Micrometeorologia de florestas da Amazônia Central: análise das trocas de energia em área de baixio na Reserva do Cuieiras

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1 Micrometeorologia de florestas da Amazônia Central: análise das trocas de energia em área de baixio na Reserva do Cuieiras Larissa Passos da Silva 1,2,a, Alessandro Michiles 1,b, Antônio Ocimar Manzi 2,c 1 Universidade do Estado do Amazonas - UEA 2 Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia INPA / LBA a passoslara@gmail.com, b alemichiles@gmail.com, c manzi@inpa.gov.br ABSTRACT Due to the vast extension of dense and continuous forest existing in the Amazon, several experiments and studies, such as the LBA, have been done in order to describe as it is the partition of the incident radiative energy on the forest. However, few efforts have been directed to studies of energy exchange in baixio areas. The main objectives of the present work were to study the hourly and daily behavior of the components of energy balance in specific area of Baixio Forest and analyze the closure of this balance. All the analysis presented here are showing the average values of eight days without rain in 2006, i.e. an representative average day, unless otherwise specified. The incident global radiation (Rg), between 7 and 17 LT ranged from 17 to 823 W m -2, with maximum between 12 and 13 LT. The air temperature ranged from 21 to 29 C, with maximum between 13 and 15 LT and minimum between 06 and 07 LT. The relative humidity ranged from 80 to 100%, with a maximum between 22 and 09 LT and minimum between 13 and 15 LT. Wind s speed ranged between 0.01 and 1.66 m s -1. The components of the radiation balance and energy balance has shown well defined diurnal cycles with higher values during daytime and lower at night. On average, the maximum values of net radiation (Rn) occurred at 11:30 LT (681 W m -2 ). The sum of non-radiative fluxes ranged from -54 to 447 W m -2. During the day, the forest used 34% of Rn for evapotranspiration, 25% for heating the atmosphere above the canopy, 4% for energy storage in biomass and less than 1% for the ground heat flux. The ratio of energy balance during the day ranged between -20% (17 LT) and 73% (13:30 LT), with an average of 54% of net radiation. The mean residue found for the period was 63 W m -2, and the maximum was 302 W m -2. Analyzing the closure of energy balance, the following linear, angular and determination coefficients were found for the daily linear regressions: -6.1, 0.67 and 0.88, respectively. The results of this work help to characterize the abiotic factors in Amazon forest area, and to improve soil-vegetation-atmosphere interaction models. Palavras-chave: Micrometeorologia, Balanço de Energia, Amazônia, Floresta de Baixio. 1. INTRODUÇÃO Em razão da vasta extensão de floresta densa e contínua existente na Amazônia, vários experimentos e estudos, como o programa LBA (Large Scale Biosphere-Atmosphere Experiment in Amazonia), têm sido realizados com o intuito de se obterem informações mais precisas sobre as contribuições da região para as trocas de energia, de umidade e de carbono com a atmosfera, uma vez que, dentre os processos que governam a circulação geral da atmosfera, os mecanismos de troca de energia que acontecem acima das regiões equatoriais florestadas, nas quais ocorrem elevados valores de umidade relativa, forte radiação incidente e intensa convecção, têm um papel importante no aquecimento da atmosfera tropical e potencialidade para provocar efeitos nos balanços globais de energia. O entendimento do balanço de energia em superfície (BES) de uma região florestada é importante para a compreensão dos processos climáticos envolvidos com os componentes da vegetação e de seus efeitos em diversas escalas espaciais e temporais. Destarte, atualmente,

2 uma das maiores preocupações relacionadas às observações micrometeorológicas em florestas é a falta de fechamento do BES, um problema particularmente sério sobre vegetação alta (Lee, 1998). Porém, poucos esforços têm sido direcionados aos estudos das trocas de energia em áreas de baixio. Diante disso, os objetivos gerais deste trabalho foram estudar o comportamento horário e diário dos componentes do balanço de energia em uma área de floresta de baixio, e analisar o fechamento deste balanço. 2. MATERIAL E MÉTODOS Os dados necessários para os estudos, cálculos e análises do presente trabalho, foram retirados da base de dados micrometeorológicos do LBA. As medidas foram realizadas por equipe especializada deste programa na floresta de baixio da Reserva Biológica do Cuieiras, também conhecida como ZF2, na Amazônia Central, a 60 km ao norte de Manaus. Os dados foram coletados por meio de uma estação automática instalada numa torre micrometeorológica (B34) de alumínio, de 42 m de altura (02 o S, 60 o O, 75 m acima do nível do mar), montada no baixio. No presente trabalho, o fechamento do balanço de energia foi avaliado por meio da obtenção dos coeficientes linear (interceptação do eixo das ordenadas), angular (inclinação da curva de regressão) e de determinação (R 2 ), de regressões lineares entre os valores horários da soma dos fluxos não-radiativos (H + LE + S + G) e do saldo de radiação (R n ). O fechamento ideal é representado pelos valores 0, 1 e 1 dos coeficientes linear, angular e de regressão, respectivamente. De acordo com Moore e Fisch (1986) e Michiles e Gielow (2008), para florestas de terra firme da Amazônia central, os valores horários dos termos da taxa de variação do armazenamento de energia (TAE) podem ser uma fração bastante significativa do saldo de radiação. Conforme detalhado em Michiles e Gielow (2008), o cálculo da TAE total numa floresta (S) é realizado dividindo-a em quatro termos principais, isto é, TAE no ar (S ar ), nos troncos (S tr ), na copa das árvores (S co ) e no estrato inferior da floresta (S ei ). Neste trabalho, o cálculo destes termos foi realizado por meio das expressões simplificadas apresentadas por Michiles e Gielow (2008) e de informações de biomassa obtidas pela equipe de micrometeorologia de florestas do LBA. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Todas as análises aqui realizadas são referentes a oito dias sem chuva do ano de 2006: 167, 173, 174, 191, 207, 208, 244 e 246 (dias julianos) Variáveis Meteorológicas Os perfis médios diários das variáveis meteorológicas foram obtidos para intervalos de tempo de meia-hora. A radiação global incidente (Rg), entre 07 e 17 HL, em média, variou de 16,5 a 823,4 W m -2. Os valores máximos de Rg ocorrem entre as 12 e 13 HL e, a partir daí (quando ocorre um aumento da nebulosidade), existe uma queda brusca desta variável, elevando-se novamente até as 15 HL para, em seguida, decair no final da tarde. A temperatura do ar (T) variou, em média, de 21 a 29 o C, alcançando maiores valores durante a tarde (entre 13 e 15 HL) e menores durante o início da manhã (entre 06 e 07 HL). No entanto, T começa a elevar-se rapidamente a partir de 08 HL, a uma taxa média de 1,5 ºC h -1, até atingir seu valor máximo às 13:30 HL, passando a decrescer até o final do dia. Durante a noite (03 e 21 HL), a temperatura é aproximadamente constante com a altura, acontecendo o mesmo durante o dia em níveis abaixo do dossel (até 18 m). Próximo ao dossel (18 a 25 m), porém, T tende a aumentar levemente, decaindo com a altura após 30 m, no período diurno.

3 A umidade relativa (UR) variou, em média, de 80 a 100 %, com máximos entre 22 e 09 HL e mínimos entre 13 e 15 HL. Este comportamentoo está coerente com o fato do ar próximo à superfície se aquecer, devido ao aumento gradativo da radiação solar incidentee durante a manhã. O perfil vertical de UR não é apresentado em razão de problemas técnicos com os sensoress instalados nas alturas de 2, 9, 18, 25 e 30 m. Em média, a velocidade do vento variou entre 0,01 e 1,666 m s -1, com aumento significativo a partir de 08 HL e decréscimo a partir de 15 HL. A velocidade do vento tende a aumentar com a altura, levemente à noite e de forma mais intensa durante o dia. As maiores variações da velocidade do vento com a altura foram encontradas entre 18 e 25 m, em média, em ambos os turnos, dada a presença do dossel da floresta Balanço de Energia As s 1 e 2 apresentam os perfis médios diários dos componentes do balanço de radiação e do balanço de energia referentes aos dias anteriormente citados. Observa-se que essess componentes possuíram ciclos diurnos bem definidos, com maiores valores no períodoo diurno e menores no noturno. Na 1 nota-se que o Rn, a radiação de ondas curtas refletida (Sout), a radiação de ondas longas incidente (Lin) e emitida (Lout) acompanhar ram o comportamento da radiação global incidentee (Sin) durante o dia. Em média, os valores máximos de Sin e Rn ocorreram às 11:30 HL (823,4 W m -2 e 681,2 W m -2, respectivamente), e os mínimos às 19 HL (-2,1 W m - 2 ) e 21 HL (-43,6 W m -2 ), respectivamente. Os picos de Sout e Lout ocorreram às 13 HL (86,1 W m -2 e 498,1 W m -2, respectivamente), e os seus mínimos aconteceram, em média, às 18:30 HL (0,17 W m -2 ) e 06 HL (428,1 W m -2 ), respectivamente. Os maiores valores de Lin aconteceram, em média, às 12:30 HL (442,9 W m -2 ) e os menores às 08 HL (400,0 W m -2 ). Na 2, percebe-se que LE (fluxo de calor latente) e H (fluxo de calor sensível) alcançaram valores máximos às 13 HL (249,5 W m -2 e 197, 6 W m -2, respectivamente) e mínimos às 19 HL (-28,0 W m -2 ) e 17:30 HL (-7,5 W m -2 ), respectivamente. Além disso, S (armazenamento de energia na vegetação) apresentou uma contribuição significativa entre 7:30 e 12 HL, sendo que nesses horários atingiu valores de até 119,6 W m -2. G (fluxo de calor no solo), em média, possuiu valores negativos entre 18 e 9:30 HL (mínimo de -9,9 W m -2 ) e valores positivos entre 10 e 17:30 HL (máximo de 3,7 W m -2 ). A soma dos fluxos não-radiativos (H+ +LE+S+G) variou de -54,1 a 447,3 W m Perfil médio diário dos componentes do balanço de radiação calculados para intervalos de 2 Ciclo médio diário dos componentes do balanço de meia-hora. energia: Rn, H, LE, G e S. A fim de quantificar a partição de Rn nos outros componentes do BES foram utilizadas as médias horárias das razões entre cada um dos componentes não-radiativos (H, LE, S e G) e Rn, como visualizado na 3, além das razões entre os somatórios totais diurnos de cadaa um dessess componentes e de Rn. Nesta última não foi utilizado o períodoo noturno pelos problemas de fechamento do BES existentes durante a noite. Como já se esperava, a floresta utilizou grande parte de Rn para a evapotranspiração (LE/Rn)) durante o

4 dia (34,3 %). Para o aquecimento da atmosfera acima do dossel foi utilizado 25,,2 % de Rn diurna (H/Rn). A parte de Rn que foi armazenadaa na biomassa foi, em média, 4,3 % (S/Rn) e apenas uma pequena parte foi utilizadaa por G, 0,01%. 3 Ciclo médio diário dos componentes da partição de energia. 4 Perfil médio diário da razão de Bowen (H/LE), entre 08 e 16 HL. 6 Perfis médios diários da diferença residual entre o saldo de radiação (Rn) e a soma dos fluxos não-radiativos (H+LE+G+S). 5 (a) Perfil médio diário da razão do balanço de energia (H+LE+G+S)/Rn e (b) razão do balanço de energia diurno, ambos para o período entre 07 e 17 HL. 7 Regressões Lineares entre a soma dos fluxos não-radiativos (H+LE+G+S) e o saldo de radiação (Rn) (a) diária, (b) diurna e (c) noturna. No ciclo médio diário observou-se que nos horários de transição (06 e 18 HL) existem picos nas razões dos componentes da partição de energia ( 3). Isso é explicado pelo fato da mudança de sentido de fluxo de Rn no início e no final do dia, alcançando valores próximos de zero antes da alteração de sinal. Notou-se também que a energia envolvida com H e LE está interligada, mostrando que quando Rn não é utilizado para evapotranspiração o mesmo está envolvido com o aquecimento da atmosfera (e vice versa), e, em menor proporção, empregado em G ou em S. H/Rn variou entre 22,1 e 31,3% %, LE/Rn entre 31,0 e 43,6% %, G/Rn entre -4,1 e -1,0 e S/Rn entre -0,8 e 1,1%.

5 Na 4 está exposta a razão de Bowen (H/LE) média horária, entre 08 e 16 HL (período com valores positivos). A razão de Bowen, nestes horários, foi aproximadamente constante (0,8 em média), acontecendo, porém, por volta de 09 HL, um pico de 1,5. Isso mostra que houve um maior gasto energético com a evapotranspiração na floresta do que com aquecimento, exceto, é claro, às 09 HL, onde houve um aumento em H maior do que em LE. O perfil médio diário da razão do balanço de energia para o período de 07 a 17 HL é apresentado na 5a. A razão do balanço, nesses horários, variou entre -20,1% (17 HL) e 73,1% (13:30 HL), com média de 53,5% do saldo de radiação. Dentre os dias estudados, o dia Juliano 173 foi o que apresentou melhor fechamento do balanço (72,6%) e o pior dia foi o 244, com 56,3% ( 5b). O comportamento horário da diferença residual entre Rn e a soma dos fluxos nãoradiativos é apresentado na 6. O resíduo médio encontrado para o período em questão foi de 62,5 W m -2, e o máximo foi de 302,2 W m -2. Com o intuito de se avaliar o fechamento do balanço de energia, foram feitas regressões lineares entre a soma dos fluxos não-radiativos (H+LE+S+G) e o saldo de radiação, como exposto na 7. Levando-se em consideração que o fechamento ideal é representado pelos valores 0, 1 e 1 dos coeficientes linear, angular e de determinação, respectivamente, no presente trabalho tais coeficientes para o período diário foram: -6,099; 0,665 e 0,880; para o período diurno foram: -19,010; 0,689 e 0,786; e para o período noturno: -10,960; 0,397 e 0,161; respectivamente. Percebe-se, portanto, que o melhor fechamento ocorreu na análise diária e diurna, sendo a noturna irreal, como se esperava, já que à noite existem condições estáveis que suprimem os vórtices turbulentos tornando imprecisas as medidas de H e LE pelo método de covariância de vórtices turbulentos. 4. CONCLUSÃO No presente estudo examinaram-se os componentes e o fechamento do BES sobre uma área de baixio na Floresta Amazônica. Os perfis médios diários dos componentes do balanço de radiação e do balanço de energia para intervalos de meia-hora mostraram ciclos diurnos bem definidos com maiores valores no período diurno e menores no noturno. Os componentes do balanço de radiação (Rn, Sout, Lin, Lout) acompanharam o comportamento da radiação global incidente (Sin) durante o dia. Desta forma, a soma dos fluxos nãoradiativos (H+LE+S+G) foi, em média, 54 % do saldo de radiação. O melhor fechamento do balanço de energia ocorreu na análise diária e diurna, sendo a noturna irreal, como já se esperava. Os resultados deste trabalho ajudam a caracterizar aspectos abióticos em área de floresta na Amazônia. Além disso, especificamente para áreas de floresta de baixio, tais resultados podem ser utilizados para melhorar modelos de interação solo-vegetaçãoatmosfera. 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS LEE, X. On micrometeorological observations of surface-air exchange over tall vegetation. Agricultural and Forest Meteorology, Amsterdam, v. 91, p , MICHILES, A. A. S.; GIELOW, R. Above-ground thermal energy storage rates, trunk heat fluxes and surface energy balance in a central Amazonian rainforest. Agricultural and Forest Meteorology, Amsterdam, v. 148, p , MOORE, C. J.; FISCH, G. Estimating heat storage in Amazonian tropical forest. Agricultural and Forest Meteorology, Amsterdam, v. 38, n. 1-3, p , 1986.