Um método para medições de fluxo de calor latente a partir de sensores de umidade capacitivos

Abstract

Resumo: O Método das Covariâncias Turbulentas vem sendo amplamente utilizado nas últimas décadas para a medição micrometeorológica do fluxo de calor latente em superfícies naturais,baseando-se em medições conjuntas de alta freqüência da velocidade vertical do vento e dadensidade de vapor d’água, realizadas com o auxílio de sensores de resposta rápida (usualmenteanemômetros sônicos e higrômetros infravermelhos). A utilização de higrômetros capacitivosrelativamente lentos é uma alternativa acessível e robusta, mas que implica na atenuação dosfluxos nas altas freqüências. Uma nova metodologia foi desenvolvida visando à restauração nodomínio do tempo dos fluxos medidos, considerando o tempo de resposta do sensor de umidadee um fator de atenuação dependente da temperatura do ar, que amortece todas as freqüênciasuniformemente. A resposta do sensor capacitivo foi modelada de modo que sua função deautocovariância amostral possa ser reproduzida a partir da autocovariância medida por um higrômetro infravermelho de resposta rápida, através de uma função de transferência adequadacujos parâmetros são o tempo de resposta do sensor capacitivo e o fator de atenuação. Comas características do sensor corretamente modeladas, é então possível prever analiticamente umfator de correção no domínio do tempo para o fluxo de vapor d’água medido com o sensor maislento. A metodologia foi testada com dados de campo obtidos em três experimentos micrometeorológicos diferentes — dois sobre água, no Lago de Furnas (Estado de Minas Gerais) e umsobre terra na cidade de Ponta Grossa (Estado do Paraná). Duas configurações para o sensorcapacitivo foram testadas, com e sem uma capa protetora; a versão "desencapada" apresentacaracterísticas de resposta melhores, mas é menos robusta e portanto incapaz de permanecerem campo durante longos períodos de medição sem assistência. Os fatores de correção paraambas as versões foram calculados e testados contra as medições padrão realizadas através dehigrômetros infravermelhos, com resultados satisfatórios e erro médio quadrático inferior a 21Wm-2.

Abstract: The eddy covariance method has been in widespread use in the last decades as the micrometeorological method of choice for latent heat flux measurements above natural surfaces. Itis based on the high-frequency joint measurement of vertical velocity and water vapor densitymade with fast-response sensors (usually, sonic anemometers and infrared hygrometers). Theuse of relatively slow capacitive hygrometers is a cost-effective and robust alternative, whichhowever comes at the cost of flux attenuation in the high frequencies. A new methodology hasbeen developed which aims at restoring the time-domain measured fluxes by taking into accountthe humidity sensor’s response time and a temperature-dependent attenuation factor which uniformly dampens all frequencies. The response of the capacitive sensor has been modeled sothat its sample autocovariance function can be reproduced from the autocovariance measured bya fast-response infrared hygrometer, by means of a suitable transfer function whose parametersare the capactive sensor’s time response and attenuation factor. With the sensor’s characteristicscorrectly modelled, it is then possible to predict analytically a correction factor for the timedomain water vapor flux measured with the slower sensor. The methodology has been testedwith field data from 3 different micrometeorological experiments — two over water, at Furnas’Lake (Minas Gerais State, Southeastern Brazil) and one over land at Ponta Grossa (Paraná State,Southern Brazil). Two configurations of the humidity sensor have been tested, both with andwithout a protective cap; the "uncapped" version has better response characteristics, but is alsoless robust and therefore not able to withstand long unattended measurement periods in the field.Correction factors for both versions were calculated and tested against standard measurementswith infrared hygrometers, with satisfactory results and mean square errors no greater than 21Wm-2 .