UMA ANÁLISE DA DISTRIBUIÇÃO ESPACIAL DA TURBULÊNCIA E

UMA ANÁLISE DA DISTRIBUIÇÃO ESPACIAL DA TURBULÊNCIA E DA
TEMPERATURA SOBRE TERRENO COMPLEXO
Dionnathan W. B. de Oliveira(1), Luiz E. Medeiros(2)
(1)
(2)
Estudante bolsista do IC PBIP; Universidade Federal do Pampa; [email protected]
Professor-Orientador; Universidade Federal do Pampa.
RESUMO: O trabalho apresenta um estudo sobre a distribuição espacial de turbulência e do fenômeno de intermitência
da turbulência. O método consiste em uma análise temporal da variação da temperatura e do vento próximo à
superfície, coletados em seis pontos diferentes em uma área de bioma tipo pampa com terreno complexo. Os resultados
mostram que mesmo em uma região relativamente pequena (800m x 800m) é possível observar variações de
temperatura de ate 5 graus Celsius. Observou-se também que a turbulência pode ocorrer de forma localizada tanto no
espaço, ocupando apenas algumas partes da região de estudo, quanto no tempo durante a ocorrência de episódios
intermitentes de turbulência. As diferenças espaciais de temperatura tendem a diminuir durante a ocorrência de eventos
intermitentes de turbulência. A turbulência causa mistura, o que acarreta transferências de calor sensível entre as
massas de ar reduzindo assim, a heterogeneidade espacial de temperatura. Nesse contexto, os resultados
apresentados aqui, mostram que melhorias nas parametrizações dos fluxos turbulentos de superfícies empregadas nos
modelos numéricos de previsão do tempo, só acontecerão após um claro entendimento do fenômeno de intermitência
da turbulência e da influência da superfície na distribuição espacial de turbulência.
Palavras-Chave: turbulência, temperatura, heterogeneidade espacial,
INTRODUÇÃO
A camada limite atmosférica é tradicionalmente dividida em camada convectiva e camada estável. A
convectiva geralmente ocorre durante o dia e apresenta turbulência intensa devido ao processo de
convecção. A convecção está associada ao fato de que o ar próximo à superfície apresenta empuxo
positivo, pois nessas condições, a superfície da terra está mais quente do que o ar. Durante essas
condições, qualquer contraste espacial de temperatura e de concentração de escalares (H2O, CO2, O3)
próximos à superfície são rapidamente eliminados devido a mistura intensa causada pela turbulência de
grande escala. A camada estável ocorre durante a noite e apresenta turbulência menos intensa e de menor
escala. Isso se deve ao fato de que sob condições estáveis o ar próximo à superfície apresenta empuxo
negativo, ou seja, qualquer movimento vertical tende a ser eliminado. Com isso, o forçante térmico que era
uma fonte geradora de turbulência, passa a ser um sumidouro de turbulência durante a noite, restando
assim apenas o cisalhamento do vento como fonte geradora de turbulência. O fato de que a turbulência é
pouco intensa e de escala reduzida dificulta o entendimento das trocas (na forma de fluxos turbulentos) de
calor e escalares entre a superfície e atmosfera.
(MEDEIROS, FITZJARRLD, 2015) sugerem que os processos de mistura turbulenta sob condições
estáveis encontram-se defasados em relação aos que acontecem sob condições instáveis ou
equivalentemente, condições convectivas. Sob condições muito estáveis, que acontecem durante noites de
céu claro e vento fraco, a turbulência pode acontecer de forma localizada e intermitente, ou seja, não é
horizontalmente uniforme e não acontece de forma regular no tempo. (ACEVEDO, FITZJARRALD, 2002)
mostram que a turbulência intermitente pode afetar bruscamente a temperatura e a concentração de
escalares próximo à superfície da terra. A maior parte das trocas de calor e escalares entre a superfície e a
atmosfera acontece durante a ocorrência de eventos intermitentes. O entendimento de tais eventos consiste
em uma etapa fundamental na melhoria das parametrizações dos fluxos turbulentos em modelos numéricos
de previsão do tempo. O objetivo principal do trabalho é entender a distribuição espacial de turbulência e o
fenômeno de intermitência.
METODOLOGIA
Os dados utilizados no estudo são provenientes de um experimento que está sendo realizado em
uma área de bioma tipo Pampa pertencente à Universidade Federal de Santa Maria (UFSM). O experimento
consiste em uma torre com 30m de altura equipada com dois sensores sônicos anemômetros
tridimensionais para medidas de turbulência de alta freqüência (10hz) à 3m e 30m de altura. Seis estações
meteorológicas convencionais espalhadas próximo à torre (ver Figura 1) também fazendo parte do
experimento. Nas estações, alem dos dados de vento, são coletados dados de temperatura, pressão e
umidade relativa. A freqüência de amostragem para estas plataformas de coleta de dados é de 0.008 Hz
(uma amostra a cada dois minutos). Inicialmente, entre novembro de 2013 e março de 2015, três das seis
estações meteorológicas estavam dispostas na forma de um “X” entorno da torre sendo que a distância até
a mesma era de 100m. Após março de 2015, uma das três estações (MO500 – Ver Figura 1) que não
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faziam parte do X foi remanejada para a extremidade do “X” que estava faltando. Nesta mesma época
foram instalados um sensor sônico anemômetro tridimensional, um sensor de temperatura e um sensor de
umidade em cada estação do “X”. Os sensores anemômetros adicionais operaram a 10 Hz, enquanto os de
temperatura e umidade a 0.2 Hz. Os dados analisados aqui correspondem ao período entre novembro de
2013 a junho de 2015.
Figura 1: Topografia da área de estudo. Os pontos marcados com a palavra “estação” são estações meteorológicas e
os com a palavra “sonic” são estações meteorológicas com medidas de alta freqüência de turbulência. A palavra “torre”
indica a posição da torre de 30m.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A partir da Figura 2 e da Figura 3 pode-se inferir que durante o intervalo registrado houve episódios
de turbulência intermitente. Nota-se que na estação de cor azul, no ponto de 19h:14min, inicia um desses
episódios. Durante a ocorrência do evento a temperatura da estação se eleva entorno de 2,5 graus Celsius
se aproximando da temperatura da estação mais quente (preta). Nas estações verde e vermelho isso não é
observado. O motivo dessa turbulência intermitente é desconhecido, mas há indícios de correlação entre
freqüência de ocorrência de eventos intermitentes e características da topografia local. Observa-se entrono
de 22h, que quando a turbulência aumenta simultânea nas estações vermelha, verde e azul a temperatura
das mesmas se aproxima da temperatura da estação preta. Tal fato leva a uma diminuição das diferenças
espaciais de temperatura. Isso acontece porque a turbulência tende a redistribuir calor sensível, diminuindo
a heterogeneidade espacial.
Noite 10–11/04/2015
Figura 2: Variação da temperatura de diferentes estações
meteorológicas durante um intervalo de tempo.
Noite 10–11/04/2015
Figura 3: Medidor de velocidade vertical do vento, cada
cor representa uma estação meteorológica.
CONCLUSÃO
Durante a ocorrência de eventos de turbulência intermitente, as diferenças espaciais de temperatura
diminuem. O motivo principal é que a turbulência tende a redistribuir calor sensível eliminando qualquer
heterogeneidade espacial. Nesse contexto, a turbulência tem um papel fundamental, pois durante a
ocorrência de evento de turbulência intermitente é observado uma redução nas diferenças de temperaturas
entre estações. Sendo assim, melhorias nas parametrizações de superfícies nos modelos numéricos de
previsão do tempo só serão desenvolvidas após um claro entendimento da influência da superfície na
distribuição espacial de turbulência.
REFERÊNCIAS
ACEVEDO O. C. ; FITZJARRALD D. R. In the core of the night – Effects of Intermittent Mixing on a Horizontally
Heterogeneous Surface. Journal of Applied Meteorology and Climatology, 106, 1-33, 2002.
MEDEIROS L. E. ; FITZJARRALD D. R. Stable Boundary Layer in Complex Terrain. Part II: Geometrical and Sheltering
Effects on Mixing. Journal of Applied Meteorology and Climatology, 54, 170-188, 2015.
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