O presente trabalho tem como objetivo investigar a evolução temporal e espacial da camada limite planetária (CLP) na cidade de São Paulo durante o período noturno, utilizando o modelo LES. Foram simulados os campos tridimensionais das três componentes da velocidade do vento, temperatura potencial e concentração de monóxido de carbono (CO). Três propriedades da CLP noturna em São Paulo foram analisadas: a) Altura da CLP estável (CLE); b) Jatos de baixos níveis (JBN); c) Dispersão turbulenta de CO. Foi analisado também o ciclo diurno dos fluxos turbulentos de calor sensível e de CO na superfície. Inicialmente foi desenvolvido um procedimento de validação para avaliar o desempenho do modelo LES na simulação das propriedades da CLP convectiva, neutra e estável, utilizando como referência os resultados de simulações consagrados na literatura. A validação foi realizada comparando os perfis verticais médios de velocidade horizontal, temperatura potencial, variância das componentes da velocidade e as componentes da equação do balanço de energia cinética turbulenta (ECT). Os resultados dessa comparação indicam que o modelo LES atual é capaz de reproduzir todas as características dos processos turbulentos destes escoamentos. Foram realizados quatro experimentos numéricos com o intuito de investigar a evolução diurna da CLP para a situação de inverno em São Paulo, usando como condições de contorno, valores horários médios mensais de temperatura potencial e concentração de monóxido de carbono observados em superfície durante o mês de junho em São Paulo. Esses experimentos utilizaram também como condição de contorno a situação média nos dias de céu claro (sem nuvem) no mês de junho em São Paulo. O impacto da intensidade do vento também foi analisado especificando-se como forçante externa o vento geostrófico igual a 5 m/s e 10 m/s de oeste. Os dados utilizados neste trabalho foram medidos na plataforma micrometeorológica do IAG-USP (temperatura do ar e fluxo turbulento de calor sensível) e na estação Lapa da CETESB (concentração de monóxido de carbono e velocidade do vento). Os resultados destas 4 simulações indicam que a altura da CLE foi simulada pelo modelo LES de forma consistente com as forçantes e condições de contorno usadas, indicando que durante o mês de junho em São Paulo a altura da CLE varia entre 100 m e 275 m (médias) e 62 m e 203 m (dias de céu claro). Verificou-se também que a turbulência da CLE é mantida pela produção mecânica de ECT e dissipada majoritariamente pela destruição térmica. A dissipação molecular tem um papel secundário e o transporte turbulento não afeta as propriedades da CLE. Os resultados indicam que as formulações empíricas utilizadas neste trabalho são capazes de reproduzir de forma equivalente a ordem de magnitude da altura da CLE simulada para São Paulo. O melhor resultado foi obtido com h = 700 u*. As simulações do JBN indicaram que para São Paulo o mecanismo de ajuste inercial gera máximos da ordem de 7,1 m/s em torno de 210 m as 05:30 HL (forçante de 5 m/s) e de 14,5 m/s em torno de 420 m e as 05:30 HL (forçante de 10 m/s). Foi observada uma intensificação da turbulência acima do topo da camada estável. A evolução espacial e temporal da concentração de CO simulado pelo modelo LES apresenta um padrão de dispersão turbulento compatível com o esperado para o inverno em São Paulo. Finalmente, o modelo LES é capaz de reproduzir as principais características da evolução diurna do fluxo de calor sensível e de monóxido de carbono da superfície observados no mês de junho na cidade de São Paulo. / The main objective of this work is to investigate the temporal and spatial evolutions of the planetary boundary layer (PBL) in the city of São Paulo during the nighttime period, using a large-eddy simulation (LES) model. It was simulated the 3-dimensional fields of the three components of the wind speed, potential temperature and carbon monoxide concentration. Three properties of nocturnal PBL were investigated: a) PBL depth; b) Low level jet (LLJ) and c) Turbulent dispersion of CO. The diurnal evolution of the turbulent fluxes of sensible heat and CO was also analyzed. Initially, a validation procedure was carried considering the performance of LES model in to simulate the behavior of the PBL for convective, neutral and stable conditions using as reference simulation results available in the literature. The validation was performed by comparing the mean vertical profiles of horizontal wind, potential temperature, variance of wind speed components and the turbulent kinetic energy (TKE) equation components. They indicated that the actual version of LES model is capable to simulate the entire cycle of the PBL diurnal evolution over a homogeneous and flat surface. Once validated, the LES model was applied to simulate the PBL for a complete diurnal cycle over a flat and homogeneous surface with aerodynamic roughness length representative of a typical urban area of São Paulo. Four simulations were designed to investigate the nighttime PBL evolution for winter conditions in São Paulo, using as input, monthly average hourly values of potential temperature and monoxide carbon observed at the surface during June in São Paulo. The mean condition for clear sky days observed in June in São Paulo was also considered as input in these simulations. The impact of wind intensity was also analyzed by considering as the external forcing in these simulations a constant background geostrophic wind of $5$ and $10 ms^{-1}$ from West. The dataset used in this work was observed in the micrometeorological platform of IAG (air temperature and sensible heat flux) and at the surface station of environmental agency of the state of São Paulo (CETESB) locate at Lapa (CO and wind speed). The results indicate that the height of stable PBL was simulated consistently with the boundary conditions and external forcing, indicating that during June the in São Paulo the PBL height may vary from 100m (mean condition) and 62m (clear days condition) at the beginning of the night to 275m (mean condition) and 203m (clear sky conditions) at the end of nighttime. It was verified that the turbulence in the Stable PBL is maintained by the mechanical production of TKE and dissipated, mainly, by the negative thermal production. Molecular dissipation has a secondary role and turbulent transport of TKE does not affect the stable PBL. All the empirical formulations used here reproduced the order of magnitude of the stable PBL height. The best performance was obtained by $h = 700 u_*$ and $h = 0.5 \\sqrt{\\frac{u_* L}{\\left|fight|}}$. The simulated nocturnal LLJ indicated that for São Paulo the inertial oscillation yields a maximum intensity is $7.1 ms^{-1}$ at $210m$ and 05:30LT (forcing of $5 ms^{-1}$) and $14.5 ms^{-1}$ at $420m$ at 05:30LT (forcing of $10 ms^{-1}$). In both cases the LLJ intensified the turbulence at the top of the stable PBL. The simulated spatial and temporal evolution of the carbon monoxide concentration shows a pattern of turbulent dispersion consistent with the expected one for winter time in the city of São Paulo. Finally, LES model is able to reproduce the main features of the diurnal evolution of turbulent sensible heat and carbon monoxide fluxes at the surface for São Paulo during the winter.

O presente trabalho tem como objetivo investigar a evolução temporal e espacial da camada limite planetária (CLP) na cidade de São Paulo durante o período noturno, utilizando o modelo LES. Foram simulados os campos tridimensionais das três componentes da velocidade do vento, temperatura potencial e concentração de monóxido de carbono (CO). Três propriedades da CLP noturna em São Paulo foram analisadas: a) Altura da CLP estável (CLE); b) Jatos de baixos níveis (JBN); c) Dispersão turbulenta de CO. Foi analisado também o ciclo diurno dos fluxos turbulentos de calor sensível e de CO na superfície. Inicialmente foi desenvolvido um procedimento de validação para avaliar o desempenho do modelo LES na simulação das propriedades da CLP convectiva, neutra e estável, utilizando como referência os resultados de simulações consagrados na literatura. A validação foi realizada comparando os perfis verticais médios de velocidade horizontal, temperatura potencial, variância das componentes da velocidade e as componentes da equação do balanço de energia cinética turbulenta (ECT). Os resultados dessa comparação indicam que o modelo LES atual é capaz de reproduzir todas as características dos processos turbulentos destes escoamentos. Foram realizados quatro experimentos numéricos com o intuito de investigar a evolução diurna da CLP para a situação de inverno em São Paulo, usando como condições de contorno, valores horários médios mensais de temperatura potencial e concentração de monóxido de carbono observados em superfície durante o mês de junho em São Paulo. Esses experimentos utilizaram também como condição de contorno a situação média nos dias de céu claro (sem nuvem) no mês de junho em São Paulo. O impacto da intensidade do vento também foi analisado especificando-se como forçante externa o vento geostrófico igual a 5 m/s e 10 m/s de oeste. Os dados utilizados neste trabalho foram medidos na plataforma micrometeorológica do IAG-USP (temperatura do ar e fluxo turbulento de calor sensível) e na estação Lapa da CETESB (concentração de monóxido de carbono e velocidade do vento). Os resultados destas 4 simulações indicam que a altura da CLE foi simulada pelo modelo LES de forma consistente com as forçantes e condições de contorno usadas, indicando que durante o mês de junho em São Paulo a altura da CLE varia entre 100 m e 275 m (médias) e 62 m e 203 m (dias de céu claro). Verificou-se também que a turbulência da CLE é mantida pela produção mecânica de ECT e dissipada majoritariamente pela destruição térmica. A dissipação molecular tem um papel secundário e o transporte turbulento não afeta as propriedades da CLE. Os resultados indicam que as formulações empíricas utilizadas neste trabalho são capazes de reproduzir de forma equivalente a ordem de magnitude da altura da CLE simulada para São Paulo. O melhor resultado foi obtido com h = 700 u*. As simulações do JBN indicaram que para São Paulo o mecanismo de ajuste inercial gera máximos da ordem de 7,1 m/s em torno de 210 m as 05:30 HL (forçante de 5 m/s) e de 14,5 m/s em torno de 420 m e as 05:30 HL (forçante de 10 m/s). Foi observada uma intensificação da turbulência acima do topo da camada estável. A evolução espacial e temporal da concentração de CO simulado pelo modelo LES apresenta um padrão de dispersão turbulento compatível com o esperado para o inverno em São Paulo. Finalmente, o modelo LES é capaz de reproduzir as principais características da evolução diurna do fluxo de calor sensível e de monóxido de carbono da superfície observados no mês de junho na cidade de São Paulo. / The main objective of this work is to investigate the temporal and spatial evolutions of the planetary boundary layer (PBL) in the city of São Paulo during the nighttime period, using a large-eddy simulation (LES) model. It was simulated the 3-dimensional fields of the three components of the wind speed, potential temperature and carbon monoxide concentration. Three properties of nocturnal PBL were investigated: a) PBL depth; b) Low level jet (LLJ) and c) Turbulent dispersion of CO. The diurnal evolution of the turbulent fluxes of sensible heat and CO was also analyzed. Initially, a validation procedure was carried considering the performance of LES model in to simulate the behavior of the PBL for convective, neutral and stable conditions using as reference simulation results available in the literature. The validation was performed by comparing the mean vertical profiles of horizontal wind, potential temperature, variance of wind speed components and the turbulent kinetic energy (TKE) equation components. They indicated that the actual version of LES model is capable to simulate the entire cycle of the PBL diurnal evolution over a homogeneous and flat surface. Once validated, the LES model was applied to simulate the PBL for a complete diurnal cycle over a flat and homogeneous surface with aerodynamic roughness length representative of a typical urban area of São Paulo. Four simulations were designed to investigate the nighttime PBL evolution for winter conditions in São Paulo, using as input, monthly average hourly values of potential temperature and monoxide carbon observed at the surface during June in São Paulo. The mean condition for clear sky days observed in June in São Paulo was also considered as input in these simulations. The impact of wind intensity was also analyzed by considering as the external forcing in these simulations a constant background geostrophic wind of $5$ and $10 ms^{-1}$ from West. The dataset used in this work was observed in the micrometeorological platform of IAG (air temperature and sensible heat flux) and at the surface station of environmental agency of the state of São Paulo (CETESB) locate at Lapa (CO and wind speed). The results indicate that the height of stable PBL was simulated consistently with the boundary conditions and external forcing, indicating that during June the in São Paulo the PBL height may vary from 100m (mean condition) and 62m (clear days condition) at the beginning of the night to 275m (mean condition) and 203m (clear sky conditions) at the end of nighttime. It was verified that the turbulence in the Stable PBL is maintained by the mechanical production of TKE and dissipated, mainly, by the negative thermal production. Molecular dissipation has a secondary role and turbulent transport of TKE does not affect the stable PBL. All the empirical formulations used here reproduced the order of magnitude of the stable PBL height. The best performance was obtained by $h = 700 u_*$ and $h = 0.5 \\sqrt{\\frac{u_* L}{\\left|fight|}}$. The simulated nocturnal LLJ indicated that for São Paulo the inertial oscillation yields a maximum intensity is $7.1 ms^{-1}$ at $210m$ and 05:30LT (forcing of $5 ms^{-1}$) and $14.5 ms^{-1}$ at $420m$ at 05:30LT (forcing of $10 ms^{-1}$). In both cases the LLJ intensified the turbulence at the top of the stable PBL. The simulated spatial and temporal evolution of the carbon monoxide concentration shows a pattern of turbulent dispersion consistent with the expected one for winter time in the city of São Paulo. Finally, LES model is able to reproduce the main features of the diurnal evolution of turbulent sensible heat and carbon monoxide fluxes at the surface for São Paulo during the winter.

This work uses data from the three components of wind and temperature, collected in an experimental site in the Amazon rainforest for 10 months during GOAmazon Project. A total of 10 levels of sensors were deployed on a micrometeorological tower. Focusing on the nocturnal boundary layer, an analysis of the temporal scales of the motion, using the multiresolution decomposition, has shown that the contributions from horizontal, nonturbulent fluctuations with long temporal scales, can be as significant as purely turbulent fluctuation. On, weakly stable nights the dominant temporal scales of the flow are those associated with, downward (sweeps) and upward events (ejections), which occur with fullydeveloped turbulence, , having dominant time scales between 10 and 100 s. Through the analysis of two-point correlations, it was possible to show that horizontal events with long time scales propagate from the top to within the canopy, being detected at different times, and. The vertical component correlations are larger at the upper canopy, not showing any time delay. The occurrence of positive sensible heat flux near the surface, with times scales larger than 100 s, has been identified in the study of overall averages. It is hypothesized that on very stable nights, non-turbulent modes associated with longer time scales, and referred as "submeso" have great impact on the horizontal components, becoming an important cause of the flow near the forest floor. In these situations, the most relevant time scales are longer than 300 a and dominate the almost entire vertical profile. For these cases, the correlations of turbulent variables decay rapidly a, being between 0.2 and 0.3 for the horizontal components while not exceeding 0.1 for the vertical component does. This reinforces the hypothesis that, for this scenario, the most correlated events between the top of the canopy and its interior are horizontal in nature. / O presente estudo utiliza dados das três componentes do vento e da temperatura, coletados em um sítio experimental na Floresta Amazônica, durante 10 meses, através do Projeto GOAmazon, no qual 10 níveis de sensores foram dispostos ao longo de uma torre micrometeorológica. Com ênfase na camada limite noturna, uma análise das escalas temporais do movimento, usando o método de decomposição em multiresolução, mostrou que as contribuições devido aos movimentos horizontais, de escalas mais longas, podem ser tão significativas quanto as puramente turbulentas. Em noites que a camada limite é fracamente estável, movimentos descendentes (varreduras) e ascendentes (ejeções), associados à turbulência bem desenvolvida, são os responsáveis pela intensidade turbulenta existente, com suas escalas temporais mais significativas entre 10 e 100 s. Através da análise das correlações entre pontos foi possível mostrar que estes eventos propagam-se desde a copa até o interior do dossel, sendo detectados em diferentes instantes de tempo, mais intensamente nas componentes horizontais, conforme alcançam os níveis mais profundos e que estas decaem verticalmente, sendo bem correlacionadas até aproximadamente 0,8 h. Já para a componente vertical as correlações são altas em todos os níveis do perfil e não apresentam atraso. Além disso, a ocorrência de fluxos de calor sensível positivo próximo a superfície, em escalas temporais maiores que 100 s, foi identificada no estudo das médias gerais. Em noites de condições de estabilidade alta, modos não turbulentos, associados a escalas temporais mais longas, chamados submeso têm grande impacto nas componentes horizontais do movimento e tornam-se os principais causadores dos fluxos. Nestas situações, as escalas temporais mais relevantes são maiores que 300 s e dominam praticamente todo o perfil vertical. Para estes casos as correlações das variáveis turbulentas decaem rapidamente e apresentam atraso quase nulo, entretanto as componentes horizontais apresentam correlações entre 0,2 e 0,3 nos níveis mais baixos do dossel, enquanto a componente vertical não ultrapassa 0,1. Isto reforça a hipótese de que, para este cenário, os eventos correlacionados entre a copa e o interior do dossel são horizontais.

The Nocturnal Boundary Layer (NBL) turbulent structure above Pantanal Mato-Grossense, under the influence of low-level jets (LLJ) and gravity waves (GW), is investigated. Experimental data obtained during the Interdisciplinary Pantanal Experiment (IPE) dry season (IPE-2), and wet season (IPE-3), carried out between 07th and 22th September, 1999, and 16th and 28th February, 2002, respectively, according to database from Universidade Federal do Mato Grosso, city of Corumbá. Radiosonde data have been used to identify LLJ presence and classify them as: type 1 LLJ (jet associated to the sheltering surface) and type-2 LLJ (jet which causes upside-down mixture). In addition to the radiosonde data, fast response data (wind velocity components, temperature and humidity), measured from a 25m high micrometeorological tower, at 16Hz (IPE- 2) and 8Hz (IPE-3) samples were used. These fast response data were then decomposed in time and scale via Wavelet Transform (WT), with complex Morlet mother wavelet. From the phase difference between the wind velocity s vertical component (w) and temperature (T), obtained through wavelet s cross spectrum, the presence of GW (phase difference near to 90º criterion) were detected. The next step was to establish categories to analyse Pantanal NBL characteristic state phenomena, which were based on LLJ, GW and length groups of occurrence. Such groups are: type 1 LLJ, type 2 LLJ, no LLJ, with GW and no GW. From the amount of data of each group, statistic parameters (variance, skewness, adimensional kurtosis, correlation coefficients and covariances) were estimated by scale, in order to investigate the Pantanal NBL turbulence structure and its variability in scale under the action of each of these groups. It was noticed that, above all groups, type 1 LLJ is the most global intermittence provocative forcing in all micrometeorological series of data in Pantanal. On the other hand, type 2 LLJ is the less global intermittence provocative forcing. With GW group shows an intermediate behavior between groups type 1 LLJ and type 2 LLJ when considering global intermittence promotion. The length scales 0.4m to 5000m were resolved in this study. It was also noticed that Pantanal NBL shows two scale bands with remarkable different characteristics due to predominant distinct forcings in it. For the first length scale band it prevails a mechanical force in the statistical parameters behavior, to all groups and in both seasons. For the second length scale band it prevents the action of buoyancy forces and mesoscale effects in the statistical parameters behavior in Pantanal. As a result, it predominate stable conditions in the dry season; in the wet season, however, NBL may present as a slightly unstable layer, due to a bigger water heat capacity and its ability to behave as a energy sink during the day and heat source during the night. The early evening transition period clearly shows a stable behavior to the dry season and unstable to the wet season. / Investiga-se a estrutura da turbulência na Camada Limite Noturna (CLN) acima do Pantanal Mato-Grossense sob a influência de jatos de baixo nível (JBN s) e ondas de gravidade (OG s). Os dados experimentais são provenientes do Experimento Interdisciplinar do Pantanal (IPE), na estação seca (IPE-2), realizado no período entre 07 e 22 de Setembro de 1999, e na estação inundada (IPE-3), realizado no período entre 16 e 28 de Fevereiro de 2002, na base de estudos da Universidade Federal do Mato Grosso do Sul, no município de Corumbá. Utilizaram-se dados de radiossondagens para identificar a presença e classificar os JBN s como: JBN tipo 1 (jato associado à blindagem da superfície) e JBN tipo 2 (jato que promove mistura de cima para baixo). Além dos dados de radiossondagem, utilizaram-se dados de resposta rápida (componentes da velocidade do vento, temperatura e umidade) medidos em torre micrometeorológica de 25m de altura a uma taxa de amostragem de 16Hz (IPE-2) e 8Hz (IPE-3). Os dados de resposta rápida foram decompostos em tempo e escala via Transformada em Ondeletas (TO), com ondeleta-mãe complexa de Morlet. A partir da diferença de fase entre a componente vertical da velocidade do vento (w) e temperatura (T), obtida através do espectro cruzado de ondeleta, detectou-se a presença de OG s (critério de diferenças de fase próximas de 90º).A partir disso estabeleceram-se categorias para análise de fenômenos característicos do estado da CLN pantaneira, as quais, se basearam em classes de ocorrência de JBN, de OG e duração das mesmas. As classes são: com JBN tipo 1, com JBN tipo 2, sem JBN, com OG e sem OG. A partir do conjunto de dados de cada classe, foram estimados parâmetros estatísticos (variâncias, skewnesses, curtoses adimensionais, coeficientes de correlação e covariâncias), por escala, para investigar a estrutura da turbulência na CLN do Pantanal e sua variabilidade em escala sob a ação de cada uma dessas classes. Observouse que o JBN tipo 1, entre todas as classes, é o forçante que mais promove intermitência global nas séries de dados micrometeorológicos do Pantanal. Por outro lado, a classe JBN tipo 2 é o forçante que menos promove intermitência global. A classe com OG apresenta um comportamento intermediário entre as classes JBN tipo 1 e JBN tipo 2 na promoção de intermitência global. Foram resolvidas escalas de comprimento de 0,4m até 5000m. Observou-se, também, que a CLN do Pantanal apresenta duas bandas de escalas com características marcadamente diferentes devido aos forçantes distintos predominantes nas mesmas. Para a primeira banda de escalas de comprimento predomina a ação mecânica no comportamento dos parâmetros estatísticos, para todas as classes e nas duas estações. Para a segunda banda de escalas de comprimento predomina a ação das forças de flutuabilidade e efeitos de mesoescala no comportamento dos parâmetros estatísticos no Pantanal. Como consequência disto, na estação seca predominam condições estáveis e na estação inundada, a CLN pode apresentar-se como uma camada levemente instável, devido a maior capacidade térmica da água e de sua capacidade de comportar-se como sumidouro de energia durante o dia e fonte de calor durante a noite. O período de transição tarde-noite demonstra claramente um comportamento estável para a estação seca e instável para a estação inundada.