Tendo em vista o aumento considerável da poltúção do ar provocado em grande parte pela industrialização e o aumento da emissão de poluentes resultantes da queima de combustíveis fósseis por veículos automotores, o presente trabalho tem como objetivo melhorar a previsão e o entendimento da dispersão turbulenta atmosférica. Para tanto, apresenta-se, pela primeira vez, uma representação analít ica para a equação de advecção-difusão-reação tridimensional transiente, com perfil de vento e coeficientes de difusão tmbulenta dependentes da altura, que modelam a dispersão de poluentes na atmosfera. A solução da equação é obtida pela combinação do método GILTT ( Generalized Integral Laplace Transform Technique) com o método da Decomposição de Adomian modificado. Consideram-se dois casos para a aplicação do modelo: no primeiro modela-se a dispersão de um poluente secundário formado por uma reação fotoquímica e no segundo caso, utiliza-se o modelo para determinar o campo de concentração de um poluente que sofre perdas e ganhos devido a influência da radiação solar. Para poder realizar essas análises propôs-se uma parametrização para o termo de reação fotoquímica. São apresentados os resultados numéricos e estatísticos, comparandose com os dados da campanha experimental da Usina Termelétrica de Candiota e com os dados de medições realizadas pela Fundação Estadual de Proteção Ambiental Henrique Luiz Roessler (FEPAM). / In view of the considerable increase of air pollution caused largely by industrialization and the increase of emission pollutants resulting from burning of fossil fuels by motor vehicles, the present work aims to improve the prediction and understanding of atmospheric turbu- lent dispersion. Therefore, is presented, for the rst time, an analytical representation to the transient three-dimensional advection-diffusion-reaction equation, with wind pro le and turbulent diffusion coefficients dependent of height, modeling the dispersion of pollutants in the atmosphere. The solution of the equation is obtained by combining of the GILTT method (Generalized Integral Laplace Transform Technique) with the modi ed Adomian Decomposition method. It is considered two cases for the application of the model: in the rst is modeled the dispersion of a secondary pollutant formed by a photochemical reaction, and in the second case the model is used to determine the concentration eld of a pollutant that suffers losses and gains due to the in uence of solar radiation. To realise these analisis a parameterization for the photochemical reaction term is proposed. Numerical and statistical results are presented, comparing with the experimental campaign data of the thermoelectric plant of Candiota and with data from measurements performed by the \Funda c~ao Estadual de Prote c~ao Ambiental Henrique Luiz Roessler" (FEPAM).

Tendo em vista o aumento considerável da poltúção do ar provocado em grande parte pela industrialização e o aumento da emissão de poluentes resultantes da queima de combustíveis fósseis por veículos automotores, o presente trabalho tem como objetivo melhorar a previsão e o entendimento da dispersão turbulenta atmosférica. Para tanto, apresenta-se, pela primeira vez, uma representação analít ica para a equação de advecção-difusão-reação tridimensional transiente, com perfil de vento e coeficientes de difusão tmbulenta dependentes da altura, que modelam a dispersão de poluentes na atmosfera. A solução da equação é obtida pela combinação do método GILTT ( Generalized Integral Laplace Transform Technique) com o método da Decomposição de Adomian modificado. Consideram-se dois casos para a aplicação do modelo: no primeiro modela-se a dispersão de um poluente secundário formado por uma reação fotoquímica e no segundo caso, utiliza-se o modelo para determinar o campo de concentração de um poluente que sofre perdas e ganhos devido a influência da radiação solar. Para poder realizar essas análises propôs-se uma parametrização para o termo de reação fotoquímica. São apresentados os resultados numéricos e estatísticos, comparandose com os dados da campanha experimental da Usina Termelétrica de Candiota e com os dados de medições realizadas pela Fundação Estadual de Proteção Ambiental Henrique Luiz Roessler (FEPAM). / In view of the considerable increase of air pollution caused largely by industrialization and the increase of emission pollutants resulting from burning of fossil fuels by motor vehicles, the present work aims to improve the prediction and understanding of atmospheric turbu- lent dispersion. Therefore, is presented, for the rst time, an analytical representation to the transient three-dimensional advection-diffusion-reaction equation, with wind pro le and turbulent diffusion coefficients dependent of height, modeling the dispersion of pollutants in the atmosphere. The solution of the equation is obtained by combining of the GILTT method (Generalized Integral Laplace Transform Technique) with the modi ed Adomian Decomposition method. It is considered two cases for the application of the model: in the rst is modeled the dispersion of a secondary pollutant formed by a photochemical reaction, and in the second case the model is used to determine the concentration eld of a pollutant that suffers losses and gains due to the in uence of solar radiation. To realise these analisis a parameterization for the photochemical reaction term is proposed. Numerical and statistical results are presented, comparing with the experimental campaign data of the thermoelectric plant of Candiota and with data from measurements performed by the \Funda c~ao Estadual de Prote c~ao Ambiental Henrique Luiz Roessler" (FEPAM).

Tendo em vista o aumento considerável da poltúção do ar provocado em grande parte pela industrialização e o aumento da emissão de poluentes resultantes da queima de combustíveis fósseis por veículos automotores, o presente trabalho tem como objetivo melhorar a previsão e o entendimento da dispersão turbulenta atmosférica. Para tanto, apresenta-se, pela primeira vez, uma representação analít ica para a equação de advecção-difusão-reação tridimensional transiente, com perfil de vento e coeficientes de difusão tmbulenta dependentes da altura, que modelam a dispersão de poluentes na atmosfera. A solução da equação é obtida pela combinação do método GILTT ( Generalized Integral Laplace Transform Technique) com o método da Decomposição de Adomian modificado. Consideram-se dois casos para a aplicação do modelo: no primeiro modela-se a dispersão de um poluente secundário formado por uma reação fotoquímica e no segundo caso, utiliza-se o modelo para determinar o campo de concentração de um poluente que sofre perdas e ganhos devido a influência da radiação solar. Para poder realizar essas análises propôs-se uma parametrização para o termo de reação fotoquímica. São apresentados os resultados numéricos e estatísticos, comparandose com os dados da campanha experimental da Usina Termelétrica de Candiota e com os dados de medições realizadas pela Fundação Estadual de Proteção Ambiental Henrique Luiz Roessler (FEPAM). / In view of the considerable increase of air pollution caused largely by industrialization and the increase of emission pollutants resulting from burning of fossil fuels by motor vehicles, the present work aims to improve the prediction and understanding of atmospheric turbu- lent dispersion. Therefore, is presented, for the rst time, an analytical representation to the transient three-dimensional advection-diffusion-reaction equation, with wind pro le and turbulent diffusion coefficients dependent of height, modeling the dispersion of pollutants in the atmosphere. The solution of the equation is obtained by combining of the GILTT method (Generalized Integral Laplace Transform Technique) with the modi ed Adomian Decomposition method. It is considered two cases for the application of the model: in the rst is modeled the dispersion of a secondary pollutant formed by a photochemical reaction, and in the second case the model is used to determine the concentration eld of a pollutant that suffers losses and gains due to the in uence of solar radiation. To realise these analisis a parameterization for the photochemical reaction term is proposed. Numerical and statistical results are presented, comparing with the experimental campaign data of the thermoelectric plant of Candiota and with data from measurements performed by the \Funda c~ao Estadual de Prote c~ao Ambiental Henrique Luiz Roessler" (FEPAM).

Orientadores: Simone Andrea Pozza, Varese Salvador Timóteo / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Tecnologia / Made available in DSpace on 2018-08-26T20:52:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pereira_MatheusFernando_M.pdf: 7089543 bytes, checksum: 5e3fe7245aa3630ebca8dda3ddd08eb3 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Diversas técnicas vêm sendo apresentadas para resolução da equação da difusão, a qual é empregada para estimativas da concentração de poluentes em função do espaço e do tempo, levando-se conta fatores como fonte emissora, condições meteorológicas, características do meio e velocidade em que o poluente é carreado. Neste estudo, foi empregado um algoritmo de passo variável para a resolução da equação da difusão unidimensional e avaliação da influência do parâmetro de heterogeneidade do meio, da velocidade do fluxo e do coeficiente de dispersão na variação da concentração de poluentes em função do espaço e do tempo. As simulações foram realizadas utilizando as mesmas condições iniciais e de contorno adotadas em dois estudos abordados recentemente na literatura, e de acordo com os resultados, verificou-se que características como meios de menor heterogeneidade, baixa velocidade inicial do fluxo e baixo coeficiente de dispersão implicam em menores valores de concentração, facilitando a dispersão de poluentes. O método utilizado é caracterizado pela rápida convergência, simplicidade do código e baixo tempo computacional, podendo ser utilizado como base para resolução da equação da difusão bi e tridimensional / Abstract: Several techniques have been employed for solving advection-diffusion equation, which is used to estimate pollutants concentration as function of time and space, taking account factors such as emission source, meteorological conditions, medium characteristics and the velocity in which pollutant is adduced. In this study, we used an adaptive-step algorithm for solving one-dimensional advection-diffusion equation, and evaluating the influence of medium inhomogeneity parameter, flow velocity and dispersion coefficient in the pollutants concentration variation as function of space and time. Simulations were performed using the same initial and boundary conditions adopted by Kumar et al. (2010) and by Savovic and Djordjevich (2012), and according to the results, it was found that characteristics such as medium of less inhomogeneity, low initial flow velocity and low dispersion coefficient imply in lower concentration and facilitate pollutants dispersion. The method is characterized by rapid convergence, simplicity of the code and low computational time, and it can be used as a basis for solving the two and the three dimensional advection-diffusion equation / Mestrado / Tecnologia e Inovação / Mestre em Tecnologia

There is a growing need to better understand the dynamics of small and medium Mediterranean low-inflow estuaries (LIEs), which is addressed here by characterizing a heat budget and associated heat transfer processes. A one-dimensional deterministic model was developed from the advection-diffusion equation and applied to Morro Bay, CA using 15-minute water property (temperature, salinity, pressure) and meteorological (wind speed and direction, air temperature, relative humidity, air pressure, irradiance) data collected over a two-year period (2020 – 2021). Seasonal variability is observed in meteorological components, water temperature, and salinity. There is strong seasonal variability in head-mouth temperature and salinity differences. Temperature differences peak in summer (daily mean 2.52 ºC, June – Sept.). Daily average salinity difference is 0.33 (hyposaline, Sept. – Apr.) with strongest gradients observed during the winter storm season following enhanced freshwater discharge. Inverse salinity develops intermittently May – Aug. Subtidal heat flux is dominated by surface heating, whose daily average is always positive (heat input). The developed model does not quantify adequate heat export from the estuary, however, a sensitivity analysis indicates that diffusive flux may be a significant heat export component. Excess heat appears to be exported to the ocean, allowing ocean-estuary temperatures to remain similar. Characterizing estuarine dynamics like these enables us to predict how Morro Bay, and other similar estuarine systems, may respond to long and short-term environmental changes, and how these responses influence estuarine circulation and environmental health.

Das globale Klimasystem ist ein ausgesprochen komplexes und hochgradig nichtlineares System mit einer Vielzahl von Einflüssen und Interaktionen zwischen Variablen und Parametern. Komplementär zu der Beschreibung des Systems mit globalen Klimamodellen, kann Klima anhand der Interaktionsstruktur des Gesamtsystems durch Netzwerke beschrieben werden. Statt Details so genau wie möglich zu modellieren, werden hier Zeitreihendaten verwendet um zugrundeliegende Strukturen zu finden. Die Herausforderung liegt dann in der Interpretation dieser Strukturen. Um mich der Frage nach der Interpretation von Netzwerkmaßen zu nähern, suche ich nach einem allgemeinen Zusammenhang zwischen Eigenschaften der Netzwerktopologie und Eigenschaften des zugrundeliegenden physikalischen Systems. Dafür werden im Wesentlichen zwei Methoden entwickelt, die auf der Analyse von Temperaturentwicklungen gemäß der Advektions-Diffusions-Gleichung (ADE) basieren. Für die erste Methode wird die ADE mit offenen Randbedingungen und δ-peak Anfangsbedingungen gelöst. Die resultierenden lokalen Temperaturprofile werden verwendet um eine Korrelationsfunktion und damit ein Netzwerk zu definieren. Diese Netzwerke werden analysiert und mit Klimanetzen aus Daten verglichen. Die zweite Methode basiert auf der Diskretisierung der stochastischen ADE. Die resultierende lineare, stochastische Rekursionsgleichung wird verwendet um eine Korrelationsmatrix zu definieren, die nur von der Übergangsmatrix und der Varianz des stochastischen Störungsterms abhängt. Ich konstruiere gewichtete und ungewichtete Netzwerke für vier verschiedene Fälle und schlage Netzwerkmaße vor, die zwischen diesen Systemen zu unterscheiden helfen, wenn nur das Netzwerk und die Knotenpositionen gegeben sind. Die präsentierten Rekonstruktionsmethoden generieren Netzwerke, die konzeptionell und strukturell Klimanetzwerken ähneln und können somit als "proof of concept" der Methode der Klimanetzwerke, sowie als Interpretationshilfe betrachtet werden. / The earth’s climate is an extraordinarily complex, highly non-linear system with a multitude of influences and interactions between a very large number of variables and parameters. Complementary to the description of the system using global climate models, in recent years, a description based on the system’s interaction structure has been developed. Rather than modelling the system in as much detail as possible, here time series data is used to identify underlying large scale structures. The challenge then lies in the interpretation of these structures. In this thesis I approach the question of the interpretation of network measures from a general perspective, in order to derive a correspondence between properties of the network topology and properties of the underlying physical system. To this end I develop two methods of network construction from a velocity field, using the advection-diffusion-equation (ADE) for temperature-dissipation in the system. For the first method, the ADE is solved for δ-peak-shaped initial and open boundary conditions. The resulting local temperature profiles are used to define a correlation function and thereby a network. Those networks are analysed and compared to climate networks from data. Despite the simplicity of the model, it captures some of the most salient features of climate networks. The second network construction method relies on a discretisation of the ADE with a stochastic term. I construct weighted and unweighted networks for four different cases and suggest network measures, that can be used to distinguish between the different systems, based on the topology of the network and the node locations. The reconstruction methods presented in this thesis successfully model many features, found in climate networks from well-understood physical mechanisms. This can be regarded as a justification of the use of climate networks, as well as a tool for their interpretation.

Na presente tese é apresentada uma nova solução analítica para a equação de ad-vecção-difusão bidimensional transiente para simular a dispersão de poluentes na atmosfera. Para tanto, a equação de advecção-difusão é resolvida pela combinação da transformada de Laplace e da técnica GILTT (Generalized Integral Laplace Transform Technique). O fechamento da turbulência para os casos Fickiano e não-Fickiano é considerado. É investigado o problema de modelagem da dispersão de poluentes em condições de ventos fortes e fracos considerando, para o caso de ventos fracos, a difusão longitudinal na equação de advecção-difusão. Além disso, foi incluída no modelo a velocidade vertical e avaliada sua influência considerando-se o campo de velocidades constante e também geradas via LES (Large Eddy Simulation), para poder simular uma camada limite turbulenta mais realística. Os resultados obtidos por essa metodologia são validados com resultados experimentais disponíveis na literatura. / In the present thesis it is presented a new analytical solution for the transient two- dimensional advection-diffusion equation to simulate the pollutant dispersion in atmosphere. For that, the advection-diffusion equation is solved combining the Laplace transform and the GILTT (Generalized Integral Laplace Transform Technique) techniques. The turbulence closure for Fickian and non-Fickian cases is considered. It is investigated the problem of modeling the pollutant dispersion in strong and weak winds considering, for the case of low wind conditions, the longitudinal diffusion in the advection-diffusion equation. Moreover, it was considered in the model the vertical velocity and its influence was evaluated considering velocities field constant and also generated by means of LES (Large Eddy Simulation), to simulate a more realistic turbulent boundary layer. The results attained by this methodology are validated with experimental results available in literature.

Na presente tese é apresentada uma nova solução analítica para a equação de ad-vecção-difusão bidimensional transiente para simular a dispersão de poluentes na atmosfera. Para tanto, a equação de advecção-difusão é resolvida pela combinação da transformada de Laplace e da técnica GILTT (Generalized Integral Laplace Transform Technique). O fechamento da turbulência para os casos Fickiano e não-Fickiano é considerado. É investigado o problema de modelagem da dispersão de poluentes em condições de ventos fortes e fracos considerando, para o caso de ventos fracos, a difusão longitudinal na equação de advecção-difusão. Além disso, foi incluída no modelo a velocidade vertical e avaliada sua influência considerando-se o campo de velocidades constante e também geradas via LES (Large Eddy Simulation), para poder simular uma camada limite turbulenta mais realística. Os resultados obtidos por essa metodologia são validados com resultados experimentais disponíveis na literatura. / In the present thesis it is presented a new analytical solution for the transient two- dimensional advection-diffusion equation to simulate the pollutant dispersion in atmosphere. For that, the advection-diffusion equation is solved combining the Laplace transform and the GILTT (Generalized Integral Laplace Transform Technique) techniques. The turbulence closure for Fickian and non-Fickian cases is considered. It is investigated the problem of modeling the pollutant dispersion in strong and weak winds considering, for the case of low wind conditions, the longitudinal diffusion in the advection-diffusion equation. Moreover, it was considered in the model the vertical velocity and its influence was evaluated considering velocities field constant and also generated by means of LES (Large Eddy Simulation), to simulate a more realistic turbulent boundary layer. The results attained by this methodology are validated with experimental results available in literature.

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Na presente tese é apresentada uma nova solução analítica para a equação de ad-vecção-difusão bidimensional transiente para simular a dispersão de poluentes na atmosfera. Para tanto, a equação de advecção-difusão é resolvida pela combinação da transformada de Laplace e da técnica GILTT (Generalized Integral Laplace Transform Technique). O fechamento da turbulência para os casos Fickiano e não-Fickiano é considerado. É investigado o problema de modelagem da dispersão de poluentes em condições de ventos fortes e fracos considerando, para o caso de ventos fracos, a difusão longitudinal na equação de advecção-difusão. Além disso, foi incluída no modelo a velocidade vertical e avaliada sua influência considerando-se o campo de velocidades constante e também geradas via LES (Large Eddy Simulation), para poder simular uma camada limite turbulenta mais realística. Os resultados obtidos por essa metodologia são validados com resultados experimentais disponíveis na literatura. / In the present thesis it is presented a new analytical solution for the transient two- dimensional advection-diffusion equation to simulate the pollutant dispersion in atmosphere. For that, the advection-diffusion equation is solved combining the Laplace transform and the GILTT (Generalized Integral Laplace Transform Technique) techniques. The turbulence closure for Fickian and non-Fickian cases is considered. It is investigated the problem of modeling the pollutant dispersion in strong and weak winds considering, for the case of low wind conditions, the longitudinal diffusion in the advection-diffusion equation. Moreover, it was considered in the model the vertical velocity and its influence was evaluated considering velocities field constant and also generated by means of LES (Large Eddy Simulation), to simulate a more realistic turbulent boundary layer. The results attained by this methodology are validated with experimental results available in literature.