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Caracterização de Trocas de Calor Latente e suas
Consequências na Evolução da Camada Limite
Atmosférica no Cerrado do Distrito Federal
Luis Aramis dos Reis Pinheiro Dissertação de Mestrado
Universidade de Brasília
Departamento de Engenharia Mecânica
E-mail [email protected]
Brasília-2013
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Sumário • Introdução
– Motivação; Justificativa; Objetivos
• Fundamentação Teórica – CLA; Similaridade e Fluxos Superficiais; Modelagem do
Crescimento da CLA.
• Materiais e Métodos – Visão Geral da Modelagem; Área de Estudo; Medições de
Variáveis.
• Resultados – Parametrização; Desencadeamento de Chuva Convectiva;
Evolução da CLA e substituição do Cerrado.
• Conclusões
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Introdução • Segundo IBAMA e MMA
(2011) • Área do bioma Cerrado
2.045.064 km²
• Vegetação remanescente
em 2008 igual a 1.051.446
km²
• Segundo maior bioma do
Brasil
• Floresta de savana mais
rica do mundo (DINIZ et
al., 2009).
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Área Bioma Cerrado
Remanescente em 2002 • Sensor MODIS
Taxas anuais de Desmatamento
(IBAMA; MMA,2011)
• 14.200 km²/ano entre 2002 a 2008 ;
• 7.637 km²/ano entre 2008 a 2009;
• 6469 km²/ano entre 2009 a 2010.
Segundo Machado et al. (2004) neste ritmo
o cerrado irá desaparecer em 2030.
Fonte das Imagens: Marchado et al. (2004)
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Processo histórico de redução
da vegetação remanescente. • Formação dos grandes centros urbanos;
– Incursões de Bandeirantes XVI eXVII;
• Construção de Brasília; – Fluxos migratórios, abertura de estradas e politicas
agrícolas: metade da área original foi transformada em
pastagens e agricultura, além de outros usos, nos últimos
35 anos (KLINK;MACHADO, 2005).
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Florestas Plantadas
Principais indicadores econômicos do setor brasileiro de florestas plantadas, 2011
Fonte: ABRAF,2012.
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Silvicultura das florestas plantadas Evolução da área anual plantada com florestas de Eucalyptus e Pinus
das empresas associadas individuais da ABRAF, 2000-2011
Fonte: ABRAF,2012
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Perspectivas da substituição
• Ponto positivo • Fonte e energia
renovável(biomassa)
– Contribuição a climatologia
global como fonte de
energia alternativa a matriz
fóssil.
• Ponto negativo • Substituição de uma floresta
nativa em perfeito estado de
equilíbrio.
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Estudo da caracterização
dos efeitos da ocupação • Atender políticas de desenvolvimento econômico ligadas
ao setor florestal sustentáveis;
• Os efeitos não podem ser extrapolados de outras
regiões: parâmetros ecofisiológicas das vegetações em
estudo (STAPE et al.,2004);
• Estudo localizado das respostas das interações solo-
vegetação-atmosfera quando há alterações nas
características edáficas, fitofisiológicas e
micrometeorológicas.
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• Todos os processos citados ocorrem na região de
abrangência da CLA;
• Seu comportamento é diretamente influenciado pelas
características da superfície ao longo do dia; • Análise dos Escoamentos Atmosféricos e fluxos Turbulento de calor .
Camada Limite Atmosférica
• Siqueira et al.(2009) estabeleceu • O papel hidrodinâmico da vegetação e do solo;
• Seus efeitos na partição da radiação solar que responde
a quantidade de água no solo, na vegetação e no
crescimento da CLA;
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Objetivos
• Caracterização de possíveis impactos nas trocas de
energia (latente e sensível) entre vegetação e camada
limite atmosférica devido mudança de uso da terra com
deslocamento do cerrado nativo por Eucalyptus e
possíveis consequências para a meteorologia local, com
uso de componentes experimentais e numéricas.
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Objetivos específicos
• Monitorar os fluxos turbulentos de calor sensível e latente em uma
área de cerrado sensu-stricto;
• Verificar as correlações de resistência estomática, com as
variáveis de estado do ecossistema;
• Estudar a relação das precipitações convectivas a partir do
cruzamento da altura nível de condensação e altura da CLA;
• Verificar, a partir dos modelos solo-vegetação-atmosfera, os
efeitos da ocupação de áreas de cerrado por plantações de
Eucalyptus sob a CLA.
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Fundamentação Teórica
Camada Limite Atmosférica
Fonte: STULL,1988
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São desconsiderados:
• efeitos viscosos
• difusão molecular,
• componente vertical da velocidade
• homogeneidade horizontal
• Aplicando a equação conservação de momento
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Temperatura Potencial Virtual • Temperatura potencial: temperatura que a parcela de ar teria se fosse
expandida/comprimida adiabática mente a uma pressão e
temperatura de referência;
• Temperatura Virtual: é a temperatura que o ar seco deveria ter para
ter a mesma densidade que o ar úmido, com a mesma pressão.
• Temperatura virtual potencial: Análoga a potencial e representa a
temperatura que o ar seco pode ter com relação a uma parcela de
igual densidade de ar úmido, à mesma pressão.
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Estrutura da CLA
• Stull (1988);Garratt (1994)
• Fonte: Stull,1988.
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Fluxos superficiais
Balanço de energia na
superfície
0
Razão de Bowen e conceito
de fluxo
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Fluxo de calor entre ar do dossel
e a atmosfera
Fluxo de Calor Sensível
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Fluxo de Calor Latente
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Fluxo de Calor entre as folhas e
o ar do dossel • As trocas de energia e massa entre o dossel vegetativo e o meio externo tais como
temperatura, balanço hídrico e fotossíntese podem ser tratados de maneira simplificada
utilizando os chamados Modelos "big leaf".
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Resistência ao fluxo de calor sensível
para atmosfera
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Substituindo as Eqs. linearizadas na equação de balanço.
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Fluxos de calor sensível e latente Campbell e Norman (1998)
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Resistência a transpiração
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Camada Limite Atmoférica
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Altura da CLC a partir de fluxos
superficiais
(TENNEKES1970,DEARDORFF1972, Juang2007)
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Equação de balanço
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Altura do nível de condensação
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Fluxo de calor entre o solo e o ar
do dossel
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Balanço de energia na superfície
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RADIAÇÃO LÍQUIDA ABSORVIDA
PELA SUPERFÍCIE
Fonte:Garratt e Brost, 1981
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MODELAGEM MATEMÁTICA DA
CAMADA LIMITE ATMOSFÉRICA
• Modelos de Camadas (Slab
Models)(TENNEKES,1973; DRIEDONKS, 1982).
• Alternativa a simulação de grande escalas(LES) e
Médias de Reynolds e Navier-Stokes (RANS)
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Considerações assumidas no
modelo Fonte:Siqueira,2009
Fonte:Siqueira,2009
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Equações do modelo
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Camada limite noturna estável
Predizer de forma simples a taxa de lapso da temperatura potencial
que a CLA precisa superar no início da manhã.
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Métodos Numéricos
• Modelagem da substituição do Eucalípto – Newton-Rhanpson;
– Condutância constante;
• Modelagem precipitação convectiva – Runge-Kutta de 4ª ordem;
– Não modela a condutância;
– Modelo prognóstico utilizando dados experimentais de
fluxo para análise da evolução da CLA.
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ÁREA DE ESTUDO
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COLETA DE FLUXOS E VARIÁVEIS MICRO
METEOROLÓGICAS
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Medição dos Fluxos
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Radiação líquida
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Resultados
• CARACTERIZAÇÃO EXPERIMENTAL DA
RESISTÊNCIA ESTOMÁTICA
• PRECIPITAÇÃO CONVECTIVA
• EVOLUÇÃO DA CAMADA LIMITE COM A
SUBSTITUIÇÃO DE CERRADO POR
UMA FLORESTA DA EUCALYPTUS
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CARACTERIZAÇÃO EXPERIMENTAL DA RESISTÊNCIA
ESTOMÁTICA
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Correlação da resistência estomática com a quantidade de
água do solo
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Precipitação convectiva
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Transição Período Seco
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EVOLUÇÃO DA CAMADA LIMITE COM A SUBSTITUIÇÃO
DE CERRADO POR UMA FLORESTA DA EUCALYPTUS
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Parâmetros da Literatura
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Forçantes climáticas
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Efeitos da substituição do cerrado por
florestas de Eucalyptos
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Diferenças na Temperatura
Potencial e razão de mistura
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Conclusões • O uso de equação de combinação e a modelagem big leaf mostrou satisfatória
no estudo da correlação da resistência aos fluxo de vapor de água e a
demanda desse vapor na atmosfera.
• O estudo de precipitações convectivas mostra-se satisfatório ao apresentar dias
típicos em que ocorreram precipitações com o comportamento esperado da
evolução da CLA e do nível de condensação de vapor de água nos períodos de
transição da estação seca para chuvosa(meses de Agosto setembro e outubro
de 2012).
• Uma das principais características da substituição do cerrado foi o aumento da
quantidade de vapor de água na CLA e consequentemente a redução de
temperatura da mesma. Isto pode representar um deslocamento da estações
chuvosa e seca durante o ano.
• O estudo torna-se promissor em razão do baixo custo dos modelos de camadas
e a representatividade dos seus resultados para o cerrado.
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Agradecimentos
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Agradecimentos
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