Universidade Federal de Santa Maria
Ci. e Nat., Santa Maria v.42, Special Edition: Micrometeorologia, e8, 2020
DOI:10.5902/2179460X45316
ISSN 2179-460X
Received: 01/06/20 Accepted: 01/06/20 Published: 28/08/20
Special Edition
Análise do escoamento horizontal de movimento não turbulento na camada limite noturna sob influência de obstruções
Analysis of the horizontal flow of non-turbulent movement in the night boundary layer under the influence of obstructions
Viviane da Silva Guerra I
Otávio Costa Azevedo II
Felipe Denardin Costa III
Pablo Eli Soares de Oliveira IV
I Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, Brasil. E-mail: viviane.silva.guerra@gmail.com.
II Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, Brasil. E-mail: otavio@ufsm.br.
III Universidade Federal do Pampa, Alegrete, Brasil. E-mail: fdenardin@unipampa.edu.br.
IV Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, Brasil. E-mail: pablo.deoliveira@gmail.com.
RESUMO
Quando a turbulência é bem desenvolvida, seu caráter difusivo tende a destruir rapidamente outros modos de variabilidade do escoamento, de forma que os processos turbulentos tornam-se dominantes. Porém, em casos de turbulência fraca ou intermitente, as escalas da turbulência se restringem a pequenos valores, tanto do ponto de vista espacial, como temporal. Processos não turbulentos podem se tornar importantes nesses casos. Isso é particularmente possível na Camada Limite Estável, alguns estudos recentes têm focado em tais modos não turbulentos do escoamento, como o submeso, por exemplo. Os movimentos não turbulentos ocorrem simultaneamente aos de outras escalas e podem dominar as flutuações do escoamento horizontal e os fluxos verticais. Os forçantes físicos do escoamento de submeso são ainda mal compreendidos, mas acredita-se que dependam significativamente de condições locais, como topografia e vegetação. A hipótese assumida neste trabalho é que obstáculos de diferente natureza e dimensões, como árvores, prédios e elementos de topografia afetam diferentes escalas do escoamento e se analisa o quanto processos turbulentos e não turbulentos, como submeso são afetados diferentemente.
Palavras-chave: Movimentos-não-turbulento; obstáculos.
ABSTRACT
When turbulence is well developed, the diffusivity tends to quickly destroy other flow variability modes, so that the turbulent processes become dominant. However, in cases of weak or intermittent turbulence the turbulence scales are restricted to small values, both spatially and temporally. Non-turbulent processes can become important in such cases. This is particularly possible in the Stable Boundary Layer, some studies have focused on non-turbulent flow modes such as submeso, for example. Non-turbulent motions occur simultaneously on other scales and may to dominate the fluctuations of the horizontal flow and vertical flux The physical forcing of submeso flow is still poorly understood, but it is believed to depend significantly on local conditions such as topography and vegetation. The hypothesis assumed in this paper is that obstacles of different nature and dimensions, such as trees, buildings and topography elements affect different flow scales and analyze how turbulent and submeso processes are affected differently.
Keywords: Non-turbulent-motions; obstacles.
1 Introdução
A grande maioria dos estudos micrometeorológicos na Camada Limite Planetária (CLP) foca na porção turbulenta do escoamento (PANOFSKY et al., 2008; STULL, 1988). Expressões de similaridade, que relacionam fluxos superficiais a gradientes de quantidades médias, e a forma como os processos turbulentos são comumente parametrizados em modelos numéricos de escoamento atmosférico representam apenas os efeitos de processos turbulentos (BUSINGER, 1981; GRACHEV et al., 2007). Contudo as flutuações das variáveis atmosféricas que ocorrem na Camada Limite Planetária nem sempre são turbulentas.
Na camada limite estável quando a turbulência se apresenta quase suprimida e intermitente (ACEVEDO et al., 2006; MAHRT, 2011; MAHRT; MILLS, 2009) movimentos não turbulentos, aqui tratados como submeso (ACEVEDO et al., 2014; MAHRT, 2009, 2010; MAHRT; MILLS, 2009), tornam-se importantes. Uma das maiores dificuldades em estudar processos de submeso está na complexidade da sua coexistência com vórtices turbulentos e de outras escalas (TEICHRIEB et al., 2013) como pequenos movimentos de mesoescala e sua interação. Tal simultaneidade entre movimentos de baixa frequência e turbulentos pode levar a geração ou supressão da turbulência por processos de mesoescala e também dominar a variabilidade do escoamento horizontal, bem como os fluxos verticais.
A caracterização do escoamento de submeso requer estudos mais aprofundados por serem ainda mal compreendidos. Contudo trabalhos realizados até aqui mostram uma dependência significativa desses movimentos com condições locais, como topografia, vegetação e a presença de obstáculos (ACEVEDO et al., 2014; MAHRT, 2010; MAHRT; MILLS, 2009; MAHRT; PFISTER e THOMAS,2019; MONTI et al., 2002; VICKERS e MAHRT, 2007; VICKERS e THOMAS, 2013). A proximidade de obstáculos com outras características do escoamento tem motivado alguns estudos. Acevedo e Fitzjarrald (2003), Medeiros e Fitzjarrald (2015) e Guerra et al., (2018) mostraram que as observações de temperatura, umidade e fluxos turbulentos são fortemente afetadas pela proximidade de obstáculos.
O objetivo deste trabalho é qualificar as reduções causadas por diferentes tipos de obstáculos para uma pequena variabilidade espacial com as diferentes escalas temporais do escoamento na CLP. A hipótese assumida é que obstáculos de diferente natureza e dimensões, como árvores, prédios e elementos de topografia afetam em diferentes escalas do escoamento. Em particular, uma análise simplificada e sutil de quanto os processos turbulentos e de submeso são afetados diferentemente.
2 Metodologia
2.1 Observações
O experimento ExpAN-UFSM-16 (Experimento Área Nova – UFSM-2016) foi realizado no Sítio Experimental da Área Nova da Universidade Federal de Santa Maria em 2016, planejado e montado com intuito de investigar a influência de obstruções ao escoamento horizontal. O experimento dispôs de 6 estações, cuja a maior distância de separação entre elas foi em torno de 150 metros, e a menor em torno de 20 metros. A rede de estações foi disposta em local propício a diversos tipos interferências como apresentadas na Figura 1. A disposição de estações próximas a árvores de espécies distintas com alturas e espessamentos diferentes (figura 1.a) e as diferenças na topografia local (Figura 1.b) foi proposital bem como um cuidado com distanciamento dos obstáculos existentes. Diferenças na topografia como podem ser observadas na Figura 1.b, mostram uma elevação que chega em torno de 15 metros a leste da posição das torres.
Algumas estações foram instaladas a leste e a oeste de alguns obstáculos e a sul e a norte de outros, o que permitiu verificar razoáveis diferenças na velocidade do vento e para quais setores cada estação apresenta maior interferência no escoamento.
Figura 1 – a. Distribuição das 6 estações MOs e em b o Mapa Topográfico do Terreno durante o experimento ExAN-UFSM-16
Um primeiro passo para esse trabalho foi observar que em cada estação a intensidade das rajadas do vento e a frequência com que ocorrem em determinada direção variam conforme a posição do obstáculo. A direção predominante do vento na rede é de Sudeste, porém a Figura 2, (Rosa dos Ventos) sugere diferenças significativas quanto à direção, como nas estações MO500 e MO530 onde há uma diminuição na intensidade do vento desta direção, em relação às outras estações. É interessante perceber que na estação MO500 o obstáculo filtra praticamente todo o vento da direção predominante. Na estação MO560, que também é afetada pela obstrução, provavelmente provocada pela topografia a Leste de sua posição, os maiores valores de velocidades do vento são reduzidos consistentemente. As estações MO540, MO510 e MO550 estão desobstruídas em relação à vegetação na direção do vento predominante, apresentam maiores intensidades de vento do setor Leste
Figura 2 – Rosa dos ventos com a frequência da direção e velocidade do vento na rede
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Para esse trabalho a análise realizada terá cunho mais qualitativo do efeito das obstruções nas diferentes direções do vento embora seja utilizado o método estatístico através da decomposição de multiresolução. Essas análises serão um importante passo para o próximo trabalho, pois se pretende quantificar a filtragem do vento através das distintas obstruções encontradas na rede.
3 Dados e Análises
A rede foi composta por seis estações com anemômetros de copo, um Met One 034B (MO560), dois RM Young Wind Sentry 03002 (MO510, MO550) e três RM Young Wind Sentry 03001-L (MO500, MO530 e MO540), instalados a três metros do solo. Foram utilizados quatro meses de dados, de Janeiro a Abril de 2016 com frequência de armazenamento de um minuto em toda a rede. Desses quatro meses de dados observados foram utilizados apenas 105 dias, devido a problemas e falta dos mesmos. A série temporal utilizada foi de 29 pontos que corresponde a 512 minutos, das 16:00 HL (Hora LocaL) da tarde as 08:00 HL da manhã seguinte. Após a observação da variação da direção e velocidade do vento, os dados foram separados por setores do vento.
Para análise da escala temporal uma ferramenta estatística avançada foi utilizada, que decompõe a série em escalas temporais através de uma Decomposição em Multiresolução (DM). Tal técnica é indicada para quando se deseja quantificar um evento e a frequência da sua ocorrência em uma determinada escala. No caso desse experimento onde apresenta uma série temporal de 29 pontos com 16 horas de dados observados, a DM fez uma decomposição por noite, gerando 105 decomposições totais. O espectro e o coespectro gerados pela multirresolução são interpretados em termos de médias móveis não ponderadas no método da transformada de Haar (HOWELL; MAHRT, 1997) através de ondeletas, melhor descritas por Mallat (1989) e em termos de médias móveis não ponderadas (VICKERS; MAHRT, 2003). O espectro da Energia Cinética Turbulenta (ECT) é dado pela soma das variâncias de cada componente do escoamento, . Este espectro descreve a distribuição de energia associada a cada tipo de turbilhão em função da duração temporal das perturbações por ele produzidas. Assim, assume-se que a energia é distribuída nos comprimentos de ondas e frequências dos diferentes turbilhões presentes no escoamento. A ECT total é dada pela soma dos valores do espectro de energia cinética, desde as escalas dos pequenos turbilhões às escalas dos maiores turbilhões.
A análise espectral da ECT na Figura 3 permite averiguar a dependência do escoamento de com a escala de tempo. É interessante constatar a partir disso que a energia dentro da escala de submeso aumenta exponencialmente com a escala de tempo, tendo um aumento maior com o aumento da estabilidade. Este padrão que foi também encontrado por Acevedo et al. (2014), afirma que esse resultado vem a possibilitar uma maneira de encontrar uma escala de tempo para a submeso e sua contribuição na turbulência.
Mahrt (2009) sugeriu que movimentos não turbulentos na escala de submeso aconteçam em torno de poucos minutos. Pelo caráter complexo e variável da submeso há essa dificuldade em estabelecer um valor exato em que ocorre, isto é, devido a dependência local dada pela heterogeneidade da superfície. No presente trabalho acredita-se que a submeso esteja ocorrendo a partir dos 10 minutos (Figura 3).
O segundo passo desse trabalho foi analisar o espectro da ECT média total (Figura 3) em toda rede e verificar as possíveis diferenças entre as estações. A estação MO500, por exemplo, especialmente é a que apresenta menores valores em ambas as escalas por ser a mais obstruída tanto pela topografia quanto pela presença de árvores como visto nas Figuras 1.a e 1.b, onde a mesma se encontra em uma depressão do terreno. A MO560 apresenta um pequeno aumento na energia para as frequências mais alta em relação as outras estações, entretanto o mesmo não acontece nas baixas frequências para esta estação. O contrário acontece com MO530, com mais energia nas baixas frequências. Essas diferenças apresentadas na ECT total levaram a um terceiro passo desse trabalho, que foi separar o vento por direção, mais precisamente, por setor, Nordeste, Sudeste, Sudoeste e Noroeste.
Figura 3 – Energia Cinética Turbulenta média total
De posse dos dados já separados por setor, a análise da ECT passou a ser feita por setor, como mostram as Figuras 4 a 7. Para os diferentes setores foram encontradas significativas diferenças na ECT em distintas escalas do movimento:
Setor Nordeste (NE) - Para o setor NE (Figura 3.5), todas as estações apresentam dois picos no espectro, um em 60 segundos e outro maior em 4000 segundos e depois decrescem rapidamente. As estações MO500 e MO530 são as que apresentam menores valores em relação às outras estações para ECT em praticamente todas as escalas. Isso mostra que essas duas estações estão sob efeito de obstruções por esse setor, em todas as frequências. Entretanto a MO500 diferentemente das outras estações está sofrendo mais interferência nas baixas frequências do que nas altas. Isso sugere que a MO500 está sujeita a interferência topográfica, visto que, esta estação está em uma depressão do terreno com uma elevação de mais de 5 m a norte de sua posição, como foi mostrado no Mapa Topográfico na Figura 1.b. Na estação MO530 acontece algo semelhante, porém em todas as frequências. Isso porque a estação MO530 além de estar sob a influência da topografia a NE de sua posição ela também está sob ação de árvores a Norte. A Figura 3.9 possibilita observar panoramicamente todos os obstáculos em torno das estações.
Figura 4 – Espectro da Energia Cinética Turbulenta para o setor Nordeste
Setor Sudeste (SE) - É interessante perceber que a MO560 pelo setor SE é totalmente bloqueada em todas as frequências (Figura 5), isso em parte é devido à ação de árvores de grandes portes (eucaliptos), e da presença de uma coxilha a Leste de sua posição. Para a MO550 as baixas frequências sofrem uma redução em relação as altas. Esse resultado é atribuído a presença da mesma coxilha que também está influenciando a MO560 e ausência de árvores e outras pequenas obstrução nesse setor. De modo geral pode-se observar que o setor SE é diferente dos outros setores. O pico espectral já não se encontra nas baixas frequências e sim nas mais altas, isso acontece para todas as estações, com exceção apenas da estação MO510. A explicação para esse resultado encontra-se no relevo do sítio. Quando o escoamento está da direção SE encontra uma barreira provocada pela presença da coxilha nessa direção, como mostrado no mapa topográfico anteriormente. A estação MO510, porém encontra-se mais elevada em relação as outras e, portanto, o relevo não provoca interferências por esse setor nessa estação.
Figura 5 – Espectro da Energia Cinética Turbulenta para o setor Sudeste
Setor Sudoeste (SO) – Esperava-se que a MO530 estivesse mais livre por esse setor nas altas frequências em relação ao setor SE, entretanto, a presença de algumas árvores ainda que distante dessa estação estão influenciando a velocidade do vento. Embora por esse setor a Figura 6 mostre que MO510 esteja mais livre nas altas frequências seus valores em relação o setor SE são menores. Isso mostra que as mesmas obstruções que influenciam em MO530 estão influenciando na MO510. Já para as baixas frequências a MO510 e MO550 apresentam razoáveis diferenças em relação ao setor SE.
Figura 6 – Espectro da Energia Cinética Turbulenta para o setor Sudoeste
Setor Noroeste (NO) – A estação MO530 (Figura 7) em certas escalas a energia no espectro apresenta-se mais afetada que a MO500. Isso se deve à presença de árvores a norte de sua posição como observado na Figura 1.a.
Figura 7 – Espectro da Energia Cinética Turbulenta para o setor Noroeste
4 Conclusão
Os resultados observados até aqui sugerem que obstáculos de menores dimensões como diferentes tipos de árvores filtram preferencialmente as frequências mais altas do escoamento, enquanto que a topografia, através de elevações irregulares do terreno tende a reduzir com mais eficiência a energia dos movimentos não turbulentos. Para testar essa hipótese, é importante quantificar a redução do vento em cada setor e em cada escala de tempo. A proposta de quantificação da filtragem do escoamento provocada por obstruções e a escala característica mais afetada por tais obstruções já está em desenvolvimento para esse experimento e será apresentada em um trabalho futuro.
Os resultados encontrados no ExpAN-UFSM-16 foram tão animadores que abriu a possibilidade de explorar ainda mais essa ideia. Iniciou-se a construção do segundo experimento no mesmo sítio, onde serão testados os efeitos das obstruções separadamente. Primeiramente 4 estações micrometeorológicas foram instaladas e dispostas de modo a poder averiguar o efeito das árvores no escoamento bem como a influência em outras variáveis médias, como a temperatura. Posteriormente as estações serão instaladas livre da influência dessas arvores porem afetadas pela topografia.
Esse segundo experimento desenvolvido em conjunto com o projeto: DESENVOLVIMENTO DOS PROCESSOS FÍSICOS DA COMPONENTE ATMOSFÉRICA DO BESM E SUA VALIDAÇÃO PARA O CLIMA PRESENTE será de suma importância no que tange as dificuldades dos modelos de previsão de simular os processos turbulentos por ainda não conseguir fazer uma boa representação dos processos físicos na CLP principalmente durantes a noite. Assim este trabalho poderá auxiliar no melhoramento da formulação dos processos noturnos através desses dados observados.
Agradecimentos
Ao programa de pós-graduação em Meteorologia da Universidade Federal de Santa Maria.
O presente trabalho foi realizado com apoio total da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES) - Código de Financiamento 001.
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