Avaliação de modelos para a altura da camada limite atmosférica urbana e seus efeitos sobre a qualidade do ar

Abstract

Resumo: A altura da Camada Limite Atmosférica (CLA), parâmetro fundamental para estudos dos processos de dispersão de poluentes na atmosfera, pode ser determinada através de medições diretas dos perfis de temperatura potencial, sensoriamento remoto ou com a utilização de modelos capazes de reproduzir a sua evolução horária. No presente trabalho são utilizados dois modelos para a determinação da altura da CLA para a região urbana de Curitiba, capital do estado do Paraná, Brasil. Ambos os modelos possuem diferentes implementações para a evolução da CLA para o período diurno e noturno. Para a camada diurna, um modelo prático e de fácil utilização, baseado no "método da parcela" e na teoria de estabilidade não local, utiliza radiossondagens lançadas duas vezes ao dia e dados horários meteorológicos de uma estação de superfície. Neste modelo simples,a camada estável noturna depende linearmente da velocidade de vento medida a 10 m, supondo que a turbulência é originada puramente por ação mecânica. Seus resultados são comparados com os de um modelo numérico mais sofisticado, que inclui a física da turbulência da ChA e necessita como dados de entrada, além dos dados meteorológicos de superfície e de radiossondagens, os fluxos turbulentos superficiais. Junto com este modelo da CLA, é implementado um SVAT (sistema de transferência solo-vegetação-atmosfera) que combina superfícies urbanas e rurais e é capaz de modelar os fluxos superficiais. Os resultados com o modelo prático mostram o comportamento médio esperado para a variação da altura da ClA, com um crescimento da camada a partir da manhã atingindo seu valor máximo no meio da tarde. O modelo simples é capaz de identificar o comportamento sazonal da altura da CLA, que é influenciada pela disponibilidade de radiação líquida na superfície. O modelo numérico considera que a altura da CLA é função principalmente de fluxo de calor sensível na superfície. Desta forma, durante o início da noite, a CLA pode continuar crescendo devido ao fluxo de calor positivo gerado pelo calor armazenado nas paredes das edificações, telhados e ruas. Finalmente, é verificada a forte relação entre a altura da camada limite noturna e a concentração de poluentes (medidas em estações automáticas de qualidade do ar) durante alguns períodos prolongados sem chuva.

Abstract: The height of the Atmospheric Boundary Layer (ABL), which is a fundamental variable in atmospheric pollution studies, can be determined from direct measurements of potential temperature profiles, remote sensing or from models that reproduce the hourly evolution of the ABL. In This thesis two models are used to estimate the height of the ABL for the urban region of Curitiba, capital of Paraná Sate, Brazil. Both models have different implementations for the daytime and nighttime evolution of the ABL. The simpler and easier to apply, commonly known as the "parcel method", utilizes radiosoundings launched two time sa day and hourly meteorological data from a surface station. Its results are compared to those from a more sophisticated model that includes the physics of the turbulent ABL and needs as input, besides mean sophisticated model from a surface station. Its result are compared to those from a more sophisticated model that includes the physics of the turbulent ABL and needs as input, besides mean meteorological data, also the turbulent surface fluxes. Together with the ABL model, a SVAT (surface-vegetation-atmosphere transfer scheme) is implemented that combines rural and urban surfaces and is able to produce realistic surface fluxes.The results from the simple model reveal the experted pattern all morning growth of the ABL, which reaches its maximum in the middle of the afternoon. In the simple ,odel the noctural boundary layer depends linearly on the wind speed at 10 m, assuming that the turbulence is of a purely mechanical origin. The simple model is able to identify the seasonal behavior of the ABL height, which is mainly influenced by the availability of net radiation at the surface. The numerical model differs in that ABL height is driven mainly by the surface sensible heat flux. Thus, during the beginning of night, the ABL may continue to grow due to a positive sensible heat flux generated by heat stored in building walls, roofs and streets. Finally, we verify a strong relationship between noctural boundary layer height and measured pollutant concentration (at automated air quality stations) during prolonged periods without rain.