Estudo do escoamento turbulento atmosférico em diferentes sítios experimentais localizados na Amazônia

Amazon region is known worldwide for the availability of water and for the number of ecosystems such as dense forests land, flooded forests, flood plains, igapós, open and closed fields. The important role that the Amazon rainforest plays in the energy and mass exchange with the atmosphere and the implication of these changes in the climate at a local, regional and global scale is a fact difficult to be answered. Since such changes are controlled by atmospheric turbulence, the understanding of turbulent flow in the different atmosphere layers, in and above the forest canopy and above water surfaces in the Amazon, becomes necessary. In this work, the vertical variability of the wind velocity, the turbulence statistical moments, the sensible heat flux (H) and the turbulent kinetic energy dissipation rate (ε) in different experimental sites in and above Amazon forest were studied. In addition, a comparison was made between turbulent flows above one of these sites (a rough surface) and above a lake, which is also located in the Amazon. Regarding the vertical wind profile, data collected from six towers of different experimental sites were analyzed, aiming to observe the general characteristics of the behavior of said profile, as well as to test the ability of simplified models to reproduce such characteristics. In general, the profile below the canopy is strongly affected by the forest structure. From the soil up to 0.65h (where h = 35 m is the average height of the forest canopy), the vertical wind profile is approximately constant with height and has very low values, less than 1,0 ms -1. Above 0.65h up to 2.25h the wind speed increases with height. As for the models used, both the Yi and Souza models were able to reproduce satisfactorily the wind profile for the different experimental sites. In relation to this last model, it was still possible to reduce the amount of input variables required to simulate the vertical wind speed profile without prejudice to the aforementioned ability. Differently from the wind profile, the other analyzes performed in this work were based on data from only two experimental sites. These data were collected by bi and three - dimensional sonic anemometers arranged from near the forest floor to about 80 m high. Comparing the results of the two sites studied in this study with other two (investigated by other authors in published works) also located in Amazonia, these sites showed significant differences in the efficiency of absorbing momentum of the atmosphere, probably due to small differences in the forest structure of each site. The behavior of the turbulence statistical moments showed that eddies generated above the forest canopy hardly penetrate the region below 0.5h, , and that depth can be more easily reached during strong wind conditions. Likewise, H values were higher during this condition in both during the daytime and nighttime. Another important observation disappears from the H profile is that is not constant with the height, compromising the validity of the Monin-Obukhov’s theory similarity. In addition, it has been noted that the behavior of the H diurnal cycle is quite complex at certain times, changing from positive to negative within the daytime period. The ε diurnal cycle shows the same behavior at all heights, influenced by the solar radiation diurnal cycle. The highest values of ε were also found during the strong winds performance, with a maximum close to the forest canopy top. Comparing the turbulence characteristics above the forest with those observed above the lake, it was verified that in general the air turbulence intensity above the forest was higher than above the lake during the daytime, due to the high efficiency of the forest in absorbing momentum of the turbulent flow. During the nighttime the situation was reversed, with greater air turbulence intensity above the lake, except in some periods in which intermittent turbulence bursts occur above the forest. The horizontal (Λu) and vertical (Λw) eddies scales calculated during the daytime period were higher above forest than above the lake, and the vertical length scale (Lw) was also larger over the forest, but the horizontal length scale (Lu) was higher above lake. The composites of the vertical velocity power spectra obtained for the daytime and nighttime periods for each site showed canonical behavior, with a well-defined inertial subdomain region, except in the nighttime period above the forest. Finally, shear production was the dominant term of the turbulent kinetic energy (TKE) budget equation during the daytime period at both sites. All terms calculated in this work at night showed values close to zero over the lake, indicating that the terms that could not be calculated, such as the TKE advection, may have contributed to maintenance of turbulence overnight at this site.A região amazônica é mundialmente conhecida pela disponibilidade de água e pelo número de ecossistemas, tais como: florestas densas de terra firme, florestas inundadas, planícies de inundação, igapós, campos abertos e fechados. O importante papel que a floresta amazônica exerce nas trocas de energia e massa com a atmosfera e a implicação destas trocas no clima em escala local, regional e global é fato difícil de ser contestado. Uma vez que tais trocas são controladas pela turbulência atmosférica, o entendimento do escoamento turbulento nas diferentes camadas da atmosfera, dentro e acima do dossel da floresta e sobre superfícies aquáticas na Amazônia se faz necessário. Como base nisso, neste trabalho, foram estudados a variabilidade vertical da velocidade do vento, dos momentos estatísticos da turbulência, do fluxo de calor sensível (H) e da taxa de dissipação da energia cinética turbulenta (ε) em diferentes sítios experimentais sobre áreas de floresta na Amazônia. Além disso, foi realizada uma comparação entre os escoamentos turbulentos sobre um destes sítios (tradada como superfície rugosa) e sobre um lago, este também localizado na Amazônia. Com relação ao perfil vertical do vento, foram analisados dados coletados em seis torres de medidas de diferentes sítios experimentais, com objetivo de observar as características gerais do comportamento do referido perfil, além de testar a habilidade de modelos simplificados em reproduzir tais características. De maneira geral, o perfil abaixo do dossel é fortemente afetado pela estrutura da floresta. Do solo até 0,65 (em que h = 35 m é a altura média do dossel da floresta), o perfil vertical do vento é aproximadamente constante com a altura e apresenta valores muito baixos, menores do que 1,0 ms -1. Acima de 0,65h até 2,25h a velocidade do vento aumenta com a altura. Quanto aos modelos utilizados, tanto o modelo de Yi quanto o de Souza conseguiram reproduzir de maneira satisfatória o perfil do vento para os diferentes sítios experimentais. Em relação a este último modelo, ainda foi possível diminuir a quantidade de variáveis de entrada necessárias para simular o perfil vertical de velocidade do vento sem prejuízo na tal habilidade mencionada acima. Diferentemente do perfil do vento, para as outras análises realizadas neste trabalho foram analisados dados de apenas dois sítios experimentais. Tais dados foram coletados por anemômetros sônicos bi e tridimensionais dispostos desde próximo ao solo da floresta até cerca de 80 m de altura. Comparando os resultados dos dois sítios estudados neste trabalho com outros dois (investigados por outros autores em trabalhos já publicados) também localizados na Amazônia, verificou-se que estes sítios apresentaram diferenças significativas na eficiência em absorver momentum daviii atmosfera, provavelmente devido a pequenas diferenças na estrutura da vegetação de cada sítio. O comportamento dos momentos estatísticos da turbulência evidenciou que vórtices gerados acima do dossel florestal dificilmente penetram a região abaixo de 0.5h, sendo que tal profundidade pode ser mais facilmente atingida durante condições de ventos fortes. Da mesma forma os valores de H foram maiores durante esta condição, tanto durante o dia quanto a noite. Outra observação importante, acerca do perfil de H, é o fato deste não ser constante com a altura, comprometendo a validade da teoria de similaridade de Monin- Obukhov. Além disso, notou-se que o comportamento do ciclo diário de H é bastante complexo em certas alturas, mudando de positivo para negativo dentro do período diurno. Já o ciclo diário de ε, apresenta o mesmo comportamento em todas as alturas, influenciado pelo ciclo diário da radiação solar. Os maiores valores de ε também foram encontrados durante a atuação de ventos fortes, com um máximo próximo ao topo do dossel da floresta. Comparando as características da turbulência sobre a floresta com as observadas sobre o lago, foi verificado que, em geral, a intensidade da turbulência do ar sobre a floresta foi maior do que sobre o lago durante o dia, devido à alta eficiência da floresta em absorver momentum do escoamento. Durante a noite, a situação se inverte, uma vez que a turbulência do ar tem maior intensidade sobre o lago, exceto em alguns períodos em que rajadas de turbulência intermitente ocorrem sobre a floresta. As escalas integrais da turbulência horizontal (Λu) e vertical (Λw), calculadas durante o período diurno, foram maiores sobre a floresta do que sobre o lago, da mesma forma que a escala de comprimento vertical (Lw) também é maior sobre a floresta. Por outro lado, a escala de comprimento horizontal (Lu) foi maior sobre o lago. Os compósitos dos espectros de potencia da velocidade vertical obtidos para os períodos diurno e noturno para cada sítio apresentaram comportamento canônico, com a região do subdomínio inercial bem definida, exceto no período noturno acima da floresta. Finalmente, a produção de turbulência por cisalhamento do vento foi o termo dominante da equação do balanço de Energia Cinética Turbulenta (ECT), durante o período diurno em ambos os sítios. Todos os termos desta equação calculados neste trabalho, referente ao período noturno, apresentaram valores muito próximos de zero sobre o lago, indicando que outros termos que não puderam ser calculados, como a advecção de ECT, podem ter contribuído para manter a turbulência durante a noite neste sítio

Estabilidade e estrutura da turbulência sob a influência de jatos de baixos níveis noturnos no sudoeste da amazônia

The aim of this study was to evaluate how the occurrence of nocturnal Low Level Jets (LLJs) may influence the atmospheric turbulence structure and atmospheric stability at the surface. Using data collected from both radiosondes and Eddy Covariance Systems during the WetAMC-LBA campaign, three atmospheric stability regimes were defined at the surface: weakly stable; transition, and very stable. Relating these regimes and the turbulence structure of strong, weak-type 1 (occurring above 500 m) and weak-type 2 (occurring below 500 m) LLJs, it was observed that 22% of the strong LLJ cases were within the weakly stable regime, whereas only 3% of the weak LLJ cases (type 1 and 2) were in this regime. Another interesting result is that in the weak type 1 LLJ cases, the highest percentage were within the very stable regime (approximately 54%). During strong-LLJs, mean friction velocity and mean turbulence kinetic energy were 0.09 ms-1 and 0.13 m2s-2, respectively. For weak-type 1-LLJs, these variables presented respectively values of 0.04 ms-1 and 0.02 m2 s-2, whereas for weak-type 2-LLJs values were 0.06 ms-1 and 0.03 m2s-2, respectively. These results suggest that LLJs with sufficiently high velocities may increase turbulence and introduce weak atmospheric stability at near surface, depending on the height of occurrence. © 2015, Sociedade Brasileira de Meteorologia. All rights reserved

Análise do Perfil Vertical de co2 em uma Área de Floresta na Amazônia Central

http://dx.doi.org/10.5902/2179460X16210This study aimed to describe the vertical profile of CO2 concentration during least rainy period and rainy periods of 2006 , into an area of tropical forest in the Central Amazon, Brazil . It were used data of CO2, collected at various heights by a system of measures including an infrared gas analyzer (Licor 7000), in a tower with 40 meters of height. From the data collected it was observed that the concentration of CO2 decreases as one moves from the ground to the top of the canopy. This suggests that the largest source of CO2 is from the soil, due to processes such as respiration and decomposition of plant biomass. When is compared the least rainy and the most rainy periods, it is noted significant differences in the amounts of CO2 concentration in these periods. The highest concentrations were observed during least rainy period, with monthly mean values above 440 ppm near the surface.Este estudo teve como objetivo descrever o perfil vertical da concentração de CO2 durante o período menos chuvoso e chuvoso do ano de 2006, em uma área de floresta tropical na Amazônia Central do Brasil.Para tanto, foram utilizados dados da concentração de CO2, coletados em várias alturas por um sistema de medidas incluindo um analisador de gás infravermelho (Licor 7000), em uma torre de 40 metros de altura. A partir dos dados coletados foi possível observar que a concentração de CO2 diminui à medida que se avança do solo ao topo do dossel. O que sugere que a maior fonte de CO2 é proveniente dos solos, em virtude de processos como a respiração e decomposição da biomassa vegetal. Quando se comparam os períodos menos chuvoso e mais chuvoso, nota-se diferenças significativas nos valores de concentração de CO2 entre esses períodos. As maiores concentrações foram observadas durante o período menos chuvoso, com valores médios mensais acima de 440 ppm próximo à superfície

Evidências do fenômeno de terras caídas com grandes cheias na região Oeste do Pará / Evidence of the phenomenon of falling lands with great fillings in the West region of Pará

O fenômeno de terras caídas faz parte da dinâmica natural dos rios,resultante da combinação de diversas causas naturais, é intensificado pela ação antrópica e refere-se ao processo erosivo que acontece nas margens dos rios de água branca. Estetrabalho objetiva compreender e explicar a dinâmica entre as águas e as terras caídas nas margens do Rio Amazonas tendo como base os dados de nível do Rio Tapajós na cidade de Santarém-PA.Os dados foram obtidos junto à Companhia Docas do Pará, no período de 2000 a 2017. Calcularam-se as médias diárias e mensais dos níveis com a finalidade de obter o ciclo anual do Rio Tapajós. Apesar de não haver estudos relacionados às terras caídas nas áreas de estudo, sabe-se que eventos de grandes cheias têm influência direta na sua magnitude e ocorrência

Desenvolvimento de Uma Sonda Atmosférica sem fio para Estudos Ambientais de Baixo Custo

This paper presents the development of a wireless atmospheric probe, designed to assist long-term environmental studies with limited financial resources. The work is based on the concept of Wireless Sensor Networks in which multiple sensors are arranged spatially in a particular region. Facilitating the monitoring of large areas without the need for large physical structures of communication and power, as cables and towers. The prototype, built with cheap material, captures temperature data, pressure and humidity, transmitting this information in real time to a remote receiver via radio frequency to a distance of 1 km. The prototype is also equipped with a photovoltaic system capable of guaranteeing energy independence, an essential factor for long-term studies. To evaluate the efficiency of the prototype, correlation tests were performed with a Metpak station II (Gill Instruments), to simulate the continuous operation of the sensors in situ. The tests show significant correlations between atmospheric pressure variables (98%), relative humidity (87%) and air temperature (97%). The tests ensure a good degree of reliability to the prototype; can serve as an alternative to environmental monitoring projects and Wireless Sensor Networks.Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma sonda atmosférica wireless, projetada para auxiliar estudos ambientais de longa duração com poucos recursos financeiros. O trabalho é baseado no conceito de Redes de Sensores Sem Fio, no qual vários sensores dispõem-se espacialmente dispersos em uma determinada região. Facilitando o monitoramento de vastas áreas sem a necessidade de grandes estruturas físicas de comunicação e energia, como cabos e torres. O protótipo, construído com material de baixo custo, capta dados de temperatura, pressão e umidade relativa do ar, transmitindo essas informações em tempo real a um receptor remoto via radiofrequência, a uma distância de até 1 km. O protótipo ainda é equipado com um sistema fotovoltaico, capaz de lhe garantir autonomia energética, fator imprescindível para estudos de longa duração. Para avaliar a eficiência do protótipo, foram realizados testes de correlação com uma estação METPAK II (Gill Instruments), visando simular o funcionamento contínuo dos sensores in situ. Os testes apresentam correlações significativas entre as variáveis de pressão atmosférica (98%), umidade relativa (87%) e temperatura do ar (97%). Os testes realizados garantem um bom grau de confiabilidade ao protótipo; podendo servir como alternativa para projetos de monitoramento ambiental e de Redes de Sensores Sem Fio

Concentração e fluxo de CO2 sobre o reservatório hidrelétrico de Balbina (AM)

The reservoir Balbina (59º 28’ 50w, 1º 53’ 25” S), located near the city of Manaus, Amazonas, in Central Amazônia, Brazil, is the second largest hydroelectric reservoir in an area located in the Amazon Basin. In this reservoir, CO2 measurements were performed at high frequency (10 Hz), CO2 flux with gas analyzer infrared (IRGA) coupled to a floating chamber and meteorological variables with a buoy instrumented to 2 m from the lake surface. The average CO2 concentration was 392 and 426 ppm for the day and night, respectively, and the daily average emission rate was 40.427±24.040 μmol-1.m-2.d-1. The accumulation of CO2 in the lake overnight, beyond respiration, shows to be affected by low wind speeds, waterside convection, physical processes involving high concentrations of CO2 for the surface and the presence of land breeze. The fluxes show no statistically significant difference with the meteorological variables and were considerably lower than a previous study for the same lake. However, the values are in agreement with other studies in Amazonian tropical lakes and other reservoirs. © 2017, ABES - Associacao Brasileira de Engenharia Sanitaria e Ambiental. All rights reserved

Variáveis hidroclimáticas associadas com eventos de El-Niño e La-Niña no reservatório hidrelétrico de Curuá-Una, Amazônia Central

The anomalies of Sea Surface Temperature (SST) influence rainfall and therefore the regime of the rise and fall in the level of the rivers in the Amazon region. The aim of this study was to investigate the influence of the El Nino-Southern Oscillation (ENSO) on hydroclimatic variables and identify the existence of trends on these variables in the Curuá-Una hydroelectric reservoir in the West of the State of Pará. It was used 27 years of monthly precipitation and water flow data to identify possible trends using a non-parametric test (Mann Kendall, p<0.05), and the standardized precipitation index (SPI) was also calculated. The results indicate a positive tendency of the influence of the ENSO on hydroclimatic variables, although it was observed that the rainfall did not increase over the period of 1977 to 2004. The SPI indicates that extreme events of precipitation are related to El Nino and La Nina and that lower precipitation periods were more intense in the decades of the 80´s and 90’s. The results show that El Nino events can directly affect the water balance at the micro-watershed of Curuá-Una, as was observed in 2015. © 2016, Instituto Nacional de Pesquisas da Amazonia. All rights reserved

Medições por Covariância de Vórtices Turbulentos dos Fluxos de Calor Latente, Sensível, Momentum e co2 sobre o Reservatório da Usina Hidrelétrica de Curuá-una – PA

Flux measurements of latent heat, sensible heat, momentum, and CO2 were performed from 15 to 26 June 2015 on the reservoir of the hydroelectric plant Curuá-Una (PA). The flux system is located upstream of the main channel of the reservoir and installed at 3 m above the water surface on a floating structure. The hydroelectric plant Curuá-Una was the first plant built in the Amazonia and it is in operation for almost 40 years. During installation, the vegetation around the river channel was not removed, which led to large emissions of greenhouse gases into the atmosphere. The wind speed was important to maintain turbulent mixing mechanically. Latent heat flux showed significant correlation with the wind velocity (r = 82%). As a result of the combined effect of turbulent mixing generated thermally and mechanically, the latent and sensible heat fluxes were positive throughout the investigation period and the atmospheric surface layer remained unstable. The CO2 flow was predominantly negative (84%), characterizing the reservoir as a CO2 sink.Medidas dos fluxos de calor latente, sensível, momentum e CO2 foram realizadas no período de 15 a 26 de junho de 2015 sobre o reservatório da Usina Hidrelétrica de Curuá-Una (PA). O sistema de fluxo está localizado a montante do canal principal do reservatório com altura de 3 m acima da superfície da água, instalado em uma estrutura flutuante. A Usina Hidrelétrica de Curuá-Una foi a primeira usina construída na Amazônia e está em funcionamento a quase 40 anos. Durante sua instalação, a vegetação ao redor do canal do rio não foi retirada, o que levou a grandes emissões de gases de efeito estufa para atmosfera. A velocidade do vento foi considerável para manter uma mistura turbulenta mecanicamente. O fluxo de calor latente apresentou correlação significativa com a velocidade do vento (r = 82%). Como consequência do efeito combinado da mistura turbulenta gerada termicamente e mecanicamente os fluxos de calor latente e sensível foram positivos durante todo o período investigado e a camada superficial atmosférica manteve-se instável. O fluxo de CO2 foi dominantemente negativo (84%) caracterizando o reservatório como sumidouro de CO2

Características Médias do Vento acima e abaixo do Dossel da Floresta durante o Goamazon em um Sítio Experimental na Amazônia

The aim of this study was to evaluate the temporal evolution of average characteristics of the vertical profiles of speed and direction above and within of the forest canopy at the Cuieiras experimental site, located about 100 km from the Manaus, Amazonas state, Brazil. We used about 10 months of half-hourly averaged data from 10 sonic anemometers installed at different levels above and within the forest canopy during GoAmazon project in 2014. We found that the vertical wind speed profile varied with the various layers above and below the forest canopy, describing an S-shape type, a form determined by physical obstructions imposed by vertical heterogeneity of the canopy. The predominant wind directions were not constant with height, suggesting that very local circulations can influence the subcanopy flow.O objetivo deste trabalho foi avaliar as características médias da evolução temporal do perfil vertical da velocidade e direção do vento acima e abaixo do dossel da floresta no sítio experimental do Cuieiras, localizado cerca de 100 Km da cidade Manaus, estado do Amazonas, Brasil. Para tanto, foram utilizados aproximadamente 10 meses de dados de 10 anemômetros sônicos instalados em diferentes níveis acima e abaixo do dossel da floresta, durante o projeto GoAmazon, no ano de 2014 . Analisando o conjunto de dados, por meio de médias para cada 30 minutos diários de todo período estudado, foi possível observar que o perfil vertical da velocidade do vento varia de acordo com as diferentes camadas acima e abaixo do dossel da floresta e possui uma forma tipo “S”, definida pelas obstruções físicas impostas pela heterogeneidade vertical da floresta. As direções predominantes do vento não são constantes com a altura, sugerindo que circulações locais podem influenciar o escoamento no sítio experimental estudado

Intra- and interannual changes in isoprene emission from central Amazonia

Isoprene emissions are a key component in biosphere-atmosphere interactions, and the most significant global source is the Amazon rainforest. However, intra- and interannual variations in biological and environmental factors that regulate isoprene emission from Amazonia are not well understood and, thereby, are poorly represented in models. Here, with datasets covering several years of measurements at the Amazon Tall Tower Observatory (ATTO) in central Amazonia, Brazil, we (1) quantified canopy profiles of isoprene mixing ratios across seasons of normal and anomalous years and related them to the main drivers of isoprene emission - solar radiation, temperature, and leaf phenology; (2) evaluated the effect of leaf age on the magnitude of the isoprene emission factor (Es) from different tree species and scaled up to canopy with intra- and interannual leaf age distribution derived by a phenocam; and (3) adapted the leaf age algorithm from the Model of Emissions of Gases and Aerosols from Nature (MEGAN) with observed changes in Es across leaf ages. Our results showed that the variability in isoprene mixing ratios was higher between seasons (max during the dry-to-wet transition seasons) than between years, with values from the extreme 2015 El Niño year not significantly higher than in normal years. In addition, model runs considering in situ observations of canopy Es and the modification on the leaf age algorithm with leaf-level observations of Es presented considerable improvements in the simulated isoprene flux. This shows that MEGAN estimates of isoprene emission can be improved when biological processes are mechanistically incorporated into the model.This research was supported by the German Federal Ministry of Education and Research, BMBF funds 01LB1001A; Brazilian Ministry of Science, Technology, Innovation and Communication; FINEP/MCTIC contract 01.11.01248.00); UEA; FAPEAM; LBA/INPA; and SDS/CEUC/RDS-Uatumã. It was also supported by grant nos. NSF-PRFB-1711997 and NSF-1754163. The article processing charges for this open-access publication were covered by the Max Planck Society.Peer reviewe