CAXIUANÃ’S FOREST CANOPY INFLUENCE ON THE HEAT FLUXES BETWEEN THE SOIL AND THE ATMOSPHERE INFLUÊNCIA DO DOSSEL DA FLORESTA DE CAXIUANÃ NOS FLUXOS DE CALOR ENTRE O SOLO E A ATMOSFERA Glauber Guimarães Cirino José Ricardo Santos de Souza Simone N. Rodrigues da Silva

1. INTRODUÇÃO Um problema climatológico da mais alta importância, associado a processos de transporte turbulento na atmosfera, consiste na avaliação da influência que as florestas exercem sobre o clima. Estas influências, originam-se da relativa obstrução oferecida pelas copas das árvores aos fluxos verticais de energia entre a atmosfera e a superfície da terra, Smith (1975).

2. OBJETIVOS O efeito da superfície rugosa de floresta no comportamento dos fluxos de calor, abaixo e acima do dossel médio; A existência ou não de acoplamento dos fluxos de calor entre as 2 (duas) camadas estudadas – 8 a 30 e 30 a 52 metros de altura, em meses representativos dos períodos seco e chuvoso, separados anualmente pela chegada da - ZCIT - sobre a floresta de Caxiuanã. Desenvolver metodologia que possa preencher as lacunas de dados deixado pelo método de vórtices turbulentos, quando utilizado por um longo período de tempo.

3. MATERIAIS E MÉTODOS 3.1. localização e clima Caxiuanã - (latitude 01° 42’ e 30” S e longitude 51° 31’ e 45” W); Essa reserva é constituída, em 80 % de sua área por floresta densa de terra firme, com dossel médio de 30 m de altura, porém algumas árvores chegam a 50 m. O clima segundo o modelo climático de Köppen é do tiopo Am, ou seja, clima tropical de monção, com breve estação seca e chuvas intensas durante o resto do ano.

Figura 2.1 – Mapa de localização da reserva florestal de Caxiuanã Fonte: Milênio LBA

3.2. Instrumentação e coleta de dados Os dados utilizados foram obtidos através de uma estação automática, a qual foi instalada no topo de uma torre micrometeorológica de 57 metros de altura sobre a floresta. A temperatura do ar foi medida nos níveis de 1, 8, 16, 30, 40, 43 e 52 metros de altura acima do solo.

Figura 2.3 - Torre micrometeorológica Edisol - 52 m Radiação Solar + Precipitação Pluviométrica - 52 m Temperatura do Ar nos níveis - 1, 8, 16, 30, 40, 43 and 52 m

Sistema III de coleta de dados Imagem 7 Anemômetro sônico R3 (Gill) no nível de 52 m. LICOR – LI 7500 - Dióxido de Carbono (CO2) e Vapor d’água (H2O) - 52m

3.3 Estimativa de fluxos de calor 3.3.1. Método das Covariâncias (medida direta) Vantagem – Calcula “diretamente” os fluxos de energia (calor latente, sensível, fluxo de momento e fluxo de carbono (CO2); Opera com anemômetro sônico (alta precisão) e um analisador de gás infravermelho; Registra micro flutuações turbulentas. Desvantagem – Exige sofisticados sensores de resposta rápida; As medições, são mais exatas quando o vento, a temperatura, a umidade e o CO2 não variam muito abruptamente; A Vegetação subjacente deve ser homogênea, situada em terreno plano de grande extensão.

O método das covariâncias (Correlação Turbulenta), o qual oferece medição direta dos fluxos turbulentos, ainda traz a possibilidade de sua ampla utilização, discutível, com defensores como McNEIL e Shuttleworth (1975) e opositores moderados como Spittlehouse e Black (1979). Apesar de calcular diretamente os fluxos, o método exige sofisticados sensores de resposta rápida para registrar flutuações turbulentas, o que vem dificultando sua larga aplicação.

3.3.1. Método do Gradiente (medida indireta) Vantagem – Calcula fluxos de energia sem a necessidade de sensores de resposta rápida; Podem ser utilizados para preencher lacunas de dados deixados pelo método das covariâncias; Os fluxos de energia podem ser estimados em mais de uma camada. Desvantagem – Não é muito indicado para estimar fluxos turbulentos em condições muito estáveis na camada superficial; A interação de ondas de gravidade com a turbulência tornam o método do gradiente inadequado para estimativa de fluxos de momento.

3.3.2.1. Equações utilizadas

Table 2.1 – Average bi hourly values of the sensible heat and specific humidity conductances. Dry and Rainy periods, Caxiuanã forest-PA-Brazil.

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO 4. 1 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO 4.1. Temperatura do ar (período chuvoso e menos chuvoso) Na comparação entre as duas estações estudadas, os perfis verticais de temperatura do ar se conservam bem semelhantes, com gradientes térmicos menores na estação chuvosa. Isso ocorre basicamente durante os dias e as noites. Porém, ao longo dos dias da estação chuvosa, na camada de 16 a 30 m, quase não houve gradiente térmico, ou seja, os níveis de 16 e 30 m apresentaram temperatura praticamente iguais, entretanto, na estação seca o nível de 16 m se mostrou bem mais aquecido que o nível de 30 m, com gradiente térmico aproximado de 2 °C, nessa camada.

Figura 3.1 c – Médias horárias das temperaturas do ar em 7 níveis de altura acima do solo, na floresta de Caxiuanã. Agosto de 2005.

Figura 3.1 c – Médias horárias das temperaturas do ar em 7 níveis de altura acima do solo, na floresta de Caxiuanã. Agosto de 2005.

Figura 3.1 c – Médias horárias das temperaturas do ar em 7 níveis de altura acima do solo, na floresta de Caxiuanã. Agosto de 2005.

Figura 3.2 - Gradientes médios de temperatura do ar na floresta de Caxiuanã. Períodos: diurno (06 – 18h) e noturno de (19 – 06h), chuvoso (abril de 2005) e menos chuvoso (agosto de 2005).

4.2 Fluxos de calor estimado (método do gradiente) Os fluxos de calor nos dois períodos e nas duas camadas analisadas se mostraram relativamente próximos dos valores obtidos pelo edisol.

Figura 3.4 c - fluxos de calor latente médios horários estimados pelo método do gradiente em 2 camadas e medido pelo edisol em 52 m de altura. Abril de 2005.

Figura 3.4 d - fluxos de calor latente médios horários estimados pelo método do gradiente em 2 camadas e medido pelo edisol em 52 m de altura. Agosto de 2005.

Figura (3.4a) - fluxos de calor sensível médios horários estimados pelo método do gradiente em 2 camadas e medido pelo edisol em 52 m de altura. Abril de 2005.

Figura (3.4b) - fluxos de calor sensível médios horários estimados pelo método do gradiente em 2 camadas e medido pelo edisol em 52 m de altura. Agosto de 2005.

4.3. Saldo de Radiação incidente – Rn (ondas curtas) Conforme a Figura 4a e 4b, observou-se através da média do saldo de radiação incidente e média dos fluxos de calor, que o saldo de radiação foi superior a soma dos fluxos (calor latente e sensível) das camadas nos dois períodos (seco e chuvoso). Na comparação desses fluxos com o saldo de radiação, a soma de FH e FLE nos períodos estudados chega a 90% de todo o saldo de radiação incidente.

Figura (3.5a) – Saldo da radiação incidente em (ondas curtas) e soma dos fluxos de calor medido pelo edisol e estimado pelo método do gradiente na floresta de Caxiuanã. Estação chuvosa (abril de 2005).

Figura (3.5b) – Saldo da radiação incidente em (ondas curtas) e soma dos fluxos de calor medido pelo edisol e estimado pelo método do gradiente na floresta de Caxiuanã. Estação menos chuvosa (agosto de 2005).

Figura (3. 6a) - Distribuição percentual da energia em Caxiuanã Figura (3.6a) - Distribuição percentual da energia em Caxiuanã. Abril /2005.

Figura (3. 6b) - Distribuição percentual da energia em Caxiuanã Figura (3.6b) - Distribuição percentual da energia em Caxiuanã. Agosto /2005.

5. CONCLUSÕES Gradientes verticais de temperatura e fluxos de calor (sensível e latente), tem comportamento distintos e freqüentemente divergente; Durante as hora de radiação solar diária o dossel da floresta comporta-se como uma superfície conversora da radiação incidente em calor

5. CONCLUSÕES cont... Durante a noite o dossel se resfria e passa a receber calor tanto do solo como do ar, acima do mesmo. Esse efeito é menos notável nas horas de dia claro no período chuvoso. Os resultados sugerem que se deva dar mais atenção nos processos de trocas energéticas por fluxos de calor, em vegetação de alto porte (floresta), entre o solo e atmosfera.

AGRADECIMENTOS Esta pesquisa esta sendo financiada pelo CNPq / Instituto Milênio (Processo 420199/2005-5) e pela SECTAM / PRONEX. Os autores agradecem a todos os participantes do Experimento CiMeLa, em particular ao Dr. Leonardo Deane de Abreu Sá, e ao MPEG que proporcionou todas as facilidades para o bom andamento deste Experimento.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS SÁ, L. D. DE ABREU. Um estudo sobre a estrutura do vento acima da savana tropical. 1982. 108 p. São José dos Campos, SP: INPE. Dissertação (Mestrado em Meteorologia) - Instituto Nacional de Pesquisas Especiais. ARRUDA, J. C. (2006). Aplicação de três metodologia para estimar o fluxo de calor latente em floresta de transição. n.3b , v.21 (Especial LBA), 233-240. AVISSAR, R. (1991). A statistical-dynamical approach to parametrize subgrid-scale land-surface heterogeneity in climatae models. Surveys in Geophysics , v.12, p.155-178. AYOADE, J. O. (2006). Introdução à climatologia para os trópicos (11 ed.). (A. Christofoletti, Ed., & M. J. Santos, Trad.) Rio de Janeiro, RJ, Brasil: Bertrand Brasil. 

BALDOCCHI, D. D. (2003). Assessing the eddy covariance techniqe for evaluating carbon dioxide exchange rates of ecosystems; past, present and future. Global Change Biology , v.9, 479-492. BASTABLE, H. G.; SHUTTLEWORTH, W. J.; DALLAROSA, R. G. L.; FISCH, G.; NOBRE, C.J. (1993). Observations of climate, albedo, and surface radiation overcleared and undisturbed Amazonian forest. International Journal of Climatology , v.13, 783-796. DA ROCHA, H. R.; GOULDEN, M. L.; MILLER, S. D.; MENTON, M. C.; PINTO, L. D. V. O.; FREITAS, H. C. DE F.; FIGUEIRA, A. M. S. (2003). Seasonnality of water and heat fluxes over a tropical Forest in eastern Amazonia. Ecological Application LBA Special Issue. no prelo. ELSTON, J.; MONTEITH, J. L. (1975). Micrometeorology and ecology. In: J. L. Monteith, Vegetation and the atmosphere (Vols. 1, cap. 1, pp. 1-12). London Academic.

FEARNSIDE, P. M. (1989). Deforestation in brazilian Amazonian. In: G. M. WOODWELL, The earth in transition: patterns and processes of biotic improverishment (p. p. 11). New York, USA: Cambridge University Press. FINNIGAN, J. (2000). Turbulence in plant canopies. Annu. Rev. Fluid Mech , v.32, p. 519-571. GRACE, J. (1992). Modelling energy flows and surface temperatures over forest and savana. In: P. A. Furley, Nature and Dynamics of Forest-Savanna Boundaries, Chapman and Hall (pp. 551-568). New York, NY, USA: Coutrix. KATUL, G.; ALBERTSON, J.; WIBER, P.; HORNBERGER, G. (2002). A mixing layer theory for flow resistance in shallow streams. Water Resources Research , v. 38 (n. 11), p. 1251-1257. 

KELLER, M. ; ALENCAR, A. ; ASNER, G. P. ; BRASWELL, B. ; BUSTAMANTE, M KELLER, M.; ALENCAR, A.; ASNER, G. P.; BRASWELL, B.; BUSTAMANTE, M.; DAVIDSON, ERIC; FELDPAUSCH, T.; FERNANDES, E.; GOUDEN, M.; KABAT, P.; KRUIJT, B.; LUIZÃO, F.; MILLER, S.; MARKEWITZ, DANIEL; NOBRE, C. A.; PRIANTEFILHO, N.; ROCHA, H.; DIAS, P. S.; RANDOW, C. V.; VOURLITIS, G. L. (2003). Ecological Reserach in the Large Scale Biosphere Atmosphere experiment in Amazônia (LBA): A Discussion of Early Results. Ecological Aplication - LBA Special Issue, no prelo. KREITH, F. (2003). Princípios de transferência de calor. (A. Tasks, Trad.) São Paulo, SP, Brasil: Pioneira Thomson Learning. LISBOA, P. L. B.; SILVA, A. S. L. & ALMEIDA. (1997). Florística e estrutura dos ambientes. In: LISBOA, P. L. B. (org.). Caxiuanã, Belém, Museu Paraense Emílio Goeldi, p. 163-183.  

LEUNING, R. ; MONCRIEFF, J. (1990) LEUNING, R.; MONCRIEFF, J. (1990). Eddy covariance CO2 flux measurements using open and closed-path Co2 analyzers: corrections for analyzer water vapor sensitivity and damping fluctuations in air sampling tubes. Boundary Layer Meteorology , v.53, 63-76. MARTH, L.; SUN, J.; BLUMEN, W.; DELANY, T.; ONCLEY, S. (1998). Nocturnal Boundary-Layer Regimes. Boundary-Layer Meteorology (88), p.255-278. McMILLEN, R. T. (1988). An eddy correlation technique with extended applicability to non-simple terrain. Boundary-Layer Meteorology , v.43, 231-245. McNEIL, D.; SHUTTLEWORTH, W. J. (1975). Comparative measurements of the energy fluxes over a pine forest. Boundary-Layer Meteorology , v. 9, p. 297-313.  

MONIN, A. S.; YAGLOM, A. M. (1975). Statistical Fluid Mechanics: Mechanics of Turbulence (Vol. 2). Cambridge, USA: The Mit Press. MORAES, J. C.; COSTA, J. DE P. R.; ROCHA, E. J. P. & SILVA, I. M. O. (1997). Estudos hidrometeorologicos na bacia do rio Caxiuanã. In: Lisboa, P. L. B. (org.). CNPq / Museu Paraense Emílio Goeldi, Belém, p. 85-95 MORAN, E. F.; BRONDIZIO, E.; MAUSEL, P.; WU, Y. (1994). Integrating Amazonian vegetation, land-use, and satellite data. BioScience , 329-338. NEPSTAD, D. C., A. VERÍSSIMO, A. ALENCAR, C. NOBRE, E. LIMA, P. LEFEBVRE, P. SCHLESINGER, C. POTTER, P. MOUTINHO, E. MENDOZA, M. COCHRANE, AND V. BROOKS. (199). Large-scale impoverishment of Amazonian forest by logging and fire. Nature , v.398, 505-508.  

NOBRE, C. A. , FISCH, G. , DA ROCHA, H. R. , LYRA, R. F. DA F NOBRE, C. A., FISCH, G., DA ROCHA, H. R., LYRA, R. F. DA F., DA ROCHA, E. P., A. DA COSTA, C. L., UBARANA, V. N. (1996). Observations of the atmospheric boundary layer growth in Rondonia. In: C. A. J. H. C. Gash, Amazonian deforestation and climate. (pp. 413-424). New York: J. M. Wiley and Sons. NOBRE, C. A.; SELLERS, P. J.; SHULKA, J. (1991). Amazonian deforestation and regional climate change. J. Climate, v.4, p. 957-988. POLCHER, J.; LAVAL, K. (1994). The impact of African and Amazonian deforestation on tropical climate. Journal of Hydrology, v.155, p. 389-405.  

PRIANTE FILHO, N. ; HAYASHI, M. M. S. ; NOGUEIRA, J. S PRIANTE FILHO, N.; HAYASHI, M. M. S.; NOGUEIRA, J. S.; CAMPELO JUNIOR, J. H.; NUNES, P. C., SOUZA, L. S. E.; COUTO, E. G.; HOEGER, W.; RAITER, F.; TRIENWEILER, J. L.; MIRANDA, E. J.; PRIANTE, P. C.; PREIRA, L. C.; BIUDES, M. S.; FRITZEN, C. L; LACERDA, M.; SULI, G. S.; SHIRAIWA, S.; MARCELINHO, T. H.; SILVEIRA, M.; VOURLITIS, G. L. (2004). Comparison of the Mass and energy Exchange of Pasture and Mature Transitional Tropical Forest of a Pasture and a Mature Transitional Tropical forest of a Southern Amazon Bazin During the Wet-dry Season Transition, Urbana- IL, USA. PRIESTLEY, C. H. B.; TAYLOR, R. J. (1972). On the assessment of surface heat flux and evaporation using large-scale parameters. Monthly Weather Review, v. 100, p. 81-92. SANTOS, N. M.; COSTA, M. H.; COSTA, J. M. N. (2002). Simulação do fluxo de energia para a floresta de Caxiuanã, no estado do Pará. XII Congresso Brasileiro de Meteorologia, Foz de Iguaçu - PR.

SKOLE, D. L.; TUCKER, C. J. (1993). Tropical deforestation and habitat fragmentation in the Amazon: Satellite data from 1978 to 1988. Science, v.260, p. 1905-1910. SMITH, K. (1975). Climate and agriculture. In: Principles of applied climatology. London, McGraw-Hill, cap. 4, p. 85-115. SOUZA FILHO, J.D.C. (2002). Variação Sazonal dos componentes do balanço de radiação e energia sobre a floresta de Caxiuanã. Viçosa, MG: UFV. Dissertação (Mestrado em Meteorologia Agrícola) - Universidade Federal de Viçosa. SPITTLEHOUSE, D. L.; BLACK, T. A. (1979). Determination of forest evapotranspiration using Bowen ratio and eddy correlation measurements. Journal of Applied Meteorology, v. 18(5), p. 647-653.

THOM, A. S. ; STEWART, J. L. , ed. (1975) THOM, A. S.; STEWART, J. L., ed. (1975). Momentum, mass and heat exchange of plant communities. In: MONTEITH, J. L., ed. Vegetation and atmosphere. London, Academic, v. 1, cap 3, p. 57-109. VOURLITIS, G. L. N.; PRIANTE FILHO, HAYASHI M. M. S.; NOGUEIRA, J. S.; CASEIRO, F. T.; CAMPELO JUNIOR, J. H. (2002). Seasonal variations in the evapotranspiration of a transitional tropical forest of Mato Grosso, Brasil. Water Resources Research, v.38, p. 6. VOURLITIS, G. L, PRIANTE FILHO, N., HAYASHI, M. M. S.; NOGUEIRA, J. S., RAITER, F., HOEGEL, W., CAMPELO JÚNIOR, J. H. (2003). The role of seasonal variations in meteorology on the net CO2 exchange of a Brazilian transitional tropical forest. Ecological Application (no prelo).

VOURLITIS, G. L. ; PRIANTE FILHO, N. ; HAYASHI, M. M. S. ; NOGUEIRA, J VOURLITIS, G. L.; PRIANTE FILHO, N.; HAYASHI, M. M. S.; NOGUEIRA, J. S.; CASEIRO, F. T.; CAMPLEO JÚNIOR, J. H. (2001). Seasonal variations in the net ecosystem CO2 exchange of a mature Amazon tropical transitional forest (cerradão). Functional Ecology, v. 15, p. 388-395. WEBB, E. K. (1965). Aerial microclimate. In: American Meteorological Society. Agricultural Meteorology, Boston. cap. 2, p. 27-58. (Meteorological Monographs, v. 6, n. 28) WESSON, K.H.; KATUL, G.; LAI, C. T. Sensible heat flux estimation by flux variance and halforder time derivative methods. Water Resources Researcher, v. 37, n°. 9, p. 2333-2343, setembro de 2001.

WRIGHT, I. R. ; GASH, J. H. C. ; DA ROCHA. H. R. ; SHUTTLEWORTH, W. J WRIGHT, I. R.; GASH, J. H. C.; DA ROCHA. H. R.; SHUTTLEWORTH, W. J.; NOBRE, C. A.; MAITELLI, G. T.; ZAMPARONI, C. A. G. P.; CARHAHO, P. R. A. (1992). Dry season micrometeorology of central Amazonian ranchland. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, v. 118, p. 1083-1099. XUE, Y.; BASTABLE, H. G.; DIRMEYER, P. A.; SELLERS, P. J. (1996). Sensitivity of simulated surface parametrizations-A Study using ABRACOS data. Journal of Applied Meteorology, v. 35, p. 386-400.

Obrigado !