Teorias de Camada Límite Atmosférica : modelo de crescimento, fluxo de entranhamento e análise espectral

Abstract

Resumo: O presente estudo visou avaliar algumas teorias de camada limite atmosférica (CLA) em dois conjuntos distintos de dados: um medido por um veículo aéreo não-tripulado (VANT) em Tijucas do Sul/PR e outro medido por radiossondas no experimento FIFE, no estado do Kansas/EUA. Foram utilizados os perfis verticias de temperatura virtual potencial e os fluxos superficiais de calor obtidos nos dois experimentos para avaliar o crescimento da CLA, o fluxo de entranhamento de calor no seu topo e os espectros de temperatura potencial ao longo da CLA. Foi desenvolvida uma nova técnica de estimativa do fluxo de entranhamento de calor que ajusta a equação do perfil vertical de concentração média de um escalar na CLA, proposto por Wyngaard e Brost (1984), aos perfis medidos, e assim obtém-se o fluxo de entranhamento para aquele perfil. Foi observado também o modelo de crescimento da CLA salto de ordem zero, que utiliza dados de superfície (fluxo de calor e velocidade de atrito do vento) e o gradiente vertical de temperatura potencial acima da inversão para estimar a altura da CLA diurna. Os dados estimados foram comparados com os observados para os dois conjuntos de dados utilizados, obtendo-se resultados satisfatórios. Além disso, para os dados do experimento FIFE foi observada a presença de uma camada residual no início de alguns dos dias avaliados, e a consideração de sua presença no modelo de crescimento da CLA através do seu gradiente de temperatura potencial foi proposta, obtendo-se resultados satisfatórios e similares aos obtidos em dias sem a camada residual. Por fim, foram observados os espectros de temperatura potencial obtidos nos perfis verticais de Tijucas do Sul/PR, que apresentaram um comportamento similar à faixa inercial proposta por Kolmogorov, um indício de que pode ser estimada uma taxa de dissipação de energia média para a CLA, e foi proposta uma equação de similaridade entre uma função adimensional da taxa de dissipação e ??zi=L (altura da CLA e comprimento de Obukhov). Os resultados obtidos nesse trabalho permitiram validar o uso de VANT em medições da CLA, a consideração da camada residual no modelo de crescimento da CLA e uma nova estimativa de fluxos de entranhamento de calor a partir de perfis verticais de temperatura potencial e dados de superfície.

Abstract: In this work, we assess some theories about the atmospheric boundary layer (ABL) using two data sets: the first was measured by an unmanned aerial vehicle (UAV) flying from an experimental site at Tijucas do Sul, PR, Brazil, and the second consists mainly of radiossoundings from the FIFE expriment in Kansas, USA. In both cases, besides virtual potential temperature profiles of the ABL, surface virtual sensible heat fluxes were available. This allowed the experimental determination of ABL growth rates, as well as the application of ABL growth models. With the relatively high-frequency UAV data it was also possible to measure temperature spectra. A new technique to estimate the entrainment flux at the top of the ABL was developed based on the mean scalar profiles that result from Wyngaard e Brost (1984)'s top-down, bottom-up theory. A simple zeroth-order model for the ABL growth was applied, whose input data include surface virtual sensible heat fluxes and the lapse rate above the virtual temperature inversion, with satisfactory results for both datasets. A simple but effective change was proposed for the growth model by adopting a variable lapse rate over the inversion, which improved the results significantly. In particular, the growth of the mixed layer in the presence of a residual layer is much better modeled. Finally, the temperature spectra measured by the UAV showed a distinctive inertial subrange in agreement with the classical theories. This allowed the estimate of a dissipation function involving the mean TKE (turbulence kinetic energy) and temperature variance dissipation rates that, once normalized by the convective velocity and temperature scales, obeys zi=L scaling. The results thus obtained give support to the use of UAVs as measuring tools in the ABL.