Impacto das mudanças de rugosidade superficial nas interações floresta-atmosfera : uma abordagem de simulação de grandes escalas

Abstract

As transições floresta-clareira apresentam desafios significativos para a modelagem atmosférica devido à complexidade das estruturas turbulentas induzidas pela mudança abrupta de rugosidade superficial. Essas interações têm implicações críticas para o microclima, a dispersão de poluentes e a gestão de ecossistemas. A precisão das simulações nessas regiões é essencial para compreender e prever efeitos ecológicos e climáticos, sendo fundamentais para o planejamento ambiental sustentável. Modelos atmosféricos tradicionais frequentemente falham em representar adequadamente os fluxos turbulentos e recirculações geradas nas zonas de transição floresta-clareira. Isso ocorre porque abordagens clássicas não conseguem capturar eventos turbulentos intermitentes, como varreduras e ejeções, fundamentais para o transporte vertical de quantidade de movimento. Além disso, permanecem incertezas sobre como os termos da equação de Navier-Stokes regulam essas trocas turbulentas, especialmente em relação aos gradientes de pressão e forças advectivas próximas às interfaces vegetativas. A tese utiliza Simulações de Grandes Escalas (LES), implementadas no software ANSYS Fluent com técnicas numéricas avançadas e refinamento da malha computacional nas regiões críticas do domínio. Essas simulações iniciam-se com campos médios obtidos por meio de simulações RANS pré-validadas com dados experimentais de referência. A floresta é modelada como uma fonte de arrasto adicionada às equações de balanço de quantidade de movimento, proporcionando uma representação realista do efeito vegetativo sobre o escoamento atmosférico. As simulações são analisadas usando perfis de velocidade e variáveis turbulentas, decomposição por quadrantes (Q-H) e análises condicionais para identificar estruturas coerentes e padrões de transporte específicos. Os resultados das simulações demonstram que a LES captura eficazmente a dinâmica do escoamento próximo às bordas do dossel, identificando fenômenos como jatos subdossel, desaceleração e aceleração do fluxo. A análise condicional revelou a importância dominante dos eventos turbulentos do tipo varredura e ejeção na transferência de quantidade de movimento. Entretanto, constatou-se que a LES apresenta dificuldades na representação da anisotropia da turbulência e do transporte de quantidade de movimento, subestimando tensões de Reynolds acima do dossel e superestimando variâncias. A análise dos termos das equações de Navier-Stokes indicou fortes gradientes nas regiões de transição, ressaltando a importância do gradiente de pressão e dos termos advectivos na reorganização do fluxo após mudanças abruptas de rugosidade. Este estudo fornece contribuições relevantes para o entendimento da dinâmica turbulenta nas regiões de transição floresta-clareira, especialmente quanto à extensão da influência da borda sobre o escoamento e ao papel decisivo das estruturas coerentes (varreduras e ejeções) no transporte turbulento vertical. Além disso, oferece uma metodologia numérica robusta para futuras investigações, com recomendações claras para aprimoramentos da modelagem LES, aplicação de técnicas avançadas como aprendizado de máquina, e integração com dados experimentais mais detalhados. Essas contribuições são importantes tanto para a ciência atmosférica quanto para o manejo ambiental, oferecendo subsídios concretos para estratégias eficazes de mitigação dos efeitos negativos da fragmentação florestal.