Desenvolvimento de um VANT (Veículo Aéreo Não Tripulado) para monitoramento da camada-limite atmosférica e análise do modelo integral para cálculo de fluxo superficial de calor sensível

Abstract

Resumo: Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um veículo aéreo não-tripulado (VANT) para monitoramento da camada-limite atmosférica (CLA), com medições do perfil de temperatura, umidade e pressão. O sistema tem capacidade de contribuir em diversas aplicações em engenharia ambiental, meteorologia, hidrologia e qualidade do ar. A consolidação do VANT compreendeu mais de três anos de testes em campo e laboratório, com três aeronaves diferentes e diversos equipamentos utilizados até se chegar ao Aerolemma-3: um conjunto aeronave-sensores capaz de fornecer voos seguros e medir o perfil atmosférico em alta resolução espacial e temporal. O desenvolvimento experimental envolveu soluções de diversos problemas, tais como tamanho e peso das aeronaves, espaço e capacidade de carga para instalação de equipamentos, comunicação da aeronave com a estação-base, guiagem remota e autônoma, influências da fuselagem e do motor do VANT nas medições, disposição e tempo de resposta dos sensores. Quesitos de segurança e autorizações para os voos foram outros desafios. Os perfis de temperatura e umidade obtidos pelo VANT sugeriram o uso invertido dos modelos integrais para se obter o fluxo de calor sensível superficial. Na falta de boas medições de fluxos superficiais no sítio experimental do VANT, recorreu-se aos dados do FIFE (First International Satellite Land Surface Climatology Project Field Experiment), experimento micrometeorológico intensivo realizado nos Estados Unidos nos anos de 1987 e 1989. Desse experimento foram utilizados dados de radiossondagens e medições superficiais de fluxos de covariâncias em quantidade suficiente para avaliar o desempenho do modelo integral invertido. Foram avaliadas diversas parametrizações a fim de indicar as potencialidades e restrições quanto ao uso de dados do perfil da CLA para cálculo do fluxo superficial.

Abstract: This work presents the development of an unmanned aerial vehicle (UAV) for monitoring the boundary-layer meteorology (BLM), with measurements of temperature, humidity and pressure profiles. The system has the capacity to contribute in several areas, such as environmental engineering, meteorology, hydrology and air quality. The consolidation of UAV took more than three years of testing in field and laboratory with three different aircraft and a lot of equipments used to get to the Aerolemma -3: an aircraft-sensors system able to provide safe flights and measure atmospheric profile in high spatial and temporal resolutions. Experimental development involved solutions to various problems, such as the size and weight of the aircraft, space and load capacity for installation of equipment, aircraft communication with the base station, remote and autonomous guidance, the fuselage of UAV and its engine in measurements and sensor array response time. Questions of security and the authorization for the flights were other challenges. Humidity and temperature profiles obtained by UAV suggested the inverted use of integral model to obtain the surface sensible heat flux. In the absence of good measurements of surface flux in the experimental site of the UAV, we used a data set from FIFE (First International Satellite Land Surface Climatology Project Field Experiment), intensive micrometeorological experiment conducted in the United States in 1987 and 1989. From this experiment we used radiosonde data and surface measurements of covariance flux sufficient to evaluate the performance of the integral model. Several parameterization were evaluated to indicate the potential and restrictions on the use of BLM profile data to calculate the surface flux.