ESTUDO DA CAMADA LIMITE PLANETÁRIA SOBRE REGIÕES COM TOPOGRAFIA COMPLEXA E OCUPAÇÃO DO SOLO HETEROGÊNEA Amauri Pereira de Oliveira Grupo de Micrometeorologia Departamento de Ciências Atmosféricas IAG USP

Objetivo Descrever as pesquisas realizadas pelo Grupo de Micrometeorologia do IAG sobre a camada limite planetária sobre regiões com topografia complexa e ocupação do solo heterogênea.

Tópicos Camada Limite Planetária Camada Limite Urbana Camada Limite Rural Camada Limite Oceânica

1. Camada Limite Planetária

Motivação A Camada Limite Planetária (CLP) é a região turbulenta da atmosfera que está em contato direto com a superfície. A maior parte das atividades humanas são desenvolvidas. Grande parte das fontes naturais e antropogênicas de gases e material particulado.

Motivação O atual estágio do conhecimento da turbulência impede que os processos micrometeorológicos presentes na camada limite planetária sejam descritos através de uma única teoria universal, com detalhe suficiente para aplicações meteorológicas, ambientais e tecnológicas.

Micrometeorologia trata dos fenômenos de pequena escala

Localização da CLP

Turbulência é descrita do ponto de vista estatístico através da Mecânica Estática dos Fluidos. Monin. A.S. and Yaglom, A.M., 1971: Statistical Fluid Mechanics, Vol. 1, Massachussets: MIT Press, 769 pp.

Estágio atual Lumley, J. L. and Yaglom, A. M., 2001: A century of turbulence. Flow. Turbulence and Combustion, 66, 241-286.

O que sabemos sobre o comportamento da CLP?

Caracterização da CLP O conhecimento existente sobre a CLP está baseado, em grande parte, no conhecimento adquirido em laboratório com os estudos das camadas limites turbulentas que se formam sobre superfícies rígidas (Raupach et al., 1991).

Caracterização da CLP Segundo estes estudos, o escoamento turbulento pode ser divido em camadas adjacentes onde a turbulência apresenta comportamentos distintos e idealizados.

Camada limite turbulenta Monin and Yaglom, 1971

O comportamento do perfil vertical de velocidade média indica a presença de duas camadas Logarítmico Linear Monin and Yaglom (1971)

Característica da CLP Topografia plana; Superfície homogênea; Ausência de distúrbios de escalas maiores do que a micrometeorológica.

Evolução temporal da CLP Baseado em Stull (1988).

Vórtices - CLP convectiva - Dia

Estrutura vertical da CLP: Dia Zi = Altura da CLP

Vórtices - CLP estável - Noite

Estrutura vertical da CLP - Noite h = Altura da CLP

Problema atual Topografia complexa Superfícies não homogêneas Superfícies não rígidas Distúrbios de escala maiores do que a micrometeorológica

Regiões complexas de interesse Urbana Rural Oceânica

CLP urbana Fonte: Fernando et al. (2001).

CLP urbana

CLP rural

Efeito topográfico Adveção confere um carácter não local a turbulência. Fonte: Hunt et al., 2003

CLP oceânica (Sjöblom e Smedan, 2003)

2. Camada limite urbana

Plataforma micrometeorológica

Plataforma Micrometeorológica Início Abril de 1994; Quantificar os fluxos de energia, momento e massa entre a atmosfera e a superfície; Estimar as propriedades da CLP urbana; Dados disponibilizados para pesquisa.

Descrição da radiação solar na Cidade de São Paulo Oliveira, A.P., Escobedo, J. F., Machado, A. J., and Soares, J., 2002: Diurnal evolution of solar radiation at the surface in the City of São Paulo: seasonal variation and modeling. Theoretical and Applied Climatology, 71(3-4), 231-249.

Modelos de radiação difusa Soares, J, Oliveira, A.P., Boznar, M.Z., Mlakar, P., Escobedo, J.F. and Machado, A.J., 2004: Modeling hourly diffuse solar radiation in the city of São Paulo using neural network technique. Applied Energy, 79, 201-214. Oliveira, A.P., Escobedo, J. F., Machado, A. J., and Soares, J., 2002: Correlation models of diffuse solar radiation applied to the City of São Paulo (Brazil). Applied Energy, 71(1), 59-73.

Variação regional radiação solar Codato, G., Oliveira, A. P., Soares, J, Escobedo, J.F., Gomes, E. N., and Pai, A. D., 2008: Global and diffuse solar irradiances in urban and rural areas in southeast of Brazil, Theoretical and Applied Climatology, 93, 57-73.

Radiação de onda longa emitida pela atmosfera na superfície

Simulação numérica da CLP em São Paulo usando modelo LES (Large Eddy Simulation) Marques Filho, E.P., 2004: Investigação da CLP convectiva com modelo LES aplicado a dispersão de poluentes. Tese de Doutorado. Departamento de Ciências Atmosféricas. Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas. Universidade de São Paulo. São Paulo. SP. Brasil. 128 pp. Codato. G., 2008: Simulação numérica da evolução diurna do monóxido de carbono na camada limite planetária sobre a RMSP com modelo LES. Dissertação de Mestrado. Departamento de Ciências Atmosféricas, Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas, Universidade de São Paulo, São Paulo, SP, Brasil, 94 pp.

Modelo LES Equações do movimento média de volume; Resolve os movimentos turbulentos de escala de comprimento maior do que a grade; Os efeitos associados aos movimentos turbulentos de escala menor do que a dimensão da grade são parametrizados.

Simulação da CLP com LES Corrente ascendente Fonte: Marques Filho (2004)

Simulação com LES

Altura de CLP - LES

Monóxido de carbono - LES

Evolução diurna CO - RMSP

3. Camada limite rural

Projeto Iperó Torre micrometeorológica Balão cativo Sensores de radiação Torre micrometeorológica Balão cativo Abrigo Meteorológico

Localização e Topografia Estado de São Paulo 550 m 120 km do litoral 200 km x 200 km Serra do mar Vale do rio Tietê 50 km x 50 km Morro de Araçoiaba (300m) Vale do rio Sorocaba

Jatos de baixos níveis Direção: E-SE Altura: 300-400 m

Oscilação diurna do vento na superfície Inverno Dia: N-NW Noite: S-SE Verão Dia: N-NW Noite: S-SE

Efeito topográfico Vento Anabático Brisa Marítima CEA Corte vertical na direção NW-SE passando por CEA NW SE Serra do Mar Vento Anabático Brisa Marítima CEA Pantanal Rio Paraná Oceano Atlântico

Modelo de fechamento de segunda ordem Médias Turbulentas Domínio: 3500 m Log-linear (resolução variando de 10 a 50m) Alternada

Modelo fechamento de segunda ordem

Modelo fechamento de segunda ordem

Modelo fechamento de segunda ordem

Esquema ISBA

Esquema ISBA Vermelho - Modelo

Jatos de baixos níveis

4. CLP Oceânica

Projeto FluTuA Objetivo: medir fluxos turbulentos sobre o oceano Atlântico Torre micrometeorológica

Treinamento sobrevivência 2001

Projeto FluTuA Campanha 2002

Projeto FluTuA Campanha 2002

Radiação líquida sobre o Atlantico Bacellar, S., Oliveira, A.P., Soares, J., and Servain, J., 2008: Assessing the diurnal evolution surface radiation balance over the Tropical Atlantic Ocean using in situ measurements carried out during the FluTuA Project. Meteorological Application (Aceito).

FluTuA - Campanha de 2004 16 m Teleférico

Projeto FluTuA – Campanha 2007

Página do Grupo de Micrometeorologia http://www. iag. usp