%0 Thesis
%4 sid.inpe.br/mtc-m21c/2019/04.01.16.07
%2 sid.inpe.br/mtc-m21c/2019/04.01.16.07.24
%T Physical limnology of large floodplain lakes along the lower Amazon river
%J Limnologia física de grandes lagos de planície de inundação ao longo do baixo Amazonas
%D 2019
%8 2019-04-09
%9 Tese (Doutorado em Sensoriamento Remoto)
%P 115
%A Augusto-Silva, Pétala Bianchi,
%E Kampel, Milton (presidente),
%E Novo, Evlyn Márcia Leão de Moraes (orientadora),
%E Rudorff, Conrado de Moraes (orientador),
%E Carvalho, Lino Augusto Sander de,
%E Melack, John Michael,
%I Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
%C São José dos Campos
%K Tropical shallow floodplain lakes, mixing, convective cooling, water surface temperature, remote sensing, lagos rasos de planície de inundação tropical, mistura, resfriamento convectivo, temperatura da surperfície da água, sensoriamento remoto.
%X Large, shallow lakes are common in the extensive floodplains throughout the tropics and its importance for climate regulation has already been proven. To determine controls on their mixing dynamics in order to help define proper simplifications to insert this type of lakes in land surface models, five stations were instrumented with meteorological and temperature sensors and placed in two shallow connected tropical lakes on the lower Amazon floodplain. A tight relation between changes in thermal structure and LMO/h (the ratio of the Monin- Obukhov length scale LMO to the depth of the actively mixing layer h) indicates the sensitivity of thermal structure to wind speed relative to heating and cooling. Four regimes led to variations in mixing: (i) high solar radiation with light winds in the mid-morning to early afternoon resulted in shallow stratification, 0 < LMO/h <1; (ii) afternoons with higher winds caused the diurnal thermocline to downwell and heat to mix to deeper layers, LMO/h >1; (iii) by late afternoon, buoyancy flux became negative and LMO/h < -1 and with W u and w both > 0.06 m.s-1, mixing from wind and cooling co-occurred; and (iv) convection dominated mixing on nights with light winds, -1 < LMO/h < 0. Pattern (ii) occurred mid-day if winds were higher. When winds were intermittent and regime (i) predominated mid-day, changes in heat content were primarily determined by one-dimensional processes of heating and cooling. When easterly winds were sustained and regime (ii) occurred mid-day, heat was transported west in the day, and colder water upwelled to the west or was advected to the west and north at night. Subtle differences in wind speed determined the extent to which advection moderated the thermal structure. Wind and solar radiation were found to be the most important parameters influencing the water column thermal structure of the lakes under study. Given the regimes identified by the in situ measurements and the increasingly applicability of orbital remote sensing to the study of the temperature patterns on inland aquatic systems, a model was developed for extracting bulk temperature (equivalent to that measured in situ) from the surface temperature (called skin temperature) provided by the MOD11A1 product of the MODIS sensor onboard the Aqua and Terra satellites. This model was calibrated and validated using a Monte Carlo simulation, resulting in a normalized error of 18.32%. The model, however, presented low R2 values, indicating that further research is needed on longer time series before this product can be used for pattern studies. RESUMO: Grandes lagos rasos são comuns nas extensas planícies de inundação ao longo dos trópicos cuja importância para a regulação climática já foi comprovada na literatura científica. Para determinar os fatores que controlam a dinâmica de mistura desses lagos e contribuir para a definição de simplificações mais adequadas para inserção desse tipo de lagos em modelos de superfície, cinco estações foram instrumentadas com sensores meteorológicos e de temperatura e posicionadas em dois lagos rasos interconectados da planície de inundação do baixo Amazonas. Uma relação estreita entre as variações da estrutura térmica da coluna dágua e a razão LMO/h (razão da escala de comprimento de Monin-Obukhov LMO pela profundidade da camada de mistura ativa h) indica sensibilidade da estrutura térmica em relação à velocidade do vento. Quatro regimes conduzem a variações na mistura da coluna dágua desses lagos: (i) a alta incidência de radiação solar e vento leve do meio da manhã até o início da tarde resulta em estratificação rasa, próxima à superfície e com a razão entre 0 < LMO/h <1; (ii) o vento mais forte à tarde causou o aprofundamento da termoclina diurna, o que resultou em calor sendo levado às camadas mais profundas e a razão LMO/h >1; (iii) ao final da tarde, o fluxo de flutuabilidade tornou-se negativo levando a razão a LMO/h < -1 e, com ambas velocidades horizontal ( W u ) e vertical ( w ) de fricção da água maiores que 0.06 m.s-1, a mistura devido ao vento e aquela devido ao resfriamento da água ocorreram simultaneamente; e (iv) a convecção dominou a mistura da coluna dágua em noites com vento leve e, com isso, a razão ficou -1 < LMO/h < 0. O regime (ii) ocorreu ao meio dia caso o vento fosse mais forte. Quando o vento era intermitente e o regime (i) predominava ao meio dia, mudanças no conteúdo de calor na coluna dágua eram determinadas por processos de resfriamento e aquecimento em uma dimensão apenas. Quando ventos orientais eram mantidos e o regime (ii) ocorria ao meio dia, o calor era transportado para oeste durante o dia, fazendo com que águas mais frias emergissem ou fossem transportadas para essa região dos lagos à noite. Diferenças súbitas na velocidade do vento determinaram a extensão com que a advecção impactava a estrutura térmica. Vento e radiação solar foram os parâmetros mais importantes de regulação da estrutura térmica da coluna dágua dos lagos estudados. Tendo em vista os regimes identificados pelas medidas in situ e a crescente aplicação do sensoriamento remoto orbital ao estudo dos padrões de temperatura de sistemas aquáticos continentais, desenvolveu-se um modelo para a estimativa da temperatura volumétrica (equivalente àquela medida in situ) a partir da temperatura de superfície (skin temperature) fornecidas pelo produto MOD11A1 do sensor MODIS a bordo dos satélites Aqua e Terra. Esse modelo foi calibrado e validado utilizando-se uma simulação Monte Carlo, resultando em erro normalizado de 18.32 %. O modelo, contudo, apresentou valores baixos de R2, indicando que são necessárias pesquisas mais aprofundadas em séries temporais mais longas antes que possam ser usados para levantamento de padrões.
%@language en
%3 publicacao.pdf