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Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Turbulent fluxes may be directly determined as the statistical covariance between quantities locally observed. Besides environmental and instrumental difficulties associated with taking high frequency measurements over the ocean, there is a source of uncertainty inherent to the estimation of turbulent fluxes in the atmosphere, and it is their contamination by nonturbulent motion. This problem is directly related to the time window over which the covariances are determined and to the cospectral gap that, in theory, separates turbulent and nonturbulent events. In this work, we use a methodology based in the Empirical Mode Decomposition, which allows the precise identification of the cospectral gap for each temporal interval over which the fluxes are determined. Furthermore, this novel methodology allows filtering out oscillation modes associated with nonturbulent events, therefore allowing the use of a time window over which the large turbulent eddies are completely sampled. To test the method, data from two oceanic cruises have been used. One is from project HalocAST-2010 (over Eastern Pacific), and the other is from project Acex 2012 (over Southwestern Atlantic). The use of the new method in 4-h time series resulted in an increase of the absolute values of the fluxes of sensible heat, latent heat and momentum, with respect to those determined with the traditionally used 10-minute time series. For CO2 fluxes, it has been observed a large reduction of the average absolute fluxes, suggesting that such measurement may be largely contaminated by nonturbulent fluxes. When compared to bulk estimates, fluxes obtained by the new methodology show reduced scatter with respect to those determined from fixed 10-minute windows. The scatter reduction of the CO2 flux estimates allowed the determination of a functional relationship between piston velocity and wind speed, which is not possible to be obtained from the 10-minute estimates. Fluxos turbulentos são determinados diretamente através da covariância estatística de medidas localmente obtidas. Além das dificuldades ambientais e instrumentais encontradas na realização de medidas de alta frequência em regiões oceânicas, existe uma fonte de incerteza inerente às estimativas de fluxos turbulentos na atmosfera que é a contaminação desses pelos movimentos de mesoescala. Esse problema está diretamente relacionado com a janela temporal em que as covariâncias são calculadas e a lacuna espectral que separa os eventos turbulentos dos não-turbulentos. Nesse trabalho, utilizamos uma metodologia baseada na Decomposição em Modos Empíricos que permite a identificação da lacuna coespectral para cada intervalo em que os fluxos são calculados. Além disso, essa nova metodologia possibilita a filtragem dos modos de oscilação associados aos eventos não-turbulentos, permitido que seja usada uma janela temporal em que os grandes turbilhões sejam suficientemente amostrados. Foram utilizadas as medidas obtidas nos cruzeiros realizados pelos projetos HalocAST-2010 (leste do Pacífico) e ACEx-2012 (Atlântico Sudoeste). O uso da nova metodologia em séries de 4 h resultou em um aumento nos valores absolutos dos fluxos médios de calor sensível, latente e momento em comparação aos tradicionalmente calculados a partir de séries de 10 min. Isso mostra que, além da remoção da contribuição dos eventos de mesoescala, uma melhor representação do transporte associado aos grandes turbilhões também foi obtida. No caso do CO2, foi observada uma grande redução no valor absoluto dos fluxos médios, sugerindo que essa medida possa estar sendo fortemente contaminada pelos eventos não-turbulentos. Quando comparados com estimativas de bulk, os fluxos obtidos pela nova metodologia apresentam menor espalhamento que os calculados a partir de janelas de 10 min. A redução no espalhamento das medidas dos fluxos de CO2, possibilitou a determinação de uma relação funcional da velocidade de transferência com a velocidade do vento, que não pôde ser observada de maneira clara a partir das medidas de 10 min.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Turbulent flow high complexity makes it difficult to describe complex phenomena, such as the transport of vector and scalar quantities at the lower atmosphere, making the analysis of experimental data, such as time series, largely employed. The method mostly used by the micrometeorological community to quantify such turbulent transport is associated with the determination of the statistical covariance between two variables. It is known that the determination of statistical quantities for very long temporal windows leads to a large flux uncertainty. At the same time, the theory indicates that the association between fluxes and statistical covariance is only valid for temporally stationary series. The aim of the present study is to test the hypothesis that the estimate uncertainty is directly related to the series non-stationarity. To better understand this issue, we use a methodology based on a group of parametric and nonparametric statistical tests. The tests considered here are the T-test, F-test, median test, U-test and run test. Furthermore, the test results are compared with the outputs of two signal decomposition procedures: multiresolution analysis and empirical mode decomposition. The results suggest that the flux variability over large temporal scales characterizes the existence of temporal trends and low frequency components in the time series considered, so that it is more associated with an observational limitation of the analysis than with non-stationarity, as this concept should be the property of an ensemble, rather than of a single realization. Such limitation suggests the definition of a practical single order stationarity, associated with temporal trends and low frequency components whose energy is similar or larger to that of the turbulent fluctuations. For that reason, we affirm that the interactions test is, among all considered, the best suited for analyzing atmospheric data, because it is the most sensible to the existence of temporal trends. Furthermore, such test allows obtaining a temporal scale beyond which mesoscale events become important. A complexidade de escoamentos turbulentos causa dificuldade para a descrição de fenômenos complexos, como o transporte de grandezas vetoriais e escalares na baixa atmosfera, fazendo com que a análise de dados experimentais, principalmente séries temporais, seja amplamente utilizada. O método mais utilizado pela comunidade micrometeorológica para quantificar esse transporte pela turbulência está associado à determinação da covariância entre duas variáveis. Sabe-se que a determinação de quantidades estatísticas para janelas temporais muito longas resulta em uma grande incerteza nos valores dos fluxos obtidos através desse método. Ao mesmo tempo, a teoria indica que o procedimento de associar fluxos a covariâncias estatísticas só vale para séries temporalmente estacionárias. O objetivo deste trabalho é testar a hipótese de que a incerteza das estimativas esteja relacionada diretamente com a não-estacionariedade das séries temporais. Para entendermos melhor isso, usamos uma metodologia baseada em um conjunto de testes estatísticos paramétricos e não-paramétricos de hipótese nula. Os testes considerados são o teste-T, teste-F, teste da mediana, teste-U e o teste das interações. Os resultados dos testes são ainda comparados com os obtidos com dois métodos de decomposição de sinais: a análise de multiresolução e a Decomposição Empírica de Modos. Os resultados sugerem que a variabilidade dos fluxos nas grandes escalas temporais está associada diretamente com a presença de tendências e componentes de baixa frequência nas séries analisadas, e que este fato está mais ligado à limitação observacional em que a análise é realizada do que propriamente com a não-estacionariedade, já que esta última é uma propriedade de ensemble e não de apenas uma realização. Esta limitação sugere a definição de um conceito mais prático de estacionariedade de primeira ordem, que seja associado à presença de tendências ou componentes de baixa frequência com energias da ordem ou maiores que a energia das escalas turbulentas. Por esse motivo podemos afirmar que na análise de dados atmosféricos o teste das interações mostrou-se, entre todos os considerados, o mais sensível à presença de tendências, permitindo inclusive a obtenção de uma escala temporal na qual os eventos de meso/submesoescala ganham importância.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES A study of sensible (H) and latent (Le) heat fluxes between the ocean and the atmosphere, using measurements performed by micrometeorological towers aboard Brazilian research vessels in the South and Equatorial Atlantic Ocean, is presented. Data obtained from four cruises, performed in December 2012, July and October 2015 and between November 2017 and January 2018, were studied. The heat fluxes obtained from the Eddy Covariance (CV) methodology and the bulk parameterization were analyzed and compared. For the cruises performed in December 2012, July 2015 and October 2015, the largest differences in fluxes were observed associated with the passage of low pressure atmospheric systems, large differences between sea temperature and air temperature and strong winds. The greatest similarities between the flows were observed under the influence of the South Atlantic Subtropical High and light winds. For the cruise performed between November 2017 and January 2018, the largest discrepancy between the two methods was observed, compared to other cruises, especially for Le. It was also analyzed the micrometeorological behavior of the flow in each of the cruises, under different stability conditions. Anisotropic turbulence was identified in October 2015. This study presents for the first time Hockey Stick obtained from data collected on moving ships. In addition it was possible to observe the presence of submeso scale movements, with the highest number from November 2017 to January 2018. These movements can influence vertical flows, generating unpredictable and random contributions. The results demonstrate the importance of local ocean surface conditions and the large-scale synoptic conditions of the atmosphere, which influence the evolution of the marine atmospheric boundary layer and the heat transfer between the ocean and the atmosphere. Este trabalho apresenta um estudo dos fluxos de calor sensível (H) e latente (Le) entre o oceano e a atmosfera, utilizando medidas realizadas por torres micrometeorológicas a bordo de navios brasileiros de pesquisa no oceano Atlântico Sul e Equatorial. Os dados obtidos em quatro cruzeiros, realizados nos meses de dezembro de 2012, julho e outubro de 2015 e entre novembro de 2017 e janeiro de 2018, foram estudados. Os fluxos de calor obtidos a partir da metodologia da Covariância de Vórtices (CV) e da parametrização de bulk (bulk), foram analisados e comparados. Para os cruzeiros realizados em dezembro de 2012, julho e outubro de 2015, foram observados as maiores diferenças nos fluxos, associadas à passagem de sistemas atmosféricos de baixa pressão, grandes diferenças entre a temperatura do mar e a temperatura do ar e vento intensos. As menores diferenças entre os fluxos foram observadas sob a atuação da Alta Subtropical do Atlântico Sul e regime de ventos fracos. Já para o cruzeiro realizado entre novembro de 2017 e janeiro de 2018 foram observadas as maiores discrepâncias entre os dois métodos quando comparado com os demais cruzeiros, principalmente para Le. Foi analisado também o comportamento micrometeorológico do escoamento em cada um dos cruzeiros, sob diferentes condições de estabilidade. Foi identificada a existência de uma turbulência anisotrópica em outubro de 2015. Este estudo apresenta pela primeira vez Hockey Stick obtidos através dos dados coletados em navios em movimento. Além disso foi possível observar a presença de movimentos da escala submeso, com maior numero de ocorrência no período de novembro de 2017 à janeiro de 2018. Estes movimentos podem influenciar os fluxos verticais, gerando contribuições imprevisíveis e aleatórias. Os resultados demonstram a importância das condições locais da superfície do oceano e das condições sinóticas de grande escala da atmosfera que influenciam a evolução da camada limite atmosférica marinha e a transferência de calor entre o oceano e a atmosfera.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES The present study is divided into three chapters. In the first chapter, a boundary layer method is proposed to estimate sensible and latent heat fluxes on a monthly scale, based on hourly observations of temperature and specific humidity near the surface, as well as in the vertical profiles in the morning period. It is assumed that advective effects can be neglected on this timescale so that tendecies of temperature and humidity are controlled solely by the heat flux convergence in the mixing layer. In the model, growth of the mixing layer is governed by the sensible heat flux and is opposite to the average thermal stratification observed from upper air soundings in a given month. The method is tested for three sites, in which flux estimates are compared to eddy covariance observations without the use of filters based on synoptic regimes, cloudiness or other meteorological conditions. In general, the method is shown to provide realistic monthly estimates of the turbulent fluxes which agree well with the observations. Chapter 2 addresses a necessary refinement in the flux estimation model, given that the evolution of temperature tends to diverge from the observations at 2 pm local time, which coincides with the period of maximum air temperature. The analysis of 170 AmeriFlux flux network sites reveals that the maximum temperature occurs before heat flux inversion, regardless of site characteristics. In addition, results from a Weather Research and Forecasting model numerical simulation are presented which show that the difference between the times of maximum temperature and the inversion in the sign of the sensible heat flux tends to be smaller than in the observations. Nevertheless, this difference cannot be explained by cloud cover or advection. Chapter 3 discusses a hypothesis for the observed decrease in temperature based on the vertical divergence of the sensible heat flux. At 5 sites classified into high and low towers, the existence of vertical divergence in the afternoon occurs consistently. However, it is not clear yet how flux divergence controls the maximum air the time of temperature near the surface. . O presente estudo é dividido em três capítulos. No primeiro, um modelo de camada limite é proposto para estimar fluxos de calor sensível e latente em escala mensal, baseado nas observações horárias de temperatura e umidade específica do ar próximo à superfície, asim como nos perfis verticais no período da manhã. É assumido que efeitos advectivos podem ser negligenciados nessa escala temporal, de modo que as tendências temporais de temperatura e umidade são controladas somente pelo convergência vertical do fluxo de calor na camada de mistura. No modelo, o crescimento na camada de mistura é governado pelo fluxo de calor sensível e oposto à estratificação térmica média observada a partir das sondagens de ar superior sobre um dado mês. O método é testado para três sítios, em que as estimativas de fluxo são comparados às observações de covariância de vórtices. Nenhum filtro é aplicado baseado nas condições sinóticas, nebulosidade ou outras condições externas, de modo que o método fornece estimativas mensais realísticas. Nos três casos, as estimativas dos fluxos se aproximam das observações. O segundo se refere a um refinamento necessário no modelo de estimativa de fluxos, dado que a evolução temporal da temperatura tende a divergir das observações a partir das 14 h local, que coincide com o período de máxima temperatura do ar. Na análise de 170 sítios da rede de fluxos AmeriFlux é consistente a ocorrência da temperatura máxima antes da inversão do fluxo de calor, independente das características dos sítios. Além disso, é apresentado o resultado de uma simulação numérica realizada no modelo Weather Research and Forecasting que mostra que a diferença entre o horário da temperatura máxima e a inversão no sinal do fluxo de calor sensível tende a ser menor do que nas observações. Apesar disso, essa diferença não pode ser explicada por nuvens ou advecção. O terceiro capítulo, aborda uma hipótese para o decréscimo observado na temperatura baseado na divergência vertical do fluxo de calor sensível. Em 5 sítios analisados classificados em torres altas e baixas, a existência da divergência vertical no período da tarde é consistente, porém ainda não é claro de que modo a divergência controla o horário do máximo de temperatura do ar próximo à superfície

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES The forcings responsible for the spatial variability of mean and turbulent quantities in the nocturnal boundary layer are not well understood, especially when the layer is in a very stable, highly stratified state. Mixing becomes weak and the turbulent eddies are spatially controlled by local features. The variability of mean quantities such as temperature, wind speed and humidity increases and the horizontal transport by non-turbulent modes of the flow, such as submeso, becomes important. In this study, results from two field campaigns, carried out in two distinct sites, are presented. The first experiment happened in moderately complex sites, with many meteorological stations deployed over distances of tens to hundreds of meters. Results show that when the layer is very stable, the variability of mean and turbulent quantities over short distances is triggered mainly by the large-scale mean wind speed. The wind speed value that triggers this transition at a given site depends strongly on the altitude, but also on the proximity to obstructions. The second experiment presents a novel idea. Some stations have been deployed at progressively increasing distances from specific obstacles, such as trees, shrubs or buildings. The aim was to quantify how the different obstacles affect the mean wind speed. To quantify the influence of the obstructions, a transmission factor was determined. From these factors, the decomposition of turbulent kinetic energy into temporal scales through the multiresolution decomposition method allowed determining the effects of the obstacles in different scales of the motion, such as turbulence or non-turbulent low-frequency fluctuations, such as submeso. Results indicate that smaller obstructions, such as trees and small buildings affect more intensely the turbulent scales of the flow, while topographic obstacles have larger impact on longer flow scales. Os forçantes que determinam a variabilidade espacial de quantidades médias e turbulentas na camada limite noturna ainda são mal compreendidos, principalmente quando a camada se encontra muito estável, com forte estratificação. A mistura torna-se muito fraca e os turbilhões são controlados espacialmente pelas características locais. A variabilidade entre quantidades médias como, temperatura, umidade e vento local aumenta e o transporte horizontal por modos não turbulentos, como submeso, torna-se importante. Este estudo divide-se em dois experimentos realizados em sítios distintos. O primeiro experimento foi realizado em sítios moderadamente complexos, com várias estações meteorológicas em poucas dezenas ou centenas de metros de distância. Os resultados mostram que quando a camada se encontra muito estável a variabilidade nas quantidades médias e turbulentas entre estações separadas por curtas distâncias é disparada pela velocidade do vento de grande escala. O valor de velocidade do vento que dispara a transição em um determinado local depende fortemente da altitude da estação, mas também da presença de obstruções locais. O segundo experimento apresenta uma proposta inovadora. Algumas estações foram postas próximas e afastadas de obstáculos específicos, como árvores, arbustos e construções, com o objetivo de quantificar como os diferentes obstáculos afetam a velocidade média do vento. Para quantificar os efeitos causados pelas obstruções, um fator de transmissão foi encontrado. A partir desses fatores, a decomposição da energia cinética turbulenta em escalas temporais pelo método da decomposição em multiresolução é possível julgar o efeito da redução causado pelos obstáculos nas diferentes escalas do movimento, como turbulência e escoamento de baixa frequência, ou submeso. Os resultados indicam que obstruções menores, como árvores e pequenas construções afetam mais notadamente as escalas turbulentas do escoamento, enquanto obstáculos topográficos têm maior influência sobre flutuações mais longas do escoamento.