Atmosphere and hydrological controls of the evapotranspiration over a floodplain forest in the Bananal Island region, Amazonia

This article discusses seasonal and interannual variations of the evapotranspiration (ET) rates in Bananal Island floodplain, Brazil. Measurements included ET and sensible heat flux using the eddy covariance method, atmospheric forcings (net radiation, Rn, vapor pressure deficit, VPD, wind speed and air temperature), soil moisture profiles, groundwater level and flood height, taken from November 2003 to December 2006. For the hydrological years (October-September) of 2003/2004, 2004/2005 and 2005/2006, the accumulated precipitation was 1692, 1471, 1914 mm and the accumulated ET was 1361, 1318 and 1317 mm, respectively. Seasonal analyses indicated that ET decreased in the dry season (average 3.7 mm day(-1)), despite the simultaneous increase in Rn, air temperature and VPD. The increase of ET in the wet season and particularly in the flood period (average 4.1 mm day(-1)) showed that the free water surface evaporation strongly influenced the energy exchange. Soil moisture, which was substantially depleted during the dry season, and adaptative vegetation mechanisms such as leaf senescence contributed to limit the dry season ET. Strong drainage within permeable sandy soils helped to explain the soil moisture depletion. These results suggest that the Bananal flooding area shows a different pattern in relation to the upland Amazon forests, being more similar to the savanna strictu senso areas in central Brazil. For example, seasonal ET variation was not in phase with Rn; the wet season ET was higher than the dry season ET; and the system stored only a tiny memory of the flooding period, being sensitive to extended drought periods.

Temperature Dynamics Investigation At Small And Shallow Lakes Using Hydrodynamic Model

A three-dimensional time-dependent hydrodynamic and heat transport model of Lake Binaba, a shallow and small dam reservoir in Ghana, emphasizing the simulation of dynamics and thermal structure has been developed. Most numerical studies of temperature dynamics in reservoirs are based on one- or two-dimensional models. These models are not applicable for reservoirs characterized with complex flow pattern and unsteady heat exchange between the atmosphere and water surface. Continuity, momentum and temperature transport equations have been solved. Proper assignment of boundary conditions, especially surface heat fluxes, has been found crucial in simulating the lake’s hydrothermal dynamics. This model is based on the Reynolds Average Navier-Stokes equations, using a Boussinesq approach, with a standard k − ε turbulence closure to solve the flow field. The thermal model includes a heat source term, which takes into account the short wave radiation and also heat convection at the free surface, which is function of air temperatures, wind velocity and stability conditions of atmospheric boundary layer over the water surface. The governing equations of the model have been solved by OpenFOAM; an open source, freely available CFD toolbox. As its core, OpenFOAM has a set of efficient C++ modules that are used to build solvers. It uses collocated, polyhedral numerics that can be applied on unstructured meshes and can be easily extended to run in parallel. A new solver has been developed to solve the hydrothermal model of lake. The simulated temperature was compared against a 15 days field data set. Simulated and measured temperature profiles in the probe locations show reasonable agreement. The model might be able to compute total heat storage of water bodies to estimate evaporation from water surface.

A influência de decisões arquitetônicas na eficiência energética do Campus vol. 1/UFRN

Building design is an effective way to achieve HVAC energy consumption reduction. However, this potentiality is often neglected by architects due to the lack of references to support design decisions. This works intends to propose architectural design guidelines for energy efficiency and thermal performance of Campus/UFRN buildings. These guidelines are based on computer simulations results using the software DesignBuilder. The definition of simulation models has begun with envelope variables, partially done after a field study of thirteen buildings at UFRN/Campus. This field study indicated some basic envelope patterns that were applied in simulation models. Occupation variables were identified with temperature and energy consumption monitoring procedures and a verification of illumination and equipment power, both developed at the Campus/UFRN administration building. Three simulation models were proposed according to different design phases and decisions. The first model represents early design decisions, simulating the combination of different types of geometry with three levels of envelope thermal performance. The second model, still as a part of early design phase, analyses thermal changes between circulation halls lateral and central and office rooms, as well as the heat fluxes and monthly temperatures in each circulation hall. The third model analyses the influence of middle-design and detail design decisions on energy consumption and thermal performance. In this model, different solutions of roofs, shading devices, walls and external colors were simulated. The results of all simulation models suggest a high influence of thermal loads due to the incidence of solar radiation on windows and surfaces, which highlights the importance of window shading devices, office room orientation and absorptance of roof and walls surfaces

Analysis of the Priestley-Taylor alpha parameter for a bean crop

This work deals with the Priestley-Taylor model for evapotranspiration in different grown stages of a bean crop. Priestley and Taylor derived a practical Formulation for energy partitioning between the sensible and latent heat fluxes through the a parameter. Bowen ratio energy balance (BREB) was carried out for daily sensible and latent heat flux estimations in three different crop stages. Mean daily values of Priestley-Taylor a parameter were determined for eleven days during the crop cycle. Diurnal variation patterns of a are presented for the growing, flowering and graining periods. The mean values of 1.13 +/- 0.33, 1.26 +/- 0.74, 1.22 +/- 0.55 were obtained for a day in the growing, in the flowering and for graining periods, respectively. Eleven days values of a are shown and gave a mean value of 1.23 +/- 0.10 which agree on the reported literature.

Balanço de radiação e energia da cultura de alface em estufa de polietileno

Objetivou-se, neste trabalho, determinar os balanços de radiação e energia da cultura de alface (Lactuca sativa, L. cv. Verônica) em estufa de polietileno. O experimento foi realizado em uma estufa tipo túnel alto com cobertura de polietileno (100 mim de espessura) e em uma área externa, ambas com 35 m². Durante o ciclo da cultura, foram monitoradas as radiações global e refletida, saldo de radiação, fluxo de calor no solo e temperatura do ar (seca e úmida) nos dois meios. Utilizou-se um Datalogger que operou na freqüência de 1 Hz, armazenando médias de cinco minutos. A partir das integrações diárias das irradiâncias global (K¯) e refletida (K­), verificou-se que a transmissividade média da radiação global (K¯in / K¯ex) foi aproximadamente constante, em torno de 79,59%, enquanto a razão das radiações refletidas (K­in / K­ex) foi igual a 69,21% com coeficiente de variação de 8,47%. As curvas normalizadas do saldo de radiação de ondas curtas em relação à radiação global (K* / K¯), nos dois meios, mostraram ser aproximadamente constantes no início do ciclo e decrescentes no final. A relação (Rn/ K¯) foi maior no meio externo, em torno de 12%, a partir da fase em que a superfície verde da cultura cobriu o solo. O balanço médio (L*) de radiação de ondas longas foi maior no exterior, em torno de 50%. O balanço de energia, estimado em termos de fluxos verticais, mostrou, em média, que: no exterior, 83,07% do saldo de radiação foi convertido em calor latente (LE), 18,00% em fluxo de calor no solo (G) e 9,96% em calor sensível (H), enquanto que, no interior da estufa, 58,71% do saldo de radiação foi convertido em LE, 42,68% em H e 28,79% em G.

Estimativa do fluxo de calor latente pelo balanço de energia em cultivo protegido de pimentão

O objetivo deste trabalho foi caracterizar e relacionar a radiação líquida com o calor latente equivalente, em mm de água, nos cultivos protegido e de campo, na cultura de pimentão. O experimento foi feito em Botucatu, SP. A estimativa do fluxo de calor latente foi feita pelo método do balanço de energia, por meio da razão de Bowen. Foram feitas medidas instantâneas da radiação líquida (Rn), dos fluxos convectivos de calor latente (LE) e sensível (H), do fluxo de calor no solo (G), e dos gradientes psicrométricos sobre a cultura. O cultivo protegido, apesar de receber menor quantidade de radiação solar global, foi mais eficiente na conversão da radiação líquida disponível em matéria seca total e na produtividade de frutos. No balanço de energia, o cultivo protegido apresentou razões G/Rn e LE/Rn inferiores e H/Rn superior, com um fluxo de calor latente, equivalente em milímetros, 45,43% menor que no cultivo no campo. Apresentou, ainda, menor quantidade de radiação líquida disponível e menores perdas de energia, mostrando-se mais eficiente no uso da água.

Simulação numérica da camada limite planetária na região de Iperó, SP-Brasil

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Nonlinear parameter estimation in laminar forced convection within a circular sector tube

In this article we examine an inverse heat convection problem of estimating unknown parameters of a parameterized variable boundary heat flux. The physical problem is a hydrodynamically developed, thermally developing, three-dimensional steady state laminar flow of a Newtonian fluid inside a circular sector duct, insulated in the flat walls and subject to unknown wall heat flux at the curved wall. Results are presented for polynomial and sinusoidal trial functions, and the unknown parameters as well as surface heat fluxes are determined. Depending on the nature of the flow, on the position of experimental points the inverse problem sometimes could not be solved. Therefore, an identification condition is defined to specify a condition under which the inverse problem can be solved. Once the parameters have been computed it is possible to obtain the statistical significance of the inverse problem solution. Therefore, approximate confidence bounds based on standard statistical linear procedure, for the estimated parameters, are analyzed and presented.

Analysis of the Priestley-Taylor α parameter for a bean crop

This work deals with the Priestley-Taylor model for evapotranspiration in different grown stages of a bean crop. Priestley and Taylor derived a practical formulation for energy partitioning between the sensible and latent heat fluxes through the α parameter. Bowen ratio energy balance (BREB) was carried out for daily sensible and latent heat flux estimations in three different crop stages. Mean daily values of Priestley-Taylor α parameter were determined for eleven days during the crop cycle. Diurnal variation patterns of α are presented for the growing, flowering and graining periods. The mean values of 1.13 ± 0.33, 1.26 ± 0.74, 1.22 ± 0.55 were obtained for a day in the growing, in the flowering and for graining periods, respectively. Eleven days values of α are shown and gave a mean value of 1.23 ± 0.10 which agree on the reported literature.

Estudo do calo sensível e latente obtidos por intermédio da razão de Bowen em uma cultura de soja irrigada

The goal of this experiment was to study the latent and sensible heat variation determined by Bowen ratio from an irrigated soybean crop. A micrometeorological station with vertical displacement was constructed to maintain the same level of all measures over the canopy. The station was installed in the center of the crop, and it was over 130 m away from the main edge of the predominant wind direction. Fluxes were calculated by vertical temperature gradient determined at 0.15 and 1.15 m over the canopy. The latent heat flux was the mean energy consumer when the canopy covered the soil totally, and there were good soil water conditions. The sensible heat flux was greater when the soil was not totally covered by the canopy. The canopy was essential on the amount of latent heat dissipated by the crop.

Avaliação agrometeorológica do cultivo de pepino (Cucumis sativus L.) em ambientes protegido e a campo, em ciclos de outono-inverno e primavera-verão

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Efeitos de um evento de friagem nas condições meteorológicas na Amazônia: um estudo de caso

A influência do fenômeno da friagem nas variáveis meteorológicas e nos fluxos de energia e CO2 , foi realizada numa área de floresta próxima à região de Ji-Paraná, Rondônia, durante o mês de junho de 2001. A friagem ocasionou uma diminuição de 35% no valor da temperatura do ar. Notou-se uma redução de 75 W.m-2, na radiação solar incidente, associada à nebulosidade presente em decorrência da penetração da massa de ar fria. Conseqüentemente, tanto o fluxo de calor sensível (H) quanto o de calor latente (LE), apresentaram uma diminuição no seu valor médio diário, apresentando uma diferença em relação aos dias normais de 8 e 34%, respectivamente. A concentração de CO2 permaneceu constante, sem apresentar o aumento comum durante a noite, devido à condição de vento forte típica da friagem. Em situação normal o fluxo médio durante o dia de CO2 (-2,44 mmol m-2 s-1) foi menor que durante os dias de friagem (-5,78 mmol m-2 s-1); enquanto que os fluxos médios noturnos foram +1,77mmol m-2 s-1 e +2,83mmol m-2 s-1 durante situações de dias normais e de friagem, respectivamente.

Regimes térmico e hídrico em solos sob ecossistemas naturais e área agrícola no Leste da Amazônia

A temperatura e umidade do solo são variáveis cujo conhecimento é fundamental para determinar os balanços de energia e água na biosfera. Os regimes térmico e hídrico dos solos sob cada ecossistema apresentam variações consideráveis, de acordo com sua mineralogia, o clima local e a vegetação. Nesse contexto, as temperaturas e umidades do solo foram medidas sob três ecossistemas existentes na região leste da Amazônia, a saber: floresta nativa (FLONA Caxiuanã, 01° 42' 30" S e 51° 31' 45" W), pastagem nativa (Soure, 00° 43' 25" S e 48° 30' 29" W) e área agrícola (!garapé-Açu, 01° 07' 59" S e 47° 36' 55" W). Os dados de campo na floresta e na pastagem foram coletados entre dezembro de 2001 e fevereiro de 2005; enquanto que na área agrícola, o monitoramento foi limitado de agosto de 2003 a fevereiro de 2005. Estas observações das variáveis físicas do solo foram analisadas levando em consideração as variáveis meteorológicas medidas simultaneamente tais como o fluxo de radiação solar incidente e a precipitação pluviométrica, que interferem diretamente nas variáveis do solo em cada sitio escolhido para estudo. As temperaturas do solo foram monitoradas por meio de sondas térmicas em profundidades de 0,05; 0,20 e 0,50 m. Fluxímetros de calor mediram esta variável em níveis de profundidade em 0,05 e 0,20 m. A umidade volumétrica do solo na camada superior de 0,30 m foi medida por sensor de sonda dupla por Reflectometria no Domínio do Tempo (TDR) em cada sitio. Foram feitas analises considerando as respostas do solo durante o período seco e chuvoso local, nestes três ecossistemas representativos do leste da Amazônia. Estimativas de difusividade térmica aparente do solo foram feitas pelos métodos da amplitude e da fase usando os dados de propagação do pulso diário de calor nesses solos. Os resultados mostraram valores bem diferentes, porém,no primeiro método pareceu mais confiável e adequado para o modelamento numérico. Como esperado, considerando a sua pouca cobertura vegetal, as temperaturas dos solos nos níveis superficiais, apresentaram grandes variações na pastagem e na área agrícola. Inesperadamente, as temperaturas na profundidade de 0,5 m abaixo da floresta mostraram maiores variações de amplitude que as profundidades de 0,20 e 0,05 m. O modelamento numérico das variações temporais da temperatura, em função da profundidade, para cada solo foi feito através do método harmônico Os resultados mostraram que o primeiro harmônico representou mais de 90% da variação total observada do pulso diário da temperatura da pastagem e área agrícola em 0,2 e 0,05 m de profundidade. Performance similar do modelamento foi observada na floresta nos níveis de 0,05 e 0,20 m. A magnitude dos fluxos de calor abaixo da pastagem e área agrícola atingiram valores seis vezes maiores que aqueles observados sob a floresta. Os resultados mostraram que, para a camada do solo superior de 0,30 m, a umidade volumétrica do solo sob a floresta é maior que sob os outros ecossistemas estudados neste trabalho. Este resultado é devido aparentemente; à proteção da floresta contra a evaporação da superfície do solo. Uma análise do comportamento sazonal e diário das temperaturas e umidade solos em resposta à radiação solar e precipitação é apresentada. Estudos de caso da taxa de perda da umidade do solo depois de significativa recarga de água por eventos de precipitação, também foram analisados. Algumas estimativas diárias de diminuição de água e recarga durante a noite e madrugada por subida de água de camadas subjacentes para a camada de 0.30 m foram feitas. Este trabalho analisou a maior serie temporal dos dados de temperatura e umidade dos solos coletados com alta freqüência de amostragem disponível até o momento, para o leste da Amazônia. Foi possível caracterizar as diferenças dos regimes destas variáveis físicas, abaixo de três ecossistemas importantes desta região. Estudos futuros dos minerais e materiais orgânicos nestes solos, bem como dos índices de área foliar e da biomassa das coberturas vegetais desses ecossistemas, melhoraria a compreensão dos regimes descritos neste trabalho.

Fluxos de calor no dossel vegetativo e infiltração de água no solo, em floresta tropical

Este estudo analisou as variações sazonais e anuais dos fluxos de calor sensível e latente, armazenados pelo dossel vegetativo de floresta tropical úmida, bem como a taxa de infiltração de água no solo em duas parcelas experimentais, uma com exclusáo de chuva e outra submetida às condições reais de precipitação pluvial. Os dados aqui usados foram obtidos do projeto ''Estudo da Seca da Floresta (ESECAFLOR), subprojeto do Experimento de Grande Escala da Biosfera-Atmosfera na Amazônia (LBA), conduzido na reserva florestal de terra firme em Caxiuaná, PA. Os dados de temperatura e umidade relativa do ar foram coletados no perfil da floresta amazônica, em intervalos de 8 m, deSde a superfície até 32 m, durante o ano de 2008, em intervalos horários, para se determinar os fluxos de calor sensível e latente armazenados nos período chuvoso (fevereiro, março e abril) e menos chuvoso (setembro, outubro e novembro). Os resultados indicaram que o fluxo de calor sensível armazenado no dossel da floresta no ano de 2008, foi 167,93 W m-2 e o fluxo de calor latente armazenado foi de 5184,38 W m-2. A taxa de infiltração de água do solo na floresta foi reduzida drasticamente nos primeiros minutos do início do experimento, independentemente das condições de umidade do solo e, em seguida, ela apresentou comportamento quase constante ao longo do tempo.

Insights of meso and micro-scale processes for the Caxiuanã forest region from high resolution simulation

Dados meteorológicos e simulações numéricas de alta resolução foram usados para estimar campos espaciais na região leste da Amazônia onde se situam a Floresta e a Baía de Caxiuanã, no Estado do Pará. O estudo foi feito para o período de Novembro de 2006, quando foi realizado o experimento de campo COBRA-PARÁ. Análises de imagens do sensor MODIS mostram a ocorrência de vários fenômenos locais como avenidas de nuvens, sistemas convectivos precipitantes, e importante influência das interfaces entre a floresta e as superfícies aquáticas. Simulações numéricas para o dia 7 de novembro de 2006 mostraram que o modelo representou bem as principais variáveis meteorológicas. Os resultados mostram que a Baía de Caxiuanã provoca importante impacto nos campos meteorológicos adjacentes, principalmente, através da advecção pelos ventos de nordeste que induzem a temperaturas do dossel mais frias a oeste da baía. Simulações de alta resolução (LES) produziram padrões espaciais de temperatura e umidade alinhados com os ventos durante o período diurno e mudanças noturnas causadas principalmente pela presença da baía e chuvas convectivas. Correlações espaciais entre os ventos de níveis médios e os fluxos verticais de calor latente mostraram que existe uma mudança de correlações negativas para as primeiras horas do dia passando para correlações positivas para o período da tarde e início da noite.