Detecção de fenômenos extremos na camada limite atmosférica noturna acima da floresta Amazônica a partir da análise de sinais precursores

• Ano de defesa: 2017
• Autor(a) principal: Farias, Francisco Otávio Miranda
• Orientador(a): Sá, Leonardo Deane de Abreu
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia - INPA
• Programa de Pós-Graduação: Clima e Ambiente - CLIAMB
• Link de acesso: https://repositorio.inpa.gov.br/handle/1/12679; http://lattes.cnpq.br/2549543844450894

É estudada a ocorrência de fenômenos extremos (FE) na camada limite estável (CLE) acima da floresta Amazônica. Para isso foi utilizada metodologia disponível na literatura, baseada na detecção estatisticamente robusta de sinais precursores que antecedem a existência de um ponto de ruptura que marca o limiar entre dois estados qualitativamente diferentes do sistema dinâmico investigado. Tais sinais precursores são detectáveis nos períodos que antecedem tal transição crítica em que há um amortecimento considerável das flutuações turbulentas, como se isto funcionasse como fenômeno precursor da irrupção dos fenômenos extremos, o que indica processos característicos de "critical slowing down” (CSD), conforme a conceituação de Dakos et al. (2012). Eles apresentam-se associados a forte atividade convectiva, com diminuições consideráveis nos valores da temperatura potencial equivalente, θE, e com aumentos consideráveis nas concentrações de ozônio, O3 (assumidas como variáveis de estado), além de alterações na direção do vento e aumentos abruptos nos valores da velocidade do vento (U), em geral indicando a transição de um regime de turbulência fraca para outro de turbulência forte. A aplicação de outra metodologia para a caracterização de FE’s, baseada na utilização da decomposição do sinal em escalas usando-se a Transformada Wavelet (TW) e a utilização da informação referente aos valores das fases do sinal nas escalas permitiu a detecção de singularidades associadas à ocorrência do FE, além da caracterização de processos associados à sua geração, como a existência de bifurcações sub-harmônicas e super-harmônicas, respectivamente antes e depois da eclosão do FE e de dobramento de período. A utilização de diagramas de Poincaré, nos quais foi usada informação que precede, e também que sucede o FE, permitiu a identificação de ponto fixo e ciclo-limite repulsores antes do FE e de ciclo-limite e ponto fixo atratores depois do FE. Este último permaneceu existindo enquanto foi possível se manter um regime de turbulência suficientemente forte, após o que o padrão de oscilação dos sinais medidos pouco acima da copa florestal sofreu modificação drástica, com reflexos nos padrões de interação entre a floresta e a atmosfera. As séries temporais usadas foram obtidas em torre meteorológica erigida na reserva Biológica do Cuieiras, localizada a 60 km a norte/noroeste da cidade de Manaus, norte do Brasil (S 2°36.11', W 60°12.56'), durante o período correspondente à estação chuvosa da Amazônia, quando das campanhas experimentais do projeto GoAmazon (Observations and Modeling of the Green Ocean Amazon) em 2014/15. No presente estudo foram efetuados diversos testes estatísticos para comprovar a ocorrência de fenômenos do tipo CSD na camada limite atmosférica, particularmente, na camada limite noturna. Foram analisados quatro casos em que ocorreu CSD em períodos precursores da transição entre os dois regimes de turbulência supramencionados, o que se verificou sempre durante a estação chuvosa da região. Aqui serão inicialmente aprofundadas as análises para o caso do dia 12 de abril de 2014 por se tratar do dia com maior disponibilidade de dados e para o qual foram obtidos os melhores resultados, em comparação com os demais casos identificados, possivelmente por se tratar de um evento em que a forte nuvem convectiva que desencadeou o FE à superfície teve seu eixo de deslocamento espacial disposto de forma a apontar para a região onde estava a torre experimental. Como principais conclusões, podem ser mencionados: i) foram feitos vários testes estatisticamente robustos que comprovaram aexistência de CSD para alguns casos na atmosfera tropical. Ao que se saiba este foi o primeiro caso comprovado de CSD para dados experimentais na camada limite noturna; ii) os casos em que se obteve maior robustez nas tendências dos indicadores de CSD foram aqueles em que o eixo de deslocamento da nuvem estava apontando na direção da torre experimental; iii) as variáveis que se mostraram mais adequadas para verificar a ocorrência de CSD foram �� e concentração de ��; iv) Aumentos significativos nos indicadores ocorrem uma única vez por transição, reafirmando os princípios do CSD já analisados na literatura disponível e discutidos ao longo do presente manuscrito; v) Todas as tendências positivas para existência de CSD ocorreram sempre em transições entre regimes de turbulência fraca e forte e estiveram sempre acompanhadas de mudanças de pelo menos 45° na direção do vento e presença de convecção profunda nos arredores do sitio experimental; vi) para alguns casos verificou-se a existência de ciclos repulsores e atratores associados às flutuações de variáveis como a velocidade do vento. Esses ciclos foram obtidos a partir da construção de diagramas de Poincaré associando as flutuações das variáveis e suas respectivas derivadas temporais. Observe-se que os diagramas de Poincaré associados aos dados de velocidade do vento foram plenamente satisfatórios para este estudo de caso. Para os demais casos tal robustez não foi plenamente verificada, mas com os ciclos sempre evidentes para todos os casos analisaos. Com tal metodologia foi possível obter informações sobre o processo não linear envolvendo a interação dos movimentos engendrados em nuvens convectivas fortes com a superfície.