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Previous issue date: 2017-02-21 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Amazonas - FAPEAM / The occurrence of extreme phenomena (EF) in the stable boundary layer (SBL) above the
Amazon forest is studied. For this, a methodology available in the literature has been proposed,
based on the statistically robust detection of precursor signals that precede the existence of a
turning point that marks the threshold between two qualitatively different states of the
investigated dynamical system. Such precursor signals are detectable in the periods prior to
such a critical transition when there is considerable dumping of turbulent fluctuations, as if they
act as a precursor to the extreme phenomena onset, which indicates characteristic “critical
slowing down” (CSD) processes, according to Dakos et al. (2012) proposition. They are
associated with strong convective motions and great changes in the values of the equivalent
potential temperature, θE, increases in the ozone O3 concentrations (which are considered as
state variables), and with changes in wind direction and abrupt increases in wind speed (U)
values, generally indicating the transition from a weak turbulence regime to a strong turbulence
regime. The application of another methodology for EFs characterization based on the Wavelet
Transform (TW) analysis and on the use of the information regarding the scale-value phase
provided by the wavelet coefficients has allowed the detection of singularities associated to the
occurrence of the EF, besides the characterization of processes associated to its generation, such
as the existence of subharmonic and superharmonic bifurcations, respectively before and after
the of EF’s occurrence, and period doubling oscillations. The use of Poincaré’s diagrams with
information obtained before and after the EF occurrence allowed the identification of a repulsor
fixed point and a repulsor limit-cycle before the EF occurrence and of an attractor limit-cycle
and an attractor fixed point after the EF occurrence. The latter remained while it was possible
to maintain a sufficiently strong turbulence regime, after which the oscillation pattern of the
signals measured just above the forest canopy presented a drastic modification, with effects on
the forest-atmosphere interaction patterns. The used time series were obtained from a
meteorological tower erected in the Cuieiras Biological Reserve, located 60 km north /
northwest of the city of Manaus, northern Brazil (S 2 ° 36.11 ', W 60 ° 12.56'), during the
Amazon rainy season regarding the experimental campaigns of the GoAmazon project
(Observations and Modeling of the Green Ocean Amazon) in 2014/15. In the present study,
several statistical tests are performed in order to verify the occurrence of CSD phenomena in
the atmospheric boundary layer, particularly in the nocturnal boundary layer. Four cases in
which CSD occurred in precursor periods of the transition between the two above mentioned
turbulence regimes were analyzed, which was always carried out during the region‘s rainy
season. Here we will initially deepen the analyzes for the case of April 12, 2014 because it is
the day with greater data availability and for which the best results were obtained in comparison
with the other identified cases, possibly because it is an event in which the strong convective
cloud that triggered FE detected at the surface had its axis of spatial displacement arranged so
as to point towards the region in which the experimental tower is located. As main conclusions,
we can mention: i) several statistically robust tests were performed in order to prove the
existence of CSD for some cases in the tropical atmosphere. To our knowledge this is the first
proven case of CSD detection for experimental data in the atmospheric nocturnal boundary layer; Ii) the cases in which the CSD indicators tended to be more robust were those where the
axis of displacement of the cloud was pointing towards the experimental tower; Iii) the variables
that were most adequate to verify the occurrence of CSD was θE and O3 concentration; Iv)
Significant increases in the indicators occur only once per transition, reaffirming the CSD
principles already analyzed in the available literature and discussed throughout the present
manuscript; V) All positive trends for CSD always occurred in transitions between weak and
strong turbulence regimes and were always accompanied by changes of at least 45 ° in the
direction of the wind and presence of deep convection in the surroundings of the experimental
site; Vi) for some cases there were repulsor and attractors cycles associated with oscillations of
the measured variables, such as wind speed. These cycles have been obtained from Poincaré’s
diagrams associating the variable oscillations with their respective time derivatives. It should
be noted that the Poincaré’s diagrams associated with the wind speed data were fully
satisfactory for this particular case study. For the other cases, such good accuracy was not fully
verified. With this methodology it was possible to obtain information about the nonlinear
process involving the interaction of the movements generated in strong convective clouds with
the surface. / É estudada a ocorrência de fenômenos extremos (FE) na camada limite estável (CLE) acima da
floresta Amazônica. Para isso foi utilizada metodologia disponível na literatura, baseada na
detecção estatisticamente robusta de sinais precursores que antecedem a existência de um ponto
de ruptura que marca o limiar entre dois estados qualitativamente diferentes do sistema
dinâmico investigado. Tais sinais precursores são detectáveis nos períodos que antecedem tal
transição crítica em que há um amortecimento considerável das flutuações turbulentas, como
se isto funcionasse como fenômeno precursor da irrupção dos fenômenos extremos, o que indica
processos característicos de "critical slowing down” (CSD), conforme a conceituação de Dakos
et al. (2012). Eles apresentam-se associados a forte atividade convectiva, com diminuições
consideráveis nos valores da temperatura potencial equivalente, θE, e com aumentos
consideráveis nas concentrações de ozônio, O3 (assumidas como variáveis de estado), além de
alterações na direção do vento e aumentos abruptos nos valores da velocidade do vento (U), em
geral indicando a transição de um regime de turbulência fraca para outro de turbulência forte.
A aplicação de outra metodologia para a caracterização de FE’s, baseada na utilização da
decomposição do sinal em escalas usando-se a Transformada Wavelet (TW) e a utilização da
informação referente aos valores das fases do sinal nas escalas permitiu a detecção de
singularidades associadas à ocorrência do FE, além da caracterização de processos associados
à sua geração, como a existência de bifurcações sub-harmônicas e super-harmônicas,
respectivamente antes e depois da eclosão do FE e de dobramento de período. A utilização de
diagramas de Poincaré, nos quais foi usada informação que precede, e também que sucede o
FE, permitiu a identificação de ponto fixo e ciclo-limite repulsores antes do FE e de ciclo-limite
e ponto fixo atratores depois do FE. Este último permaneceu existindo enquanto foi possível se
manter um regime de turbulência suficientemente forte, após o que o padrão de oscilação dos
sinais medidos pouco acima da copa florestal sofreu modificação drástica, com reflexos nos
padrões de interação entre a floresta e a atmosfera. As séries temporais usadas foram obtidas
em torre meteorológica erigida na reserva Biológica do Cuieiras, localizada a 60 km a
norte/noroeste da cidade de Manaus, norte do Brasil (S 2°36.11', W 60°12.56'), durante o
período correspondente à estação chuvosa da Amazônia, quando das campanhas experimentais
do projeto GoAmazon (Observations and Modeling of the Green Ocean Amazon) em 2014/15.
No presente estudo foram efetuados diversos testes estatísticos para comprovar a ocorrência de
fenômenos do tipo CSD na camada limite atmosférica, particularmente, na camada limite
noturna. Foram analisados quatro casos em que ocorreu CSD em períodos precursores da
transição entre os dois regimes de turbulência supramencionados, o que se verificou sempre
durante a estação chuvosa da região. Aqui serão inicialmente aprofundadas as análises para o
caso do dia 12 de abril de 2014 por se tratar do dia com maior disponibilidade de dados e para
o qual foram obtidos os melhores resultados, em comparação com os demais casos
identificados, possivelmente por se tratar de um evento em que a forte nuvem convectiva que
desencadeou o FE à superfície teve seu eixo de deslocamento espacial disposto de forma a
apontar para a região onde estava a torre experimental. Como principais conclusões, podem ser
mencionados: i) foram feitos vários testes estatisticamente robustos que comprovaram aexistência de CSD para alguns casos na atmosfera tropical. Ao que se saiba este foi o primeiro
caso comprovado de CSD para dados experimentais na camada limite noturna; ii) os casos em
que se obteve maior robustez nas tendências dos indicadores de CSD foram aqueles em que o
eixo de deslocamento da nuvem estava apontando na direção da torre experimental; iii) as
variáveis que se mostraram mais adequadas para verificar a ocorrência de CSD foram 𝜃 e
concentração de 𝑂; iv) Aumentos significativos nos indicadores ocorrem uma única vez por
transição, reafirmando os princípios do CSD já analisados na literatura disponível e discutidos
ao longo do presente manuscrito; v) Todas as tendências positivas para existência de CSD
ocorreram sempre em transições entre regimes de turbulência fraca e forte e estiveram sempre
acompanhadas de mudanças de pelo menos 45° na direção do vento e presença de convecção
profunda nos arredores do sitio experimental; vi) para alguns casos verificou-se a existência de
ciclos repulsores e atratores associados às flutuações de variáveis como a velocidade do vento.
Esses ciclos foram obtidos a partir da construção de diagramas de Poincaré associando as
flutuações das variáveis e suas respectivas derivadas temporais. Observe-se que os diagramas
de Poincaré associados aos dados de velocidade do vento foram plenamente satisfatórios para
este estudo de caso. Para os demais casos tal robustez não foi plenamente verificada, mas com
os ciclos sempre evidentes para todos os casos analisaos. Com tal metodologia foi possível
obter informações sobre o processo não linear envolvendo a interação dos movimentos
engendrados em nuvens convectivas fortes com a superfície.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:localhost:tede/2260 |
| Date | 21 February 2017 |
| Creators | Farias, Francisco Otávio Miranda |
| Contributors | Sá, Leonardo Deane de Abreu, Randow, Celso von, Ramos, Fernando Manoel |
| Publisher | Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia, Clima e Ambiente (CLIAMB), INPA, Brasil, Coordenação de Pós Graduação (COPG) |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do INPA, instname:Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia, instacron:INPA |
| Rights | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/, info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 3500086864783825195, 600, 600, 600, 3806999977129213183, -4671505905809893211 |
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