Descrição experimental

3.3.1. Medidas e descrição do sitio

Os dados utilizados neste artigo foram coletados entre 21 de maio e 14 de junho, e entre 23 de setembro e 3 de outubro de 2005, no sítio experimental K34 (2o36‟32,67‟‟ S, 60o12‟33,48‟‟ W, 130 m), localizado cerca de 60 km ao norte de Manaus, Brasil, na parte Central da Amazônia. O sítio está localizado em uma reserva de floresta úmida primária, controlada pelo Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia. A paisagem consiste de platôs, dissecados por vales que são frequentemente inundados após precipitação. A Figura 3.1 mostra uma revisão da topografia na área experimental, indicando a posição das duas torres utilizadas neste estudo. A altura da vegetação é variável, mas com média em torno de 30 m. McWilliam et al. (1993) classificaram a floresta em um local próximo como Floresta

Ombrófila Densa, com uma biomassa seca acima do solo de 300-350 t ha-1 e um índice de área foliar variando de 5 a 6. Esta vegetação de floresta é observada razoavelmente

homogênea cobrindo alguns km2 na região, e o sítio é típico de vegetação natural e topografia da maioria da Amazônia central.

Foi estimada a altura de deslocamento e o comprimento de rugosidade do sítio usando medidas de perfil de vento na torre principal e a metodologia descrita por De Bruin e Moore (1985). A Figura 3.2 mostra estas estimativas de acordo com a direção do vento. Alguma dispersão é observada, mas nenhuma variação clara com a direção do vento nos parâmetros foi observada. Foram usados então os valores médios d = 16,9 ± 2,0 m e z0 = 2,1 ± 1,4 m.

Figura 3.1. Localização do sítio experimental K34, na Amazônia Central. As barras verticais mostram as posições das torres (CVT indica a torre do sistema de covariância dos vórtices turbulentos) e a linha pontilhada indica o caminho do CLA.

A principal torre experimental, indicada por CVT na Figura 3.1, é equipada com um sistema de covariância dos vórtices turbulentos medindo os fluxos de momentum, energia e dióxido de carbono em uma altura de aproximadamente 36 m acima da altura de deslocamento (53 m acima do solo), em operação desde meados de 1999. O sistema é similar em arranjo ao descrito por Moncrieff et al. (1997). Este é um sistema composto por um anemômetro sônico tridimensional, (R3, Gill Instruments) e um analisador de gás por

50 100 150 200 9000 9500 10000 10500 11000 11500 12000 10000 10500 11000 11500 12000 12500 13000 13500 E le va çã o X (UTM) Y (U TM ) N CVT CLA 1 km

infravermelho de caminho fechado (IRGA) (LI-7500, LICOR). Componentes da velocidade do vento e temperatura, medidos pelo anemômetro sônico, e razão de mistura de H2O e CO2, medidos pelo IRGA, foram gravados em uma taxa de amostragem de 10 Hz. Informações mais detalhadas acerca do sítio e da instrumentação na torre K34 são fornecidas por Araujo et al. (2002).

Os cálculos dos fluxos turbulentos foram executados para três diferentes intervalos de tempo médios, 10 min, 30 min e 1 hora, usando „Alteddy‟, o qual é um software escrito em FORTRAN, que pode ser adaptado a um número de diferentes configurações de hardware e opções de programas. O programa foi configurado para aplicar rotações de dois eixos para alinhar o sistema de coordenadas com o vento médio e forçar a componente vertical média (w) ser zero (McMillen, 1988) e executar uma correção na frequência de resposta padrão, seguindo a metodologia descrita por Moncrieff et al. (1997) e Aubinet et al. (2000). Nenhum método de remoção de tendência foi aplicado aos sinais. Geralmente para este sítio e arranjo experimental, independente da rotação de coordenadas, as correções são relativamente pequenas e não representam grandes fatores de incertezas nos valores finais. (Kruijt et al., 2004).

Figura 3.2. Estimativa da altura de deslocamento (d) e comprimento de rugosidade (z0) do sítio de floresta K34 na Amazônia Central, de acordo com a direção do vento.

Direção do vento (o ) 0 90 180 270 360 d , z 0 ( m ) 0 5 10 15 20 25 30 d z 0

Uma segunda torre foi erguida a cerca de 1,1 km a norte da torre principal. Um CLA (LAS 150, Kipp e Zonen) foi então instalado no sítio, apoiado pelas duas torres. O receptor do CLA foi instalado na torre principal em uma altura de 51,2 m acima do solo, conectado com um sistema de aquisição e armazenamento de dados (CR23X, Campbell Scientific). O transmissor foi instalado na segunda torre em uma altura 43,7 m. As duas torres estavam separadas por um vale, porém, a altura efetiva do feixe do CLA foi maior. Usando o método descrito por Hartogensis et al. (2003), foi estimada uma altura efetiva para o CLA de 54,1 m acima da altura de deslocamento.

A direção predominante do vento foi de Leste, com cerca de 50% das observações sendo deste setor (65% quando apenas condições instáveis foram consideradas, ou seja, 0). Por esta razão, a localização do CLA na direção Norte-Sul, fez a área fonte do CLA ser significativamente maior que do CVT (ver seção 3.4.1).

Medidas da flutuação de intensidade do feixe e de seus espectros foram gravadas em intervalos de 10 min. O sistema de aquisição e armazenamento de dados foi programado para ler e receber sinais a uma taxa de 1 Hz, gravando a média e variância da intensidade (I2) e logaritmo da intensidade (lnI2, calculada usando a função log interna do próprio sistema de aquisição e armazenamento de dados) a cada 10 minutos. Adicionalmente, leituras de alta frequência a uma taxa de 200 Hz foram executadas durante 10 s a cada minuto. Com essas leituras de alta frequência, o espectro das flutuações de intensidade foi calculado (usando a função interna do sistema de aquisição e armazenamento de dados, FFT (transformada de Fourier)) e média a cada 10 min. O espectro foi então examinado e corrigido para efeitos de vibração da torre e absorção do sinal (ver próxima seção). Após isto, valores de Cn2, CT2 e H foram derivados e comparados com os valores fornecidos pelo sistema CVT.

3.3.2. Correções para vibração da torre

Idealmente, ambos o transmissor e receptor do CLA deveriam ser montados em uma robusta plataforma estável para evitar vibrações no conjunto. Isto é importante porque o instrumento não pode distinguir flutuações no sinal causadas por vibrações no instrumento ou cintilações. As torres, sendo altas e de pequena espessura, infelizmente são muitas vezes submetidas a vibrações, contaminando as medidas do CLA. Aqui é proposto um método para

corrigir essas vibrações, por medida do espectro de Fourier para flutuações de intensidade no receptor, e comparando então com uma forma teórica esperada para o espectro.

Clifford (1971) derivou a forma do espectro teórico para uma onda esférica propagando através de uma atmosfera turbulenta. Nieveen et al. (1998) mais adiante descreveu isto como uma combinação das partes reais e imaginárias. A componente real representa as flutuações no sinal recebido pela refração (equação 3.4 de Nieveen et al., 1998) e a componente imaginária representa o efeito da absorção (equação 3.5 de Nieveen et al., 1998). A frequência do feixe de luz usado pelo CLA é próximo à frequência de ressonância do vapor de água, então parte desse feixe de energia é absorvido pela umidade atmosférica.

A Figure 3.3 mostra um típico espectro gravado em um intervalo de 10 min medido pelo CLA no sítio K34, ao longo da curva da componente real do espectro teórico descrito por Nieveen et al. (1998) ajustado para os dados estudados. Um nível característico fora do espectro nas frequência variando de 1 a 10 Hz é observado, mas um intenso pico, imediatamente no meio, chamou atenção. Este pico é atribuído ao efeito da vibração na torre. Além disso, um aumento é observado nas baixas frequências. Isto está relacionado a absorção em baixa frequência onde o mecanismo de absorção aumenta as flutuações do sinal recebido. Resultados similares foram obtidos por Nieveen et al. (1998).

Figura 3.3. Espectro do sinal de intensidade medido pelo CLA para o 26 de maio de 2005, 14:00 h (linha pontilhada), junto com a curva do espectro teórico ajustada para os dados (linha contínua). f (Hz) 0.1 1 10 100 S ( m V 2 H z -1 ) 0.1 1 10 100 1000

Baseado nessas informações, foi aplicada a seguinte metodologia para as medidas do CLA: primeiro foram gravados os espectros de flutuações de intensidade usando a função FFT interna do sistema de aquisição e armazenamento de dados; segundo, foi identificado na região entre 1 e 10 Hz a parte do espectro com o nível de freqüência independente e ajustado a uma curva teórica para igualar a este nível; terceiro, foi calculada uma variância das flutuações de intensidade (I2) “livre de vibrações” para o espectro ajustado; quarto: foi estimado lnI2 (variância do logaritmo da intensidade das flutuações) através de I2. Para alcançar isto, foram gravados I2 e lnI2 diretamente do CLA (usando funções internas do sistemas de coleta e armazenamento dos dados) e, após selecionar os dados gravados onde a influência das vibrações foi pequena por inspeção visual do espectro, foi determinada uma equação de regressão entre as duas variáveis; finalmente usando uma equação de regressão foi estimada a lnI2 livre de vibrações e calculado um valor corrigido para Cn2 usando a equação 3.1. Note que corrigindo os sinais do CLA pelo ajuste do espectro usando esta aproximação, tem-se uma correção para ambas as vibrações artificiais e por absorção. A última característica é particularmente importante para a aplicação em floresta tropical, onde a umidade é alta.