Características de la turbulencia atmosférica en un bosque de coníferas

Abstract

En el presente trabajo se analizan mediciones de dos y tres componentes instantáneas de la velocidad del viento, adquiridos simultáneamente a dos y cuatro alturas, en el seno del bosque y por arriba del mismo, en una torre meteorológica instalada en el bosque de Solling, Alemania, por el Instituto de Bioclimatología de la Universidad Georg Augustus de Goettingen. Los registros, adquiridos con anemómetros ultrasónicos a una frecuencia de 10 Hz, son analizados a través de estadísticas tradicionales, análisis por cuadrantes, correlaciones cruzadas y análisis espectral y por wavelets. Los resultados confirman la existencia en la capa de corte superior de oscilaciones de gran escala, independientes del tipo de rugosidad de la vegetación, y estructuras vorticosas transversales de escala espacial comparable a la altura del bosque, que contribuyen al transporte vertical, inyectando cantidad de movimiento desde la capa superior. Se discuten aspectos de la interacción entre la capa de corte sobre la vegetación y la región de muy baja velocidad media cerca del suelo, la que está sometida a tensiones de corte intermitentes por dichas estructuras vorticosas, y es influenciada a su vez por las fluctuaciones de gran escala de la capa superior. En el análisis tridimensional, los resultados muestran un perfil alabeado de velocidades medias, con un cambio en el signo de la velocidad lateral entre las copas de los árboles y la zona inferior. Las correlaciones cruzadas de las componentes de la velocidad cambian de signo en esta región, sugiriendo la presencia intermitente de estructuras vorticosas organizadas, no sólo transversales, sino también de tipo longitudinal. Los espectros y wavelets identifican escalas energéticas de orden H y 10 H, siendo H la altura del bosque, y las wavelets en particular permiten reconocer acoplamientos de movimientos longitudinales, laterales y verticales en esas escalas, que permiten inferir la interacción de estructuras vorticosas de distinta dirección y escala, que promueven importantes flujos laterales y verticales. Se espera que los resultados de este trabajo contribuyan a una descripción más completa del campo turbulento tridimensional que caracteriza al viento en el seno y el entorno de este tipo de vegetación.

In the present work turbulent wind data are analyzed, acquired simultaneously at two and four heights within and above the forest, at the measuring tower installed in the Solling spruce forest by the Institute of Bioclimatology, Georg Augustus University, Goettingen. The data, acquired with ultrasonic anemometers at a frequency of 10 Hz, are analyzed by means of classical statistic techniques, quadrant analysis, cross correlations, spectral analysis and wavelet transform. The results confirm the existence in the upper mixing layer region of the flow of large-scale oscillations independent of the roughness type, and smaller vortical structures of canopy scale, which contribute to the vertical transport phenomena within the forest, injecting momentum from the upper layers. This work discusses aspects of the interaction between the mixing layer region above the forest and the low mean velocity region near the ground, submitted to intermittent shear by the nearby vortex structures and influenced by the large scale fluctuations of the canopy top mixing layer. The three-dimensional analysis shows a twisted mean velocity profile, with a sign change of the lateral velocity between the tree crowns and the lower region. Crosscorrelations of the velocity components also change sign in this region, suggesting the intermittent presence of organized vortex structures, not only transversal, but also of longitudinal type. Spectral and wavelet analysis identify energetic scales of order H (canopy height) and 10H. The wavelet map allows to identify the coupling of longitudinal, lateral and vertical motions in these scales, what suggests the interaction of vortex structures of different orientation and scale, promoting important lateral and vertical flows. The results of this work should contribute to a more complete description of the three-dimensional turbulent wind field within and above this kind of canopies.