A turbulência é responsável pelas trocas de calor, massa e momento entre a superfície e a atmosfera. Investigar as suas propriedades na Camada Limite Superficial (CLS) é fundamental para melhorar o entendimento do papel dos processos de troca turbulenta nos estudos de balanço de energia, massa e momento em áreas urbanas, contribuindo para melhorar o desempenho de modelos de previsão do tempo, clima e dispersão de poluentes, ferramentas vitais para gerenciamento ambiental e para a melhoria da qualidade de vida de mais de 85% da população brasileira que vive em cidades. Sobre superfícies ideais, as propriedades estatísticas e espectrais da turbulência na Subcamada Inercial (SI) da CLS são descritas por relações universais da Teoria de Similaridade de Monin-Obukhov (TSMO). No entanto, em áreas urbanas a SI está afastada da superfície pela Subcamada de Rugosidade, dificultando as observações que passam a amostrar a turbulência gerada individualmente pelos elementos de rugosidade no dossel. Nessas condições as propriedades da turbulência não obedecem a TSMO, colocando em questão a sua validade em áreas urbanas. O objetivo deste trabalho é descrever as propriedades estatísticas e espectrais da turbulência da Região Metropolitana de São Paulo (RMSP) utilizando observações de turbulência realizadas entre 2009 e 2017 na plataforma micrometeorológica do projeto MCITY BRAZIL situada no topo do prédio do IAG do campus Butantã da USP. As observações de turbulência correspondem às três componentes da velocidade do vento, temperatura do ar e densidades de vapor dágua e CO2 e foram realizadas de forma simultânea por meio de um anemômetro sônico acoplado a um analisador de gás entre 25 e 26 m do solo com frequência de amostragem de 10 Hz. A descrição das propriedades estatísticas e espectrais abrange: (a) o desenvolvimento de um algoritmo (MBFLUX) de controle de qualidade dos dados; (b) inventário das propriedades aerodinâmicas da superfície com os principais métodos morfométricos e anemométricos de estimativa do comprimento do deslocamento do plano zero e de rugosidade aerodinâmico; (c) análise do footprint das observações; (d) avaliação objetiva do impacto da incertezas dos parâmetros de escala na convergência das relações adimensionais empíricas derivadas a partir das observações no âmbito da TSMO e das predições decorrentes da Lei 5/3 de Kolmogorov válidas no subintervalo inercial dos (co)espectros. Neste estudo, verificou-se que as propriedades estatísticas e espectrais da turbulência na CLS suburbana da RMSP, especificamente desvio padrão e a taxa de dissipação molecular de variância das três componentes da velocidade do vento, temperatura do ar, densidade do vapor de água e dióxido de carbono obedecem às relações universais da TSMO. Além disso, está sendo proposto um novo método para estimar a acurácia das propriedades aerodinâmicas da superfície, bem como uma metodologia de análise e controle de qualidade para dados de turbulência em áreas urbanas.

Turbulence drives heat, mass and momentum exchanges between the surface and atmosphere. Investigating its properties in the Surface Layer (SL) is fundamental to understand the rule of turbulent exchange process in budget studies of energy, mass and momentum in urban areas, contributing to improve the performance of the prediction models of weather, climate and pollutant dispersion, which are vital tools to the environmental management and the life quality of more than 85% of Brazilian who live in cities. Over ideal surfaces, statistical and spectral properties of turbulence in the Inertial Sublayer (IS) of the SL are described by universal functions of the Monin-Obukhov similarity theory (MOST). However, in urban areas the IS is away from the surface due to the roughness sublayer, where the measurements sample the turbulence yielded individually by roughness elements in the canopy. Turbulence properties do not follow MOST under these conditions, calling into question their validity for urban areas. This work aims to describe the statistical and spectral properties of the turbulence at Metropolitan Region of São Paulo (MRSP) using turbulence measurements carried out between 2009 and 2017 in the micrometeorological station of the MCITY BRAZIL project located on top of IAG building of Butantã campus of USP. Turbulence measurements correspond to the three wind velocity components, air temperature and densities of water vapor and CO2, and were performed simultaneously by sonic anemometer accoupled to infrared gas analyzer between 25 and 26 m above ground level, with sample frequency of 10 Hz. The description of statistical and spectral properties encompass: (a) development of data quality control algorithm (MBFLUX); (b) inventory of aerodynamic properties of the surface with the major morphometric and anemometric methods to estimate the roughness length and zero-plane displacement; (c) footprint analysis of the measurements; (d) evaluation of the impact of scale-parameter uncertainty in the convergence of empirical functions derived from measurements on the framework of MOST and of predictions of the 5/3 Kolmogorov law in the inertial subrange of the (co)spectra. In the present study was verified that statistical and spectral properties of turbulence in the urban SL of the MRSP, specifically the standard deviation and molecular dissipation rate of variance of the three wind velocity components, air temperature and densities of water vapor and CO2 follow the universal functions of MOST. Besides, it is proposed a new method to estimate the accuracy of surface aerodynamic properties, as well as a new methodology of analyze and quality control for turbulence data of urban areas.