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 / 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.

By collocating 10 years (1999-2009) of remotely sensed surface turbulent heat fluxes with satellite altimetry data, we investigate the impact of ocean mesoscale eddies on the latent and sensible heat fluxes in the South Atlantic ocean. Eddies were identified using the method proposed by Chaigneau et al. (2009), which is based on closed contours of sea level anomaly. Most of the identified eddies had a radius of ~70 km and amplitude of ~5 cm. On average, in the South Atlantic, eddies play a minor role on the ocean-atmosphere heat exchange. However, in strongly energetic regions such as the Brazil-Malvinas confluence or Agulhas Current retroflection regions, eddies can account up to 20-30% of the total variance of the surface turbulent heat fluxes with averaged anomalies of ±10-20 W/m2 for both heat flux components. Cyclonic (anticyclonic) eddies, associated with negative (positive) heat fluxes anomalies tend to cool (warm) the overlying atmosphere. A composite analysis of the turbulent heat fluxes anomalies within the eddies reveals a direct relationship between the eddy amplitude and the intensity of the latent and sensible fluxes anomalies, such that large-amplitude eddies have a stronger signature in the turbulent surface heat fluxes. Heat fluxes anomalies are also much stronger near the eddy centers and decay radially to reach minimum values outside the eddies. / Uma combinação de 10 anos (1999-2009) de fluxos turbulentos de calor pela superfície, medidos a partir de satélites, e dados altimétricos de anomalia da altura da superfície do mar, foram o utilizados com objetivo de investigar o impacto de vórtices de meso-escala nos fluxos de calor sensível e latente na bacia do Atlântico Sul. Para a detecção dos vórtices foi aplicado o método proposto por Chaigneau et al. (2009), que baseia-se em contornos fechados de anomalia da altura da superfície do mar. A maior parte dos vórtices identificados possui raio de ~70 km e amplitude de ~5 cm. Em média, no Atlântico Sul, o impacto dos vórtices para as trocas de calor entre oceano e atmosfera é relativamente fraco. Entretanto, em regiões de alta variabilidade energética como na Confluência Brasil- Malvinas e na retroflecção da Corrente das Agulhas, vórtices de meso-escala podem contribuir com anomalias médias de até ±10-20 W/m2 nos fluxos turbulentos. Vórtices ciclônicos (anti-ciclônicos), associados com anomalias negativas (positivas) de fluxos de calor, tendem a esfriar (esquentar) a atmosfera adjacente. Mapas composite foram analisados para milhares de vórtices, mostrando um relação direta entre a magnitude das anomalias dos fluxos e a amplitude dos vórtices, de tal modo que vórtices de maior amplitude contribuem com maiores anomalias de calor latente e sensível. Além disso, os padrões espaciais dos composites médios revelam que as anomalias são significativamente maiores próximo ao centro dos vórtices e decaem radialmente até atingirem valores absolutos mínimos fora dos contornos dos vórtices.

Em dosséis com arquitetura foliar complexa, a radiação solar difusa pode potencializar a capacidade fotossintética, porque os penetra de modo mais eficiente. Apesar dos diversos estudos realizados nesse sentido em diferentes regiões do globo, os mecanismos e impactos do efeito da fertilização difusa sobre a América do Sul ainda continuam sendo pouco conhecidos. O Arco do Desflorestamento da Amazônia é um cenário ideal para sua maior investigação, tanto pela presença de complexos ecossistemas, quanto pela grande carga de aerossóis lançada para a atmosfera, em decorrência da queima de biomassa. Um estudo baseado em três diferentes localidades do Arco do Desflorestamento da Amazônia foi conduzido, a fim de relacionar a profundidade óptica dos aerossóis com alguns fluxos de superfície. Os resultados mostraram efeitos significativos da presença dos aerossóis tanto na troca de gás carbônico entre a vegetação e a atmosfera, quanto na troca de energia. Ainda, os fluxos mostraram ser sensíveis também às mudanças na temperatura, umidade e vento, além da influência do próprio ciclo diurno. Em cenários hipotéticos, foi possível isolar apenas o efeito do aerossol. O comportamento do fluxo de gás carbônico à presença dos aerossóis não foi o mesmo para as três localidades, o que indica uma grande dependência do fenômeno com as características da vegetação local. Na Reserva Biológica do Jaru e Ilha do Bananal, as trocas de gás carbônico entre a atmosfera e a superfície são favorecidas na presença de aerossóis, podendo atingir valores até 55% maiores em Jaru. Entretanto, Sinop apresentou uma redução de aproximadamente 12% no valor médio do fluxo de gás carbônico, para o período avaliado. Os fluxos de energia mostraram ser afetados negativamente pela presença dos aerossóis. Na Ilha do Bananal, a média do fluxo de calor sensível em cenários sem aerossóis foi em torno de 60% maior, e de até 13% maior para o fluxo de calor latente em Sinop. Devido aos processos de absorção e espalhamento da radiação solar pelos aerossóis, menos energia atinge a superfície e, portanto, há menos disponibilidade para a realização de tais trocas, como esperado. / In complex architecture canopies, the diffuse solar radiation can enhance photosynthetic capacity, as it penetrates more efficiently on them. Although several studies have been conducted on this topic over the world, the mechanisms and impacts of the \"diffuse fertilization effect\" over South America still remains poorly understood. The Amazon Deforestation Arch provides an ideal scenario for its further investigation, by the presence of complex ecosystems and by the large amounts of aerosols released into the atmosphere due to biomass burning. A study based on three different sites in the Amazon Deforestation Arch was conducted in order to relate the aerosol optical depth with some surface fluxes. The results showed significant effects of the aerosol presence in both, the exchange of carbon dioxide between the vegetation and the atmosphere, and the energy exchange. Still, the fluxes also showed to be sensitive to changes in temperature, humidity and wind velocities, as well as the influence of the diurnal cycle itself. In hypothetical scenarios, it was possible to isolate only the aerosol effect. The carbon dioxide flux behavior due to the aerosol presence was not the same for all the three locations, showing that it depends on the local vegetation characteristics. At the Jaru Biological Reserve and Bananal Island, the carbonic gas exchanges between the atmosphere and the surface increased under the aerosol presence, achieving values up to 55% higher in Jaru. However, Sinop showed a decrease by approximately 12% in the average value of the carbon dioxide flux for the evaluated period. Energy fluxes showed to be negatively affected by the presence of aerosols. In the Bananal Island the average of sensitive heat flux in scenarios without aerosols was around 60% higher, and up to 13% higher for the latent heat flux in Sinop. Due to absorption and scattering of solar radiation by the aerosols, less energy reaches the surface, and therefore there is less availability to perform such exchanges, as expected.

Nesta tese investigou-se os padrões microclimáticos, de fluxos de energia e CO2 em uma floresta em planície de inundação da Ilha do Bananal, com ênfase nos efeitos da inundação sazonal nas variáveis atmosféricas e na produtividade do ecossistema, além de estimativas de fluxos aquáticos evasivos de CO2 e CH4. Para tanto, foram utilizadas técnicas micrometeorológicas de vórtices turbulentos, estimativas de armazenamento vertical de CO2 e dados medidos em uma torre micrometeorológica no período de 2004 a 2014, além de campanhas específicas para medidas de fluxos evasivos. Embora existam ciclos sazonais bem definidos de precipitação, temperatura do ar e umidade na região, controlados pela oferta radiativa, esta não explica diretamente as variações na evapotranspiração quando se busca explicá-la pelo aumento da disponibilidade energética. O particionamento da energia disponível aponta para um domínio do calor latente em comparação ao sensível durante períodos de decaimento do saldo de radiação, configurando um padrão peculiar não reportado na literatura. Os dados de temperatura do ar, precipitação pluviométrica, fluxos turbulentos de CO2 e fluxos energéticos (LE e H) mostraram uma possível influência das secas que ocorreram no lado oeste da região, também neste sítio experimental do leste. Os anos de 2005 e 2010 foram mais quentes, pouco chuvosos e mais secos que os demais anos da série de dados, e em 2010 ocorreu a menor produtividade líquida da estação seca. A inundação mostrou ter um papel importante nos fluxos de CO2, fazendo com que a produtividade bruta, a respiração do ecossistema e a produtividade líquida diminuam, somando-se os efeitos esperados pelo controle radiativo. A produtividade líquida respondeu aos efeitos da inundação semanas antes desta iniciar na torre, persistindo seus efeitos até algumas semanas depois, com a diminuição da produtividade. Já a respiração do ecossistema e a produtividade primária bruta mostraram ser mais sensíveis ao início da estação seca, com uma interrupção no declínio atribuído à inundação, provavelmente devido ao favorecimento da decomposição de matéria orgânica suspensa na água. Os resultados dos fluxos de carbono sugerem uma alta assimilação de CO2 pela floresta, o que requer corroboração através de medidas biométricas, não sendo, contudo, descartada a confiabilidade dos resultados. Os resultados da campanha para medidas de fluxos evasivos mostraram que o rio é uma fonte de CO2 para a atmosfera, e tanto o rio quanto a superfície vegetada atuam como fonte de CH4 para a atmosfera, com maior contribuição da superfície vegetada. As concentrações de metano e carbono na água foram superiores ás amostragens da atmosfera, o que já era esperado conforme os estudos existentes na literatura. / This thesis investigated the microclimate, CO2 and energy fluxes patterns at a forest in floodplain of Bananal Island, with emphasis on the seasonal flooding effects in atmospheric variables and ecosystem productivity, as well as estimates of evasive water CO2 and CH4 fluxes. To carry it out, micrometeorological eddy covariance technique was associated, vertical storage CO2 estimates and measured data in a micrometeorological tower from 2004 to 2014, as well as specific campaigns for evasive fluxes measures. Although there are welldefined seasonal cycles of precipitation, air temperature and humidity in the area controlled by the radiative offer, it does not directly explain the variations in evapotranspiration when seeking for explain it by the increase in energy availability. Partitioning of the available energy points to a latent heat flux domain compared to sensible heat flux during net radiation decay periods, showing a peculiar pattern not reported in the literature. The data air temperature, rainfall, eddy CO2 and energy fluxes (LE and H) showed a possible influence of droughts that occurred on the west side of the region, in this experimental site from the east. The years 2005 and 2010 were warmer, little rainy and drier than the other years of the data series, and in 2010 had the lowest net productivity of the dry season. The flood was shown to have an important role in CO2 streams, causing the gross productivity, ecosystem respiration and the net productivity decrease, adding to the effects expected by the radiative control. The net productivity responded to the effects of flooding weeks before this start in the tower, continuing its effects until a few weeks later, with decreasing productivity. Already ecosystem respiration and gross primary productivity proved to be more sensitive to early dry season, with an interruption in the decline attributed to flooding, probably due to favoring the decomposition of organic matter suspended in the water. The results of the carbon fluxes suggest a high CO2 assimilation by forest, which requires corroboration through biometric measurements and are not, however, ruled out the reliability of the results. The results of the campaign to evasive flux measurements showed that the river is a CO2 source to the atmosphere, and both the river and the vegetated surface act as a CH4 source to the atmosphere, with a greater contribution of the vegetated surface. Methane and carbon concentrations in the water were higher ace sampling the atmosphere, which was expected as existing studies in the literature.

Nesta tese investigou-se os padrões microclimáticos, de fluxos de energia e CO2 em uma floresta em planície de inundação da Ilha do Bananal, com ênfase nos efeitos da inundação sazonal nas variáveis atmosféricas e na produtividade do ecossistema, além de estimativas de fluxos aquáticos evasivos de CO2 e CH4. Para tanto, foram utilizadas técnicas micrometeorológicas de vórtices turbulentos, estimativas de armazenamento vertical de CO2 e dados medidos em uma torre micrometeorológica no período de 2004 a 2014, além de campanhas específicas para medidas de fluxos evasivos. Embora existam ciclos sazonais bem definidos de precipitação, temperatura do ar e umidade na região, controlados pela oferta radiativa, esta não explica diretamente as variações na evapotranspiração quando se busca explicá-la pelo aumento da disponibilidade energética. O particionamento da energia disponível aponta para um domínio do calor latente em comparação ao sensível durante períodos de decaimento do saldo de radiação, configurando um padrão peculiar não reportado na literatura. Os dados de temperatura do ar, precipitação pluviométrica, fluxos turbulentos de CO2 e fluxos energéticos (LE e H) mostraram uma possível influência das secas que ocorreram no lado oeste da região, também neste sítio experimental do leste. Os anos de 2005 e 2010 foram mais quentes, pouco chuvosos e mais secos que os demais anos da série de dados, e em 2010 ocorreu a menor produtividade líquida da estação seca. A inundação mostrou ter um papel importante nos fluxos de CO2, fazendo com que a produtividade bruta, a respiração do ecossistema e a produtividade líquida diminuam, somando-se os efeitos esperados pelo controle radiativo. A produtividade líquida respondeu aos efeitos da inundação semanas antes desta iniciar na torre, persistindo seus efeitos até algumas semanas depois, com a diminuição da produtividade. Já a respiração do ecossistema e a produtividade primária bruta mostraram ser mais sensíveis ao início da estação seca, com uma interrupção no declínio atribuído à inundação, provavelmente devido ao favorecimento da decomposição de matéria orgânica suspensa na água. Os resultados dos fluxos de carbono sugerem uma alta assimilação de CO2 pela floresta, o que requer corroboração através de medidas biométricas, não sendo, contudo, descartada a confiabilidade dos resultados. Os resultados da campanha para medidas de fluxos evasivos mostraram que o rio é uma fonte de CO2 para a atmosfera, e tanto o rio quanto a superfície vegetada atuam como fonte de CH4 para a atmosfera, com maior contribuição da superfície vegetada. As concentrações de metano e carbono na água foram superiores ás amostragens da atmosfera, o que já era esperado conforme os estudos existentes na literatura. / This thesis investigated the microclimate, CO2 and energy fluxes patterns at a forest in floodplain of Bananal Island, with emphasis on the seasonal flooding effects in atmospheric variables and ecosystem productivity, as well as estimates of evasive water CO2 and CH4 fluxes. To carry it out, micrometeorological eddy covariance technique was associated, vertical storage CO2 estimates and measured data in a micrometeorological tower from 2004 to 2014, as well as specific campaigns for evasive fluxes measures. Although there are welldefined seasonal cycles of precipitation, air temperature and humidity in the area controlled by the radiative offer, it does not directly explain the variations in evapotranspiration when seeking for explain it by the increase in energy availability. Partitioning of the available energy points to a latent heat flux domain compared to sensible heat flux during net radiation decay periods, showing a peculiar pattern not reported in the literature. The data air temperature, rainfall, eddy CO2 and energy fluxes (LE and H) showed a possible influence of droughts that occurred on the west side of the region, in this experimental site from the east. The years 2005 and 2010 were warmer, little rainy and drier than the other years of the data series, and in 2010 had the lowest net productivity of the dry season. The flood was shown to have an important role in CO2 streams, causing the gross productivity, ecosystem respiration and the net productivity decrease, adding to the effects expected by the radiative control. The net productivity responded to the effects of flooding weeks before this start in the tower, continuing its effects until a few weeks later, with decreasing productivity. Already ecosystem respiration and gross primary productivity proved to be more sensitive to early dry season, with an interruption in the decline attributed to flooding, probably due to favoring the decomposition of organic matter suspended in the water. The results of the carbon fluxes suggest a high CO2 assimilation by forest, which requires corroboration through biometric measurements and are not, however, ruled out the reliability of the results. The results of the campaign to evasive flux measurements showed that the river is a CO2 source to the atmosphere, and both the river and the vegetated surface act as a CH4 source to the atmosphere, with a greater contribution of the vegetated surface. Methane and carbon concentrations in the water were higher ace sampling the atmosphere, which was expected as existing studies in the literature.