra 3.4: Evolção sazonal da méda mensal dos valores dáros de (a) temperatra e (b) Umdade relatva em São Palo. Período: A dstrbção sazonal da velocdade do vento na sperfíce da RMSP (Fg. 3.5a) é caracterzada por ventos fracos drante todo o ano, varando entre,7 m s -1 e 2,2 m s -1, smlar aos valores encontrados por Olvera et al. (23). Em geral os ventos apresentam ma lgera elevação nos meses de verão. A varação espacal da velocdade do vento na RMSP (Fg. 3.5a) é devdo à ocpação no solo e da topografa. A estação do Ibrapera, por eemplo, está stada dentro de m parqe florestado. Neste caso a vegetação do parqe do Ibrapera redz a ntensdade do vento. A dreção do vento na sperfíce no domíno do LES é predomnantemente de sl ao longo do ano (Fg. 3.5b). Na estação da Lapa a dreção do vento predomnante é de SSE. Aparentemente este m efeto de canalzação da brsa marítma assocada à presença do vale do ro Tetê qe está orentado na dreção Leste-Oeste (Karam et al., 23, Fg. 3.1 e Fg.3.3b).

60 3. Caracterzação dos parâmetros físcos 38 Fgra 3.5: Evolção sazonal da méda mensal da (a) velocdade do vento, (b) dreção do vento em São Palo. Drante o mês de Jnho. Observações de A barra vertcal ndca erro estatístco, n, onde é o desvo padrão e n o número de pontos da amostra. O mês de nho fo escolhdo qe referênca para fazer as smlações com o modelo LES por qe é representatvo das condções de nverno na RMSP, qando o potencal de dspersão de polentes é mínmo. No mês de nho o valor dáro da velocdade méda mensal do vento passa por m mínmo (Fg. 3.5a) na maor parte das estações sadas neste trabalho. Além dsso, a concentração de CO apresenta os maores valores na RMSP (seção 3.6). A evolção drna da velocdade do vento no mês de nho (Fg. 3.6a) mostra qe este certa homogenedade espacal drante o mês de nho, com eceção da estação do Ibrapera qe apresenta a menor ntensdade drante todo o cclo drno. Drante o da a estação da Lapa apresenta vento mas ntenso do qe as demas estações, devdo ao efeto topográfco dsctdo acma. Em geral o vento na regão do domíno do LES vara entre,4 e 2,5 ms -1 no mês de nho. Deve ser enfatzado qe a velocdade do vento drante o período drno é cerca de das vezes maor do qe drante período notrno em qase todas as estações analsadas

61 3. Caracterzação dos parâmetros físcos 39 (Tab. 3.3), essa ntensfcação do vento no período drno está relaconada à penetração da brsa marítma (Olvera et al., 23). A evolção drna do vento no mês de nho (Fg. 3.6b) mostra qe entre 16: HL (Hora Local) e 19: HL (Fg. 3.6b), a dreção do vento mda de leste para sl, este efeto deve-se a penetração da brsa marítma em São Palo (Olvera et al., 23). Fgra 3.6: Evolção drna da méda mensal da (a) velocdade do vento, (b) dreção do vento em São Palo. Drante o mês de Jnho. Observações de A evolção sazonal do cclo drno da velocdade (Fg. 3.7a) e da dreção (Fg. 3.7b) do vento na sperfíce (méda calclada sobre todas as estações, Tab. 3.3), mostra qe a velocdade do vento na sperfíce sege o mesmo padrão drante todos os meses do ano na regão do domíno do LES. Nos meses de verão observa-se qe a ampltde do vento é maor no fnal da tarde em vrtde da ntensfcação crclação e do amento na freqüênca de penetração da brsa marítma na RMSP.

62 3. Caracterzação dos parâmetros físcos 4 Fgra 3.7: Evolção sazonal do cclo drno da (a) velocdade e (b) dreção do vento médo nas estações de Ibrapera, Lapa, Pq. Dom Pedro II e Osasco. Lnha azl ndca dreção sl e lnha vermelha ndca dreção leste. Período: Tendo em vsta qe a evolção temporal da altra da CLP é dretamente proporconal a ntegral da evolção temporal do flo de calor sensível da sperfíce e qe a ntegral do flo de calor sensível drante o período drno é dretamente proporconal ntegral da radação solar global na sperfíce drante o período drno, espera-se qe a etensão vertcal da CLP na RMSP sea maor no verão e menor no nverno (Fg. 3.8a). Estas hpóteses anda não foram comprovadas observaconalmente, pos não este nformação sobre o comportamento clmatológco da evolção vertcal da CLP na RMSP, contdo a relação entre

63 3. Caracterzação dos parâmetros físcos 41 calor sensível e etensão vertcal da CLP tem sdo amplamente verfcada do ponto de vsta de modelagem nmérca (Olvera et al., 24). Em méda, a ampltde do cclo drno de radação solar global na sperfíce da RMSP atnge m valor speror a 675 W m -2 no verão. No nverno a ampltde atnge valor speror a 5 W m -2 no nverno (Fg. 3.8b). No mês de nho, mês sado como referênca para as smlações nmércas com o modelo LES, a méda mensal da radação solar atnge apromadamente 5 Wm -2 (Fg. 3.8c). Estmatvas realzadas com base em observações e smlações nmércas com modelo TVM ndcam qe o albedo médo da RMSP é da ordem de,15 (Perera de Soza, 26). Assm, a radação solar líqda atnge ma ampltde máma de apromadamente 425 Wm -2. (Fg. 3.8c). As observações ndcam qe qando a componente de onda longa é nclída no balanço a radação lqda na sperfíce da RMSP no mês de nho apresenta ma ampltde máma da ordem de 38 Wm -2 (Ferrera et al., 27). Estem váras evdencas observaconas qe ndcam a estênca de ma relação lnear entre a radação lqda e o flo de calor sensível na sperfíce para város tpos de ocpação do solo, em partclar para as regões rbanas as observações ndcam m percental de proporconaldade varando entre 5 e 6 % (Oke, 1988). Por eemplo, drante m epermento realzado na cdade de Vancover (49 N), Canadá, fo encontrado qe o flo de calor sensível no período drno (7:-17: HL) é, em méda, cerca de 5% da radação líqda (Yap e Oke, 1974). Com base no percental encontrado por Yap e Oke (1974) e a radação lqda solar estmada para o mês de nho (Fg. 3.8.c) a ampltde do cclo drno do flo de calor sensível na sperfíce pode ser estmada para a RMSP como apromadamente 21 Wm -2 (Fg. 3.8d). Apesar desta análse ter sdo feta para ma regão dferente de São Palo, o valor obtdo por esta estmatva está de acordo com os valores obtdos Ferrera et al. (27) para a RMSP.

64 3. Caracterzação dos parâmetros físcos 42 Fgra 3.8: (a) Evolção sazonal do valor dáro médo mensal da radação solar global da sperfíce; (b) Evolção sazonal do cclo drno médo mensal da radação solar global; (c) Cclo drno médo mensal radação solar global e lqda em nho. (d) cclo drno do flo de calor sensível na sperfíce. Dados de radação solar estão baseados em observações realzadas na plataforma mcrometeorologca do IAG drante o período de 1994 a 26. Consderando o cclo drno do flo de calor sensível ndcado na fgra 3.8.d como representatvo da RMSP drante o mês de nho, para mplementá-lo nas smlações realzadas com o modelo LES (Cap. 4), tlzo-se a segnte fnção: t - 6,69 w B sen 2 (3.1) 21,29 onde, B é a ampltde e t é o tempo. Esta fnção fo astada entre o horáro médo do nascer e pôr do sol no mês de nho, tal qe a ampltde 1 B,29 Kms.

65 3. Caracterzação dos parâmetros físcos Efetos topográfcos e de ocpação do solo na CLP A topografa e a ocpação do solo têm m papel mportante e dreto na determnação da evolção temporal e espacal da ntensdade da trblênca e, conseqüentemente, na estrtra da CLP. Kmra e Kwagata (1995) smlaram nmercamente a evolção da CLP sobre ma regão de vale-montanha, com m vale de 14 km de comprmento e ma montanha de 1 km de altra. Eles observaram qe o flo de calor sensível é dependente da localzação, com valores sstematcamente menores no vale e maores sobre a montanha. O estdo realzado por Perera de Soza (26), sando o modelo de mesoescala TVM- NH, mostro qe a topografa da RMSP é capaz de ntensfcar a prodção mecânca de ECT através da geração de csalhamento vertcal do vento e qe a presença da ocpação do solo rbana, prncpalmente assocada ao amento da rgosdade, qe por sa vez também ntensfca a prodção térmca de ECT na CLP. Apesar da mportânca, a ncorporação no modelo do tpo LES dos efetos da topografa e ocpação do solo é dfícl de ser realzada. Algns estdos nmércos com modelo LES têm sdo desenvolvdos recentemente tlzando sperfíces com ocpação heterogênea do solo. Nestes estdos a heterogenedade da ocpação do solo é representada através de ma sére de canyons paralelos. So et al. (25), efeto smlações com modelo LES em ma ra de canyons, com baa ntensdade do vento, a fm de nvestgar o comportamento da dspersão de polentes em fnção da dstânca entre dos obstáclos e para dferentes números de Reynolds. Para valores baos do número de Reynolds (Re = 4) a dstrbção do polente só ltrapassa os obstáclos qando a dstânca entre os obstáclos é cerca de das vezes e mea maor do qe a altra (h/w =,375, h = altra do obstáclo e w = dstânca entre os obstáclos). As concentrações mas

66 3. Caracterzação dos parâmetros físcos 44 altas encontradas, entre os obstáclos ocorrem qando o número de Reynolds é bao. Para valores altos do número de Reynolds (Re > 2) a dstrbção do polente sempre ltrapassa o obstáclo, e qanto mas prómos os obstáclos estverem maor é a concentração do polente entre eles. Apesar da topografa da RMSP na área do domíno do modelo (Fg. 3.3) varar cerca de 6 metros ela não fo ncorporada no modelo LES tlzado nesta dssertação. Isto se deve ao fato de qe a ncorporação do efeto topográfco do modelo LES reqer reescrever as eqações do modelo em coordenadas qe segem a topografa. Da mesma forma, nclr o efeto da ocpação do solo reqer a ntrodção da eqação do balanço de energa na sperfíce, tendo em vsta qe a atal versão do LES os flos de sperfíce são especfcados como condção de contorno. A baa dsponbldade de tempo de máqna torna a mplementação de modfcações no códgo ma tarefa qe demanda m tempo qe ecede o dsponível para a eecção de ma dssertação de mestrado. Opto-se dessa forma em efetar as smlações para ma topografa plana e horzontalmente homogênea Evolção do monódo de carbono na RMSP De m modo geral, os padrões sazonas do cclo drno do CO na sperfíce da RMSP refletem a evolção do clma local dsctda acma para o vento e os demas parâmetros meteorológcos. Observa-se qe nos meses de nverno a concentração de CO amenta, tendo em vsta qe as condções meteorológcas são mas desfavoráves à dspersão dos polentes à medda qe os ventos são mas fracos (Fg. 3.5a) e a radação solar ncdente na sperfíce menor (Fg. 3.8b). Estes dos processos fazem com qe a prodção térmca e mecânca de ECT sea peqena, nbndo o desenvolvmento vertcal da CLP. No período de nverno a ntensdade da

67 3. Caracterzação dos parâmetros físcos 45 nversão térmca de sperfíce é maor do qe no período de verão em vrtde do resframento radatvo notrno da sperfíce ser maor no nverno. A varação sazonal do valor dáro médo mensal do monódo de carbono (Fg. 3.9) ndca qe a maor concentração de CO ocorre no mês de nho em todas as estações, varando de 1,39 a 3,12 ppm, eceto na estação de Osasco (qe ocorre em lho). O mês de nho fo escolhdo como referênca nesta dssertação por ser o mês em qe a concentração de CO atnge níves mas elevados. A evolção drna do valor horáro médo mensal do monódo de carbono para as estações de Ibrapera, Lapa, Pq. Dom Pedro II, Osasco, Cerqera César e Congonhas para o mês de nho (Fg. 3.1), ndca qe concentração de monódo de carbono apresenta dos mámos e dos mínmos em todas as estas estações montoramento. O prmero mámo ocorre entre 8:3 e 9:3 HL na maora das estações. O segndo mámo ocorre entre 19:3 e 21:3 HL. Os valores mínmos por sa vez ocorrem em torno das 5:3 HL e entre 14:3 e 16:3 HL. Fgra 3.9: Evolção méda mensal do valor dára do monódo de carbono. Período:

68 3. Caracterzação dos parâmetros físcos 46 O progressvo decréscmo da concentração de CO na sperfíce drante a madrga atngndo m mínmo em torno de,35 ppm, em torno das 5:3 HL, é ma característca de todas as estações (Fg. 3.1). Este valor corresponde à concentração de fndo do CO para a regão de São Palo, qe pode ser observado na RMSP em vrtde da dmnção da ntensdade do tráfego de veíclos. Por otro lado, o mínmo relatvo de CO do meo da tarde apresenta ma grande varabldade, osclando entre,5 ppm na estação do Ibrapera e 3,5 ppm na estação de Congonhas. O segndo mínmo relatvo está assocado, além da dmnção da ntensdade do tráfego de veíclos, a ntensfcação do entranhamento de ar lmpo do topo da CLP e a advecção horzontal. O cclo drno do CO observado em nho (Fg. 3.1) está presente em todos os meses do ano na RMSP (Fg. 3.11). Levando-se em conta na estmatva do valor médo mensal horáro a méda de todas as estações prómas à área modelada (Fg. 3.1) verfca-se qe nos meses de nverno a máma concentração de CO é de 3,2 ppm em torno das 2: HL. Nos meses de verão dmn para 1,8 ppm e ocorre por volta das 2: HL. Fgra 3.1: Evolção drna do monódo de carbono para no mês de nho. Período:

69 3. Caracterzação dos parâmetros físcos 47 A ntensfcação da concentração de CO drante o começo da note esta relaconada com a ntensdade do tráfego de veíclos e a com menor efcênca apresentada pela trblênca em dspersar os polentes na atmosfera. Neste horáro, a CLP torna-se estável e a sa ntensdade passa a ser determnada pela ntensdade da prodção mecânca de ECT. Assm, ma parte do cclo drno do CO na sperfíce está assocada com o cclo de emssões veclares b-modal (Andrade et al., 1994; Massamban e Andrade, 1994; Castanho e Artao, 21; Martns et al., 22; Mranda et al., 22; Sanchez-Ccoyllo e Andrade, 22). O padrão b-modal apresentado no cclo das emssões veclares é mas ntenso nos meses de nverno do qe nos meses de verão (Fg. 3.11). No entanto, o mínmo de concentração de CO em torno das 5:3 HL ocorre em todos os meses do ano, neste horáro a fonte de emssão é peqena. Fgra 3.11: Evolção sazonal do cclo drno para concentrações médas de CO nas ses estações. O mámo drno da concentração de CO está assocado ao fato de qe nas prmeras horas da manhã, o tráfego de veíclos atomotores torna-se ntenso. Além dsso, o aqecmento da sperfíce pela radação solar anda não é sfcente para romper a camada de nversão térmca de sperfíce formada na note anteror. Assm, os polentes emtdos na

70 3. Caracterzação dos parâmetros físcos 48 sperfíce permanecem concentrados em regões mas prómas a sperfíce casando m amento na concentração de monódo de carbono. Após as 1 horas da manhã, à medda qe a ntensdade do tráfego dmn, a concentração do CO na sperfíce dmn. Além dsso, na segnda metade da manhã ocorre o rompmento da nversão térmca de sperfíce e a CLP passa a crescer mas rapdamente à medda qe a convecção térmca penetra na camada de mstra resdal. O amento na etensão vertcal da CLP favorece a dspersão dos polentes emtdos na sperfíce a medda em qe o entranhamento no topo da CLP ntrodz ar da atmosfera lvre menos polído, dlndo a concentração na CLP como m todo, nclndo-se a sperfíce. No período da tarde, à medda qe a atvdade convectva dmn, a altra da CLP passa a crescer mas lentamente. Nesse caso o entranhamento dmn e a dlção da polção na CLP torna-se menos efetva em redzr o valor da concentração de CO na sperfíce. No fnal da tarde, a capacdade de dlção da CLP está bastante redzda e à medda qe o tráfego de veíclos se ntensfca, observa-se m amento progressvo na concentração de monódo de carbono (Codato et al., 28). Deve ser ressaltado qe os baos valores da concentração de CO na estação do Ibrapera estão relaconados com o fato desta estação estar localzada dentro de m parqe com poco tráfego de veíclos. Por otro lado, as estações de Osasco e Congonhas apresentam as mas altas concentrações de CO porqe estão localzadas prómas a áreas de tráfego bastante ntensas. As otras estações (Lapa, C. Cesar e Pq. Dom Pedro II) mostram m comportamento ntermedáro.

71 3. Caracterzação dos parâmetros físcos Dspersão atmosférca de CO na RMSP Mecansmos relevantes Com base no eposto acma, verfca-se qe a evolção drna do CO na sperfíce da RMSP está relaconada com os segntes mecansmos: O entranhamento; Advecção horzontal; Emssões veclares; Um mportante mecansmo qe redz a concentração do monódo de carbono na sperfíce drante o da é o entranhamento de ar lmpo devdo à evolção vertcal da camada lmte planetára. O entranhamento na CLP de ar provenente da atmosfera lvre constt m dos prncpas obetvos dessa dssertação e será dsctdo no prómo captlo (Cap. 4) dessa dssertação sob a lz dos resltados das smlações realzadas tlzando o LES drante período drno. Os demas mecansmos serão qantfcados a segr Advecção horzontal Apesar da baa ntensdade, o vento horzontal contrb para redzr a concentração de CO em São Palo, advectando ar não polído da área rral (o não rbana). Em qalqer nível da CLP a advecção horzontal pode ser estmada por meo da segnte epressão: CO t V H CO (3.2) Para tanto é necessáro conhecer o gradente horzontal do CO ( HCO ) e a componente horzontal do vetor vento (V ). No caso da RMSP, o gradente horzontal de CO fo estmado da segnte forma:

72 3. Caracterzação dos parâmetros físcos 5 H CO CO rbano rbano CO rral rral (3.3) Estmo-se para cada estação de montoramento da CETESB (Tab. 3.3) o gradente horzontal de CO, consderando CO rbano como o valor médo dos valores horáros médos mensas de CO entre 8: HL e 18: HL no mês de nho e a concentração de CO na regão rral (CO rral ) fo fado como constante e gal a concentração de fndo da regão. No caso especfco da RMSP o valor de concentração de fndo fo consderada gal,2 ppm. Para facltar os cálclos opto-se em sar como dstânca rbano - rral o rao do círclo branco traceado ndcado na Fg. 3.1, portanto m valor constante para todas as estações e gal a 2,8 km. Este círclo fo escolhdo como m delmtador entre a ocpação rbana e a rral para a RMSP. Utlzo-se, também, o vento médo mensal observado em cada ma das estações de montoramento da CETESB no mês de lho entre 8: HL e 18: HL (Tab. 3.3). A advecção horzontal de CO no mês de nho (Tab. 3.4) ndca qe a remoção de CO ocorre em todas as estações de montoramento, com m valor médo de cerca de,5 ppm h -1. Tabela 3.4: Advecção horzontal de CO em nho. Estação V (km h -1 ) HCO (ppm km -1 ) CO t (ppm h -1 ) Ibrapera 3,76,4 -,15 Pq. Dom Pedro II 6,6,8 -,48 Lapa 7,76,1 -,78 Osasco 6,67,11 -,73 Méda 6,6, De modo análogo, estmo-se a evolção drna da advecção horzontal do CO médo representatvo de regão onde estão localzadas as estações de montoramento mas prómas ao domíno horzontal tlzado no modelo LES (Fg. 3.12). Neste caso foram tlzados os valores horáros médos mensas de vento (Fg. 3.6) observados nas estações de

73 3. Caracterzação dos parâmetros físcos 51 montoramento qe dspnham destes dados (Tab. 3.3), os valores médos mensas de CO (Fg. 3.1) e consderando o valor médo da concentração de CO na regão não polída em torno da RMSP gal a,2 ppm (concentração de fndo) e a área rbana representada pelo crclo traceado da fgra 3.1. A títlo de comparação estmo-se também a evolção drna da méda mensal da taa de varação temporal do CO na sperfíce sando a segnte epressão: CO t 1 2 CO 1 t 1 t CO (3.4) onde CO corresponde ao valor médo mensal consderando todas as estações de montoramento ndcadas na fgra 3.1. O índce e + 1 ndca dos horáros consectvos onde estem valores médos de concentração de CO. Verfca-se qe a advecção horzontal está sempre removendo CO da RMSP (Fg. 3.12, lnha verde). Com valores da ordem de -,5 ppm h -1 entre 9: HL e 24: HL a advecção horzontal é m dos prncpas processos na lmpeza da atmosfera drante todo o da e o únco drante a note. Drante a madrgada a advecção horzontal dmn progressvamente de ntensdade ma vez qe a concentração de CO atnge os menores valores, bem prómos do esperado como concentração de fndo (,2 ppm). Estem dos períodos em qe a taa de varação temporal de CO é postva, ndcando m amento na concentração de CO na RMSP. Entre 5: HL e 9: HL e entre 16: HL e 19: HL. Nestes dos períodos a emssão veclar contrb com a maor parte da evolção da concentração de CO na RMSP, com taas mámas de 1,2 ppm h -1 em torno das 6: HL e,75 ppm h -1 as 18: HL (Fg. 3.12, lnha roa).

74 3. Caracterzação dos parâmetros físcos 52 Fgra 3.12: Evolção drna da meda mensal da taa de varação temporal do CO observado na sperfíce de São Palo e estmado pela advecção horzontal, ambos drante nho. Período: 1996 a Emssão veclar Para se estmar o flo de monódo de carbono na sperfíce da RMSP serão tlzados os dados de emssão veclar anal deste polente estmado pela CETESB para o ano de 26. De ma forma geral o flo de monódo de carbono pode ser representado através da segnte grandeza vetoral: F(, y, z, t) F (, y, z, t) F (, y, z, t) F (, y, z, t) k (3.5) y z Neste caso o flo vertcal de CO é ndcado por F z (, y, z, t). O flo vertcal de monódo de carbono é epresso em termos de qantdade de massa de CO por ndade de área horzontal e por ndade de tempo, pode ser representado da segnte forma:

75 3. Caracterzação dos parâmetros físcos 53 para z Fz (, y, z, t) (3.6) Fz (, y, t) para z Por ma qestão de smplcdade o flo vertcal de CO na sperfíce de ma regão rbana é ndcado por (, y, t). Assm, o flo vertcal na sperfíce será denomnado de F z flo, tendo em vsta qe não estão sendo levados em conta os flos horzontas e por se tratar de m polente ca fonte está localzada na sperfíce. A emssão anal de CO em ma regão qalqer é gal a M co (mlhões de toneladas). 1 ano z A EMISSÃO F (, y, t) da dt M co (3.7) Consderando o flo médo na área de emssão como: F ( t) z A EMISSÃO F (, y, t) da A z EMISSÃO (3.8) onde A EMISSÃO é a área de emssão efetva da regão. Consderando o flo médo dáro na regão como: F z 1ano F ( t) z 365 dt (3.9) onde 365 representam o número total de das do ano de 26. Para a regão em qestão o flo dáro médo pode ser escrto como: F z 1ano Fz (, y, t) dadt A EMISSÃO 365 A EMISSÃO (3.1) O em termos nmércos, F z M 365 A CO EMISSÃO (3.11)

76 3. Caracterzação dos parâmetros físcos 54 A emssão anal de CO na RMSP é gal a 1, μg (1,48 mlhões de toneladas), sendo qe a área de emssão é de km 2. Nesse caso o flo médo dáro é gal a F z 2,3291 g m da. Levando-se em conta qe o flo vertcal de monódo de carbono está assocado à emssão veclar e qe o tráfego de veíclos na RMSP apresenta dos mámos no níco do da, qando os veíclos são tlzados para r ao trabalho, e m segndo mámo no fnal do da, qando os veíclos são tlzados para retornar do trabalho, pode-se epressar este cclo drno da segnte manera: cw B 2 CO 1 e 2 t 2 1 tt 1 2 t 1 e 2 t 2 1 tt 2 2 t (3.12) onde B CO é ampltde do flo de monódo de carbono, t, t, t 1 e t 2 correspondem ao tempo, desvo padrão da dstrbção Gassana, e o tempo de ocorrênca do prmero e do segndo mámo. Com base na análse do comportamento do CO na RMSP (Fg. 3.1 e Fg. 3.12) t fo estmado como gal a 3 horas, o prmero mámo t 1 fo estmado às 9: HL e o segndo mámo t 2 às 19: HL. A ampltde do flo de monódo de carbono obedece a segnte relação de galdade: BCO F z (3.13) Aplcando-se a fórmla de conversão de ndades de 3 1 g m,81314t K pmb Mg mol g para ppm, (Senfeld, 1988), ppm, consderando a pressão atmosférca (p) gal a 93 mb, a temperatra do ar (T) gal a 29 K para RMSP e o peso moleclar do CO (M) gal a 28 g mol -1, obtem-se: B CO,24 ppm ms 1

77 3. Caracterzação dos parâmetros físcos 55 Utlzando a eqação 3.12, temos a estmatva da evolção drna do flo monódo de carbono sado nas smlações com o modelo LES (Fg. 3.13). O erro contdo nesta estmatva é da ordem de,2%. Fgra 3.13: Estmatva da evolção drna do flo de calor sensível para a regão de São Palo no período de nverno Smáro A RMSP sofre todo tpo de problema ambental, entre os qas se destaca a baa qaldade do ar, devdo às emssões dos polentes atmosfércos, sendo os veíclos atomotores ma das prncpas fontes de polção. Os polentes presentes na atmosfera da RMSP estão prncpalmente relaconados à grande emssão provenente dos veíclos atomotores leves e pesados (97%) e secndaramente pelas emssões orgnadas em processos ndstras. O monódo de carbono é o polente qe apresento o segndo maor número de ltrapassagens do padrão prmáro (9 ppm) em 26. O prmero é o ozôno com 168 ltrapassagens em 26. Consderando o período de 1997 a 26 o monódo de carbono

78 3. Caracterzação dos parâmetros físcos 56 ltrapasso 195 o padrão prmáro. Estdos realzados em São Palo ndcam qe os níves atas de polção casam séros problemas de saúde para a poplação. Uma análse detalhada dos parâmetros meteorológcos ndca a RMSP é caracterzada por ventos fracos drante todo o ano, varando entre,7 m s -1 e 2,2 m s -1. Em geral, o valor dáro médo mensal da velocdade do vento apresenta m mínmo em nho e ma lgera elevação nos meses de verão. O valor dáro médo mensal da dreção do vento permanece relatvamente constante osclando com poca ampltde no qadrante sl drante o ano todo. A varação sazonal do valor dáro médo mensal do monódo de carbono na RMSP ndca qe a maor concentração de CO ocorre no mês de nho em todas as estações, varando de 1,39 ppm a 3,12 ppm, eceto na estação de Osasco (qe ocorre em lho). O mês de nho fo escolhdo qe referênca para fazer as smlações com o modelo LES porqe é representatvo das condções de nverno na RMSP, qando o potencal de dspersão de polentes é mínmo. No mês de nho o valor dáro da velocdade méda mensal do vento passa por m mínmo (Fg. 3.5a) na maor parte das estações sadas neste trabalho. O flo de calor sensível na sperfíce da RMSP fo estmado a partr da evolção drna da radação solar global observada na plataforma mcrometeorológca do IAG USP como sendo gal a: t - 6,69 w B sen 2 21,29 onde, 1 B,29 Kms é a ampltde e t é o tempo. A emssão veclar contrb com 98% do flo de CO na sperfíce, tal qe a sa evolção drna pode ser epressa como: cw B 2 CO 1 e 2 t 2 1 tt 1 2 t 1 e 2 t 2 1 tt 2 2 t

79 3. Caracterzação dos parâmetros físcos 57 Com base no nventáro do tráfego de veíclos e na análse do comportamento do CO na RMSP estmo-se HL e t 2 gal 19: HL. B CO como sendo gal a 1,24ppm ms, t como 3 horas, t 1 gal 9: Além da redção na emssão veclar, pode-se conclr qe a dmnção da concentração de CO observada depos das 1 horas está assocada também ao entranhamento de ar lmpo no topo da CLP. Por otro lado, estmatvas da advecção horzontal de CO da ordem de 1 -,53 ppmh, ndcam qe este mecansmo pode estar contrbndo para a redção do CO da CLP observada na RMSP.

80 4. Smlação nmérca da CLP convectva Smlação Nmérca da CLP Convectva O obetvo desse trabalho é smlar a evolção da CLP convectva tlzando o modelo LES para nvestgar o papel qe o entranhamento tem na evolção do monódo de carbono observado na sperfíce da RMSP. Neste capítlo são apresentados e dsctdos os prncpas resltados das smlações com o modelo LES Condção ncal e de contorno A condção ncal e de contorno, bem com as forçantes eternas foram escolhdas de forma a gerar ma CLP convectva para ma regão rbana plana e homogênea representatva da RMSP drante o mês de nho (Tab. 4.1). Tabela 4.1: Condções ncas e de contorno tlzadas pelo modelo LES. Pontos de grade (128, 128, 128) Domíno (L, L y, L z ) Espaçamento (Δ e Δy) Espaçamento (Δz) Passo de tempo Tempo de smlação (1 km;1 km; 2 km) 78,125 m 15,625 m 1 segndo 36 passos de tempo g,v g (2 m s -1 ; m s -1 ) θ n 295 K n 5 K Γ θ 5 K km -1 z n 3 m z,16 m. c n 93,75 m (6 níves). 2,5 ppm c n 2,3 ppm Γ c ppm km -1

81 4. Smlação nmérca da CLP convectva 59 Tabela 4.1: Condções ncas e de contorno tlzadas pelo modelo LES (Contnação). t - 6,69 w B sen 2 21,29 B θ =,29 K ms -1 ;t = tempo em horas. cw B 2 CO 1 e 2 t 2 1 t t 1 2 t 1 e 2 t 1 t t 2 t B CO =,24 ppm ms, t 1 = 9 horas; t 2 = 19 horas; t =3 horas. Os perfs vertcas ncas das componentes horzontas da velocdade do vento são assmdos gas aos valores das componentes do vento geostrófco (Tab.4.1). Os perfs vertcas ncas de temperatra potencal e monódo de carbono (Tab. 4.1) foram estabelecdos de modo a reprodzr ma CM com temperatra potencal gal a 295 K e concentração de CO de 2,5 ppm e ma profnddade de 3 m. Na nversão térmca sobre a CM, a temperatra potencal vara 5 K e a concentração de CO 2,3 ppm, ao longo de ma etensão vertcal de 94 m (6 pontos de grade). Na atmosfera lvre acma da camada de nversão, a temperatra vara a ma taa de 5 K km -1 e o monódo de carbono permanece constante e gal a,2 ppm (Fg. 4.1). Fgra 4.1: Perfs vertcas de (a) temperatra potencal, (b) monódo de carbono e (c) componentes do vento horzontal tlzadas como condção ncal no modelo LES. Os flos de calor sensível w e de concentração de polente c w foram especfcadas como condções de contorno de acordo com as epressões ndcadas na tabela 4.1. Estas epressões foram tlzadas para estmar o valor dos flos no ponto central do

82 4. Smlação nmérca da CLP convectva 6 ntervalo de 1 hora. Nas smlações, os flos foram mantdos constantes drante ntervalos de 1 hora como ndca as barras hachradas da fgra 4.2. Fgra 4.2: Flo vertcal trblento de (a) calor sensível CO para a RMSP drante o para nho (captlo 3, Tab. 4.1). Os valores ndcados por barras hachradas foram tlzados como condção de contorno nferor nas smlações nmércas com o LES. A condção ncal e de contorno dsctdas acma foram galmente especfcadas em cada m dos pontos de grade do domíno horzontal correspondente a ma área de 1 km (na dreção ) por 1 km (na dreção y) localzada na RMSP (Fg. 3.1). Além dos campos médos e dos flos na sperfíce, foram também especfcados como condção ncal os campos trdmensonas de velocdade e de temperatra potencal através da sobreposção de fltações aleatóras aos valores prescrtos nos perfs vertcas ncas (Fg. 4.1). A ampltde da fltação aplcada às componentes de velocdade e a temperatra potencal foram de,5 ms 1 e,1 K, respectvamente. Fo realzada ma smlação de 1 hora consderando o flo de calor sensível e o monódo de carbono gal a K ms -1 e ppm ms -1. Este procedmento, denomnado de spnp, tem como obetvo a formação de vórtces trblentos de peqena escala a partr de mecansmos nstabldade presentes no escoamento trblento resltante (Moeng, 1993). Nestas smlações a altra da CLP (z ) é determnada como o nível na vertcal onde o flo trblento de calor sensível (médo no plano horzontal + sbgrade) atnge o valor mínmo.

83 4. Smlação nmérca da CLP convectva Momentos estatístcos As análses estatístcas espacas e temporas apresentadas nesse trabalho foram obtdas com base nos campos médos gerados pelo modelo LES após os 1.2Δt ncas, o sea, qando os campos trblentos á apresentavam a condção de qase-eqlíbro. Na smlação realzada, os campos médos foram salvos a cada 1.2Δt (2mn). Deve ser ressaltado qe drante toda a smlação o passo de tempo fo mantdo fo e gal a 1 segndo Escalas característcas da CLP convectva Esse trabalho nvestga a estrtra vertcal da trblênca sob condções convectvas (z /L ). Nestas condções as escalas característcas mas apropradas são as qe descrevem a CLP convectva (Tabela 4.2). Tabela 4.2: Escalas característcas da CLP convectva. Altra da CLP Escalas z Formlação g Velocdade w z w w Temperatra w w * w 1 3 Tempo t z w * 2 g Comprmento de Monn-Obkhov L * *

84 4. Smlação nmérca da CLP convectva Condção de eqlíbro Segndo Sorban, (1986), a condção de eqlíbro pode ser atngda qando as propredades do escoamento trblento na CLP varam com escala de tempo menor do qe as escalas de tempo característcas das varações das condções de frontera e das forçantes eternas. Pode-se dentfcar a condção de qase eqlíbro por meo da evolção temporal da ECT total (escala resolvda + sbgrade) ntegrada na CLP (Newstadt et al., 1992). A evolção temporal de E para todo o período de smlação é apresentada na fgra 4.3. Verfca-se nesta qe fgra qe no período ncal de ntegração t < 12 (2 mntos), o crescmento da ECT é eponencal. Provavelmente, este crescmento está relaconado com o desenvolvmento de trblhões convectvos em forma de rolos organzados (Lemone, 1976). Na condção de qase-eqlíbro, esses rolos dstrbem-se e tornam-se movmentos aleatóros e o crescmento da ECT dea de ser eponencal (Newstadt et al., 1992). A condção de qase-eqlíbro é atngda após 12 s de smlação (Fg. 4.3). Após atngr a condção de qase-eqlíbro, a ECT passa a amentar de forma lnear, refletndo o crescmento vertcal da CLP até as 14:3 HL (7h), após este horáro a ECT passa a dmnr respondendo a dmnção da ntensdade do flo de calor sensível. Resltado smlar fo obtdo por Patton et al. (25), tlzando o modelo LES para smlar a evolção da CLP sobre ma sperfíce com ocpação heterogênea (bandas secas e úmdas alternadas na dreção ). Deve ser enfatzado qe no caso heterogêneo smlado por Patton et al. (25) as céllas convectvas se organzaram em fnção da varação da heterogenedade, casando osclações no campo da velocdade em fase com as forçantes de sperfíce. Apesar dsso, a evolção da ECT se mostro mto semelhante ao caso homogêneo apresentado na fgra 4.3.

85 4. Smlação nmérca da CLP convectva 63 Fgra 4.3: Evolção temporal da ECT total ntegrada na CLP. As lnhas vermelhas vertcas ndcam o ntervalo de dração de cada smlação (1 hora). Foram tlzados restart a cada hora (1h, 2h até 1h) e o número de nós varo entre 4 (4n) e 8 nós (8n). O flo de calor sensível está ndcado logo abao do número de nós (,17,,154;...,1 K m s -1 ) Estrtra vertcal da trblênca Os parâmetros qe caracterzam a natreza e a ntensdade da trblênca da CLP (Tab. 4.2) estmados a cada hora após o escoamento entrar em ma condção de eqlíbro são apresentados na tabela 4.3. Verfca-se qe o regme de convecção lvre domna boa parte da evolção da CLP, pos o parâmetro de establdade L permanece entre 47 e 149. A escala característca de tempo t * (trnover tme) ndca o tempo qe m determnado consttnte atmosférco leva para ser transportando da sperfíce ao topo da CLP. Esse tempo característco pode ser sado como m ndcatvo da ntensdade da mstra vertcal na CLP convectva. Nesta smlação de 1 horas observo-se o segnte ntervalo: 35 t * 186 (5 e 19 mnto), sendo qe o valor sgerdo Sorban (1986) é de 1 mntos. Nos casos smlados por Prabha et al. (27) o valor de t * varo de 1,5 a 14,5 mntos. z

86 4. Smlação nmérca da CLP convectva 64 Tabela 4.3: Escalas característcas da CLP. Resltados da smlação nmérca. Tempo da smlação L (m) z (m) z L w * (m s -1 ) t (s) * * 1 hora -6, ,56 1,4 35,3,1 2 horas -4, ,18 1,2 331,6,13 3 horas -4, ,92 1,33 375,2,14 4 horas -4, ,13 1,46 448,8,14 5 horas -4, ,67 1,6 593,4,13 6 horas -5, ,13 1,7 791,,11 7 horas -6, ,86 1,7 957,1,9 8 horas -8, ,58 1,56 17,8,7 9 horas -12, ,33 1, ,4,4 1 horas -229, ,12,33 186,7, A altra da CLP está amentando drante a maor parte da sa evolção drna (Fg.4.4, Tab. 4.3). Drante o período de crescmento, a altra da CLP varo de 316 m até 1165 m. Após as 16:3 HL, a CLP começa a dmnr, varando cerca de 39 m até o fnal da smlação as 17:3 HL. A dmnção da altra é resltado do decamento da trblênca drante o período de transção entre o regme convectvo e estável. Na fgra 4.5a, verfcamos qe a temperatra potencal poss comportamento típco de CLP convectva com ma estrtra vertcal formada por três camadas (Fg. 1.1). A prmera camada, qe se forma próma à sperfíce é a CLS. Nela, a temperatra potencal decresce com a altra e a trblênca é gerada localmente pelo csalhamento do vento e pelo empo fazendo com qe os flos vertcas trblentos fqem apromadamente constantes. Do ponto de vsta da temperatra potencal a etensão da CLS não ltrapassa 1 m. Nesta regão não se observa a formação de ma camada de flo constante de calor sensível (Fg. 4.5b). As dfcldades em smlar os processos na CLS estão lgadas a dos fatores: resolção e a mportânca da sbgrade em relação a escala resolvda. Talvez o espaçamento vertcal de

87 4. Smlação nmérca da CLP convectva 65 15,625 m tlzado nestas smlações (Tab.4.1) não sea sfcente peqeno para gerar ma camada de flo constante. Fgra 4.4: Evolção drna da altra da CLP. A segnda camada medatamente acma da CLS encontra-se a CM. Nela a temperatra potencal permanece constante como resltado da mstra vertcal ntensa. A tercera camada localzada no topo da CLP é a camada de entranhamento (o de nversão térmca de alttde). Nela varação vertcal da temperatra potencal é relatvamente grande e está relaconada com e a ntensdade do flo vertcal trblento de calor sensível, qe devdo ao entranhamento é sempre negatvo. O flo de calor sensível vara lnearmente com a altra drante todo período convectvo (Fg. 4.5b). Este comportamento é característco de ma CLP convectva, onde a grande ntensdade da trblênca mantém o gradente vertcal de temperatra potencal ao longo da CM gal a zero.

88 4. Smlação nmérca da CLP convectva 66 Fgra 4.5: Perfl vertcal da (a) temperatra potencal (b) flo de vertcal trblento de calor sensível (escala resolvda + sbgrade) em fnção da altra. Cada crva corresponde a hora do da smlada, as lnhas contnas ndcam qe o flo de calor sensível esta amentando e a lnha traceada o flo de calor sensível esta dmnndo. O perfl vertcal da velocdade horzontal do vento, para as dferentes horas smladas, é ndcado na Fg. 4.6a. Prómo à sperfíce vento apresenta ma varação logarítmca com a altra. Com base na varação vertcal do vento verfca-se qe a etensão vertcal da CLS correspondente a 3% da CLP (Sllvan et al., 1994). Acma da CLS, o gradente vertcal de U torna-se apromadamente nlo, ndcando qe a forte atvdade trblenta tende a homogenezar também as componentes horzontas de momento na CM. Deve ser ressaltado qe as smlações descrtas neste trabalho são referentes a ma condção barotrópca, o sea, o vento geostrófco fo especfcado constante na vertcal, a topografa é plana e a ocpação do solo é homogênea. No topo da CLP, o vento horzontal converge para o valor do vento geostrófco, permanecendo constante drante todo período de 1 horas (Fg 4.6a).

89 4. Smlação nmérca da CLP convectva 67 Apesar do vento apresentar na regão da CM poca varabldade na vertcal, o flo vertcal trblento de momento horzontal não vara lnearmente com a altra (Fg. 4.6b). Além dsso, o flo vertcal trblento de momento não é zero acma da CLP. Fgra 4.6: Perfl vertcal da (a) velocdade horzontal do vento e do (b) flo vertcal trblento (escala resolvda + sbgrade) de momento. Analsando as componentes zonal e merdonal do vento separadamente, mas em connto com os respectvos flos vertcas trblentos (Fg 4.7), verfca-se qe os valores anômalos de tensão de Reynolds acma da CLP estão assocados, prncpalmente, ao flo vertcal trblento da componente zonal (Fg. 4.7b). Esta dscrepânca não parece alterar a evolção do restante das varáves smladas pelo modelo LES, contdo deverá ser nvestgada com mas profnddade no ftro. O aparecmento de momento na dreção merdonal (postvo) está relaconado com a força de Corols (Fg. 4.7c), qe no hemsféro sl acelera o vento no sentdo ant-horáro. Deve ser ressaltado qe nos gráfcos , os flos vertcas trblentos contêm o termo de sbgrade. No caso de ma CLP convectva os flos vertcas trblentos acma da CLS são poco sensíves à parametrzação da escala de sbgrade, pos a contrbção dos

90 4. Smlação nmérca da CLP convectva 68 peqenos trblhões é mto menor qe o transporte de calor e de momento pelos grandes trblhões. Além dsso, os peqenos trblhões são menos dependentes do escoamento, portanto mas sotrópcos e ECT contda neles é peqena (Moeng, 1984). Fgra 4.7: Perfl vertcal da (a) componente zonal do vento, (b) flo vertcal trblento de momento zonal, (a) componente merdonal do vento, (b) flo vertcal trblento de momento merdonal (escala resolvda + sbgrade). A Fgra 4.8 mostra as varâncas das componentes de velocdade apenas para a trblênca contda na escala resolvda. A varânca da componente vertcal velocdade do vento (Fg. 4.8a) contrb sgnfcatvamente para a geração de ECT, assm como a varânca das componentes horzontas do vento. (Fg. 4.8b). Isso se deve ao fato da prodção térmca ser m termo fonte na eqação da varânca vertcal do vento e a prodção mecânca ser m termo fonte na eqação da varânca horzontal. Prómas à sperfíce, as componentes horzontas do vento apresentam valores maores de varânca do qe a componente vertcal (Fg. 4.8a-b). Isso se deve ao ntenso csalhamento observado no perfl vertcal do vento horzontal (Fg. 4.6a). O perfl vertcal da varânca da componente vertcal do vento apresenta m mámo relatvo em apromadamente 1/3 da camada (Fg. 4.8b). Isso ocorre porqe apesar da força de empo no topo da CLP e na

91 4. Smlação nmérca da CLP convectva 69 sperfíce ser bastante dferente de zero a forte establdade da camada de transção e a presença da sperfíce rígda mpede o movmento vertcal, entretanto esta restrção ao movmento vertcal se torna menos efcente a apromadamente z /3 da sperfíce (Fg. 4.5b). O perfl da energa cnétca trblenta (ECT), calclada como e 2,5, mostra qe nas prmeras horas da manhã e no fm da tarde a trblênca é menos ntensa, a prncpal fonte de ECT é a prodção mecânca, á qe o termo de prodção térmca contrb mto poco, pos o flo de calor sensível é fraco (Fg. 4.5a). Fgra 4.8: Perfl vertcal da varânca (a) das componentes horzontas e (b) da componente vertcal da velocdade do vento. Smlação nmérca da CLP com modelo LES. A varânca das componentes horzontas apresenta maor varação vertcal na sperfíce e no topo da CLP (Fg. 4.8). Este fato se deve ao ntenso csalhamento do vento horzontal nestas das regões (Fg. 4.6). Na regão próma a sperfíce a prncpal contrbção é devdo a componente zonal do vento (Fg. 4.7a). No topo da CLP, o qe se observa é qe o csalhamento do vento é mportante tanto na componente zonal qanto na merdonal (Fg. 4.7a e 4.7c).

92 4. Smlação nmérca da CLP convectva 7 Segndo Schmdt e Schmann (1989), os efetos das fltações de pressão são relevantes e contrbem de forma mas sgnfcatva para amentar a varânca das componentes horzontas do qe da componente vertcal nas regões prómas a sperfíce e do topo da CLP. A varânca da velocdade vertcal (Fg. 4.8b) normalzada por 2 w * ( ndcada somente 2 Tab. 4.3) ndca qe o mámo em w ocorre entre,35 w 2 *,41 w 2 * (valor médo é gal a,39 w 2 * ) em torno de z,35,41 z (valor médo é gal a,38 z ), este valor é smlar aos obtdos por Deardorff (1974) e Maqes Flho (24). O valor mámo obtdo por Deardorff (1974) fo gal a,44 2 w * em z,33 z e não ncl a contrbção de sbgrade ww. Este valor é nferor ao valor mámo de,48 ±,1 2 * w em z,33z obtdo por Marqes Flho (24). Em méda, para z,38 z, 2 w decresce com a altra, atngdo valores prómos a zero no topo. Os perfs vertcas da varânca do vento dvddo em componentes zonal (Fg. 4.9a) e merdonal (Fg. 4.9b) mostram qe o comportamento dessas componentes é smlar. No entanto, a componente merdonal (Fg 4.9b) apresenta maor ntensdade na regão próma a sperfíce do qe a componente zonal (Fg. 4.9a) Estrtra vertcal do polente A evolção temporal do perfl vertcal de concentração do polente (Fg. 4.1a) ndca qe trblênca na CLP é sfcentemente ntensa para gerar ma CM também para o CO. Observa-se na regão de entranhamento próma ao topo da CLP, ma varação vertcal de concentração c entre -1,5 e -3 ppm.

93 4. Smlação nmérca da CLP convectva 71 Fgra 4.9: Perfl vertcal da varânca (a) da componente zonal e (b) da componente merdonal da velocdade do vento. Otra característca observada nestas smlações é qe a concentração do CO na sperfíce vara entre 1,7 e 3,2 ppm, qe são valores mto prómos aos observados nas estações de sperfíce da CETESB entre 8 a 18 horas em São Palo (Fg. 3.4). O flo vertcal de monódo de carbono w c apresenta ma varação vertcal lnear (Fg. 4.1b), ndcando qe o polente está sendo bem mstrado na vertcal (Fg. 4.1a). Nas prmeras horas da manhã e no meo da tarde (antes 1:3 HL e após 15:3 HL) o flo vertcal de CO no topo da CLP é sstematcamente menor do qe na sperfíce (Fg. 4.1b). Isto ndca qe o entranhamento de ar lmpo no topo da CLP não é tão efetvo no processo de lmpeza da CLP. No período entre 1:3 HL e 15:3 HL, o flo vertcal trblento de CO é maor no topo da CLP do qe na sperfíce. Neste período o entranhamento de ar não polído no topo da CLP está contrbndo com a dmnção progressva da concentração do CO no nteror da CM. cw

94 4. Smlação nmérca da CLP convectva 72 Fgra 4.1: Perfs vertcas: (a) concentração de polente; (b) flo trblento do polente. 4.7 Entranhamento Os efetos da evolção drna do entranhamento no topo da CLP podem ser vsalzados comparando-se a evolção da temperatra potencal observada e smlada (Fg. 4.11a) e dos flos vertcas trblentos de calor sensível na sperfíce e no topo da CLP (Fg. 4.11b). Drante o período drno a temperatra potencal da CM smlada amenta em resposta a convergênca do flo vertcal de calor sensível. A evolção da temperatra smlada é mto smlar à modelada, contdo à medda qe a CLP se desenvolve observa-se ma maor dvergênca entre a observação e a smlação. Possvelmente a ampltde do flo de calor sensível está sendo sperestmada para o mês de nho. O flo de calor sensível é ntenso e postvo na sperfíce (Fg. 4.11b), sto ndca qe o transporte de calor sensível está ocorrendo da sperfíce para a CM. Enqanto qe o transporte de calor sensível no topo ocorre da atmosfera lvre para a CM está assocado ao entranhamento. Deve ser enfatzado qe as observações sadas na fgra 4.11a correspondem

95 4. Smlação nmérca da CLP convectva 73 à méda mensal dos valores horáros em 13 anos de observações contínas na plataforma mcrometeorologca do IAG localzado no camps da nversdade de São Palo (Fg 3.1, Tab. 3.3). Mesmo consderando qe este poco neblosdade drante o mês de nho, a evolção observada fo afetada pelas nvens, precptação, brsa marítma, prncpalmente depos das 12: HL (Codato et al., 28). Fgra 4.11: Evolção drna smlada e observada da (a) temperatra potencal e (b) flo vertcal de calor sensível. A evolção drna da razão de Ball, defnda como a razão entre o flo vertcal trblento no topo e na sperfíce vara entre -,1 e -,2 para o calor sensível, ndcando ma concordânca com os valores de lteratra (Tennekes, 1973). Esta razão gal a,2 ndca qe a camada lmte atmosférca está em m regme de convecção lvre e qe a energa cnétca trblenta é mantda, em grande parte, pela prodção térmca prómo à sperfíce e transportada para os níves sperores ntensfcando a trblênca no topo da CLP e promovendo o se crescmento. No caso do flo de CO, as smlações nmércas ndcam qe a razão de Ball vara entre,5 e 1,4. Esse resltado é bastante nteressante tendo em vsta qe na maor parte das

96 4. Smlação nmérca da CLP convectva 74 aplcações de modelos de camada de mstra consdera-se a razão de Ball gal para todos os parâmetros atmosfércos, nclsve consttntes qímcos (Olvera et al., 24). Fgra 4.12: Evolção drna da razão do flo trblento no topo e na sperfíce para CO e calor sensível modelados pelo LES. A evolção drna da concentração do CO mostra ma razoável concordânca entre os valores modelados e observados (Fg. 4.13a). Levando-se em conta qe os flos de CO na sperfíce fo estmado a partr do nventáro anal da CETESB e qe nas smlações descrtas aq não nclem os efetos de advecção horzontal, o nível de concordânca obtdo é mto bom. Verfca-se qe o entranhamento no topo da CLP entre 1:3 HL e 15:3 HL spera a emssão veclar na sperfíce (Fg. 4.13b). Nesse ntervalo de tempo, de apromadamente 6 horas, a concentração de CO smlada na sperfíce dmn sstematcamente (Fg. 4.13a). Somente depos das 1:3 HL a concentração CO smlada na sperfíce começa a dmnr. Esse resltado mostra qe o entranhamento de CO nas condções dealzadas, porém realístcas, das smlações fetas neste trabalho é m mecansmo qe determna a evolção da CO na RMSP drante boa parte do período drno. O flo de monódo de carbono no topo

97 4. Smlação nmérca da CLP convectva 75 da CLP é postvo, sto ndca qe do ponto de vsta da CLP o monódo de carbono está sendo removdo, contdo fscamente o qe ocorre é qe ar lmpo da atmosfera lvre está sendo transportado (entranhado) para o nteror da CLP na medda em qe a CLP amenta a sa etensão vertcal (Fg. 4.4). Fgra 4.13: Evolção drna smlada e observada da (a) concentração de CO na sperfíce e (b) flo vertcal de CO. 4.8 Advecção horzontal O mpacto da asênca do efeto da advecção horzontal de CO nas smlações do modelo LES pode ser avalada estmando-se de forma hpotétca a advecção horzontal de CO com eqação (3.2) como ndcado na secção Neste caso, será consderado a velocdade do vento horzontal constante e gal a 7,2 km h -1, correspondente à ntensdade do vento geostrófco (Tab. 4.1). Embora o vento horzontal vare na CLP drante a smlação, opto-se em tlzar este valor para smplfcar a análse. Nesta análse a dreção do vento é mantda constante e gal a oeste. Além dsso, no cálclo do gradente horzontal de CO será consderado qe a concentração de CO em cada ma das ses estações de montoramento da CETESB (Fg. 3.1) permanece constante drante o período drno e gal a méda mensal

98 4. Smlação nmérca da CLP convectva 76 entre 8: HL e 18:HL dos valores observado drante o mês de nho (Tab. 3.2). Neste caso o gradente horzontal de CO é estmado consderando a dstânca entre as estações e o lmte do crclo pontlhado (Fg. 3.1). Neste cálclo o valor da concentração de CO representatvo da área não rbana (área fora do círclo pontlhado da Fg. 3.1) é consderado também constante e gal ao valor de fndo, o sea,,2 ppm, conforme descrto na secção A advecção horzontal hpotétca assocada à concentração de CO observada na sperfíce da RMSP (valor médo mensal drno) e a velocdade do vento sado no modelo LES (como representatva de ma regão não pertrbada pela CLP rbana) é apresentado na tabela 4.4. Levando-se em consderação os valores médos e a advecção estmada a partr das observações (seção 3.7.1) é possível conclr qe a advecção horzontal é m efeto mportante. Entretanto, se a advecção horzontal for nclída na estmatva da evolção do CO pelo modelo LES, verfca-se qe a dscrepânca entre os valores observados e modelados de CO na RMSP amenta. Por eemplo, ma taa de varação de CO devdo a advecção da ordem de -.66 ppm h -1 constante drante todo o período drno pratcamente redzrá o CO na RMSP a zero. Tendo em vsta a aparente nconsstênca entre a estmatva da advecção hpotétca de CO méda mensal e o desempenho do modelo LES em smlar a evolção do CO na RMSP, opto-se em estmar os valores horáros de advecção horzontal hpotétca méda mensal de CO para o mês de nho na RMSP e compará-los com a taa de varação temporal de CO assocada aos processos de entranhamento, emssão veclar e a dvergênca dos flos vertcas trblentos assocados a estes dos processos.

99 4. Smlação nmérca da CLP convectva 77 Tabela 4.4: Advecção horzontal de CO em nho. Valor médo mensal drno. Estação V (km h -1 ) HCO (ppm km -1 ) Hpotétco CO (ppm h -1 ) t Observação (Tab. 3.4) Ibrapera ,15 Pq. Dom Pedro II ,48 Lapa ,78 Osasco ,73 Congonhas * C. César * Méda *Não hava dados de vento (Tab3.3). A fgra 4.14 mostra a taa de varação temporal do CO assocada ao flo de sperfíce de CO (lnha vermelha), ao entranhamento de CO (lnha verde), a dvergênca do flo vertcal trblento de CO (lnha azl) e a advecção hpotétca (lnha pontlhada). Nesta fgra a taa de varação temporal do CO assocada ao flo de monódo de carbono na sperfíce (o a emssão veclar) fo calclado tlzando os resltados da smlação: CO t Emssão Veclar wc z (4.1) a taa de varação temporal do CO assocada ao flo de entranhamento de monódo de carbono da segnte forma: CO t Entranhame nto wc z (4.2) e a taa de varação do CO assocada à dvergênca do flo vertcal trblento de CO fo calclado como sendo:

100 4. Smlação nmérca da CLP convectva 78 CO t Dvergênc a wc z wc z (4.3) Na fgra 4.14, a taa de varação do CO assocada a advecção horzontal de CO hpotétca fo estmada a partr da eqação 3.2 (seção 3.7.1), sendo qe a velocdade do vento fo consderada constante e gal a 7,2 km h -1 (valor não pertrbado pela evolção drna da CLP rbana) e dreção também constante e gal a 27º (valor não pertrbado pela evolção drna da CLP rbana). Fgra 4.14: Evolção drna da taa de varação do CO assocada ao entranhamento, emssão veclar e a dvergênca vertcal do flo smlado pelo LES. A taa de varação de CO assocada a advecção horzontal hpotétca. Verfca-se na fgra 4.14 qe a emssão veclar é mas mportante (determna o sentdo da dvergênca do flo) no período da manhã. A partr das 1:3 HL o entranhamento é mas mportante, pos a dvergênca do flo torna-se negatva e a concentração de CO passa a dmnr com o tempo em toda a CLP. Após 14:3 HL, o entranhamento no topo da CLP e as emssões veclares na sperfíce perdem mportânca. Neste período o flo de calor sensível

101 4. Smlação nmérca da CLP convectva 79 está dmnndo gradatvamente com o tempo e a mstra trblenta torna-se menos efcente para promover o entranhamento de ar lmpo na CM (Fg 4.14). Comparatvamente com todos os processos trblentos, a advecção hpotétca calclada mostra qe é este é m fator mportante na lmpeza da CLP na RMSP (Fg 4.14, lnha pontlhada). Entretanto, o monódo de carbono na sperfíce observado e smlado (Fg. 4.13) apresentaram ma boa concordânca, ndcando qe, nma regão rbana como a RMSP, o processo de remoção de monódo de carbono por advecção não parece ter tanta mportânca assm. Uma forma de conclar esta aparente contradção é assmr qe a advecção é m mportante processo de lmpeza da CLP rbana somente nas regões prómas a transção entre a ocpação não rbana e rbana (Fg. 4.15). Na transção entre a ocpação do solo não rbana e rbana as estmatvas de advecção hpotétca ndcadas na tabela 4.4 e na fgra 4.14 seram mas representatvas do qe na área rbana nterna, onde está sendo smlado a evolção da CLP pelo modelo LES e onde estão concentradas as estações de montoramento da CETESB sadas neste trabalho (Fg. 3.1). Na regão rbana a mstra trblenta promove mstra na vertcal a concentração de CO na CLP responde rapdamente (escala característca de tempo da CLP convectva, t * < 2 mntos) as varações temporas da emssão veclar na sperfíce e do entranhamento no topo da CLP da RMSP. Assm, no RMSP os prncpas processos qe nflencam na evolção drna do CO são: o entranhamento de ar lmpo no topo da CLP e as emssões veclares. Nas regões de transção, stadas nas fronteras da RMSP, advecção horzontal de CO tem m papel mto maor do qe na RMSP.

102 4. Smlação nmérca da CLP convectva 8 Fgra 4.15: Esqema representatvo da transção entre a CLP em ma regão não-rbana e rbana. 4.9 Smáro O obetvo desse trabalho fo smlar a evolção da CLP convectva tlzando o modelo LES a fm de nvestgar o papel qe o entranhamento na evolção do monódo de carbono observado na sperfíce da RMSP. A condção ncal e de contorno, bem com as forçantes eternas foram escolhdas de forma a gerar ma CLP convectva para ma regão rbana plana e homogênea representatva da RMSP drante o mês de nho (Tab. 4.1). Foram smladas 1 horas consectvas reprodzndo a evolção da CLP na RMSP entre 8: HL e 18: HL. Em fnção das lmtações de dsponbldade comptaconal estas 1 horas foram obtdas através de 1 smlações de 1 hora cada, tlzando-se técnca de restart. Drante as smlações a passo de tempo fo mantdo constante e gal a 1 segndo. Incalmente, o modelo LES fo rodado por 3 mntos com as condções de contorno constante e flos de sperfíce nlos como processo de spnp. Além dsso, os campos trblentos foram analsados somente a partr da eecção do passo de tempo número 12, correspondendo nco do período em qe os campos trblentos smlados atngram o estado de qase-eqlíbro. As prncpas propredades da CLP convectva foram smladas de forma satsfatóra pelo modelo LES. Os perfs vertcas das propredades médas (plano horzontal) ndcaram a formação de ma CM, com gradentes vertcas mto prómos de zero em boa parte da sa