A Península Antártica (PA) é uma das regiões no planeta que apresentam as mais adversas condições do tempo devido à constante passagem de ciclones. O conhecimento das condições meteorológicas futuras é fundamental para o desenvolvimento de atividades operacionais e de pesquisa na região. Nos últimos anos a implantação e melhoramento dos modelos numéricos, que tem como foco a previsão do tempo na Antártica, têm sido alvo de diversos estudos pela comunidade acadêmica. O objetivo principal deste trabalho foi avaliar o desempenho do modelo BRAMS na simulação de parâmetros meteorológicos durante a passagem de ciclones na Península Antártica. Diversas simulações, que envolveram diferentes configurações estruturais e físicas do modelo foram realizadas para dois casos de passagem de ciclones na PA, um que ocorreu em fevereiro e outro em julho de 2009. A avaliação do desempenho do modelo BRAMS foi feita através de duas análises, uma qualitativa, analisado o comportamento de cada variável simulada pelo modelo em comparação com os dados de estações meteorológicas, e a outra uma análise de sensibilidade baseada em índices estatísticos. O desempenho do modelo BRAMS se mostrou altamente dependente das condições iniciais adotadas. A pressão ao nível médio do mar foi a variável melhor representada, mas o modelo não conseguiu prever adequadamente os aumentos de pressão que ocorrem após a passagem do ciclone pela PA, o que ficou evidente no evento de julho. Por outro lado, o BRAMS se mostrou ineficiente em representar as variações de temperatura que ocorrem durante o período de simulação, principalmente no evento de fevereiro. As temperaturas simuladas pelo BRAMS foram mais elevadas que aquelas observadas nas estações meteorológicas para os dois casos (fevereiro e julho). Além disso, o modelo não conseguiu prever as quedas abruptas de temperatura, observadas durante o avanço do ciclone no mês de julho, devido em grande parte à ausência de gelo marinho nas regiões onde, de fato, as observações mostravam que ele estava presente. O modelo BRAMS, de forma geral, não obteve bom desempenho na simulação do vento, principalmente em relação às variações de direção. O modelo capta as principais variações da componente zonal do vento no caso de verão, porém em algumas estações, quando o escoamento tornou-se meridional, o BRAMS simulou um vento de leste, demonstrando uma forte dependência das condições iniciais. Já no caso de inverno, após o ciclone cruzar a PA, os experimentos simulam um vento de oeste que não condiz com o observado nas estações meteorológicas. Já em se tratando do vento meridional notou-se que o BRAMS intensifica os fluxos de sul, principalmente após a passagem do ciclone pela PA. / The Antarctic Peninsula is one of the regions of the earth, which have the most adverse weather conditions due to the constant movement of cyclones. The knowledge of future meteorological conditions is essential for the operational activities and research developments on the region. In the last years, implantation and improvement of the numeric models, which focus is the weather forecasting on Antarctic, has been the subject of several studies of academic community. The main objective of this study is evaluating the model BRAMS performance, on the simulation of meteorological parameters in events of cyclones on Antarctic Peninsula. Several simulations with different structural and physics configurations on the model were performed in two events of cyclones on AP. One of them occurred in February e the other one in July of 2009. The evaluation of BRAMS model was performed by means of two analyses. The first analysis was qualitative, which analyzed the behavior of each variable simulated by the model in compared to weather stations data. The second analysis was related with the sensibility based on statistical indexes. The BRAMS model performance seems to be dependent on the initial conditions. The pressure at mean sea level was a well represented variable, however the model did not forecasted properly the pressure increase, which occurred after the cyclone event on the AP and it was more evident on event of July. Otherwise, the BRAMS seems to be inefficient for variations on temperatures during the simulation period, especially on February event. Temperatures simulated by BRAMS were higher than that observed on weather station for both cases (February and July). Furthermore, the model did not predicted the abrupt decrease in temperature, observed during the cyclone in July, due to the absence of ice sea in regions where, in fact, the observations showed that he was present. In general, the BRAMS model did not achieved good performance simulating winds, especially on changes of direction. The model captures the major variations of zonal wind during summer, however, in some stations, when the flow direction was changed to meridional, the BRAMS simulated an easterly wind, showing a strong dependence on initial conditions. During winter events, after the cyclone cross the AP, the experiments simulated a west wind, which is not consistent with that observed at meteorological stations. In the case of meridional wind, BRAMS intensified the south flows, especially after the cyclone on AP.

A Península Antártica (PA) é uma das regiões no planeta que apresentam as mais adversas condições do tempo devido à constante passagem de ciclones. O conhecimento das condições meteorológicas futuras é fundamental para o desenvolvimento de atividades operacionais e de pesquisa na região. Nos últimos anos a implantação e melhoramento dos modelos numéricos, que tem como foco a previsão do tempo na Antártica, têm sido alvo de diversos estudos pela comunidade acadêmica. O objetivo principal deste trabalho foi avaliar o desempenho do modelo BRAMS na simulação de parâmetros meteorológicos durante a passagem de ciclones na Península Antártica. Diversas simulações, que envolveram diferentes configurações estruturais e físicas do modelo foram realizadas para dois casos de passagem de ciclones na PA, um que ocorreu em fevereiro e outro em julho de 2009. A avaliação do desempenho do modelo BRAMS foi feita através de duas análises, uma qualitativa, analisado o comportamento de cada variável simulada pelo modelo em comparação com os dados de estações meteorológicas, e a outra uma análise de sensibilidade baseada em índices estatísticos. O desempenho do modelo BRAMS se mostrou altamente dependente das condições iniciais adotadas. A pressão ao nível médio do mar foi a variável melhor representada, mas o modelo não conseguiu prever adequadamente os aumentos de pressão que ocorrem após a passagem do ciclone pela PA, o que ficou evidente no evento de julho. Por outro lado, o BRAMS se mostrou ineficiente em representar as variações de temperatura que ocorrem durante o período de simulação, principalmente no evento de fevereiro. As temperaturas simuladas pelo BRAMS foram mais elevadas que aquelas observadas nas estações meteorológicas para os dois casos (fevereiro e julho). Além disso, o modelo não conseguiu prever as quedas abruptas de temperatura, observadas durante o avanço do ciclone no mês de julho, devido em grande parte à ausência de gelo marinho nas regiões onde, de fato, as observações mostravam que ele estava presente. O modelo BRAMS, de forma geral, não obteve bom desempenho na simulação do vento, principalmente em relação às variações de direção. O modelo capta as principais variações da componente zonal do vento no caso de verão, porém em algumas estações, quando o escoamento tornou-se meridional, o BRAMS simulou um vento de leste, demonstrando uma forte dependência das condições iniciais. Já no caso de inverno, após o ciclone cruzar a PA, os experimentos simulam um vento de oeste que não condiz com o observado nas estações meteorológicas. Já em se tratando do vento meridional notou-se que o BRAMS intensifica os fluxos de sul, principalmente após a passagem do ciclone pela PA. / The Antarctic Peninsula is one of the regions of the earth, which have the most adverse weather conditions due to the constant movement of cyclones. The knowledge of future meteorological conditions is essential for the operational activities and research developments on the region. In the last years, implantation and improvement of the numeric models, which focus is the weather forecasting on Antarctic, has been the subject of several studies of academic community. The main objective of this study is evaluating the model BRAMS performance, on the simulation of meteorological parameters in events of cyclones on Antarctic Peninsula. Several simulations with different structural and physics configurations on the model were performed in two events of cyclones on AP. One of them occurred in February e the other one in July of 2009. The evaluation of BRAMS model was performed by means of two analyses. The first analysis was qualitative, which analyzed the behavior of each variable simulated by the model in compared to weather stations data. The second analysis was related with the sensibility based on statistical indexes. The BRAMS model performance seems to be dependent on the initial conditions. The pressure at mean sea level was a well represented variable, however the model did not forecasted properly the pressure increase, which occurred after the cyclone event on the AP and it was more evident on event of July. Otherwise, the BRAMS seems to be inefficient for variations on temperatures during the simulation period, especially on February event. Temperatures simulated by BRAMS were higher than that observed on weather station for both cases (February and July). Furthermore, the model did not predicted the abrupt decrease in temperature, observed during the cyclone in July, due to the absence of ice sea in regions where, in fact, the observations showed that he was present. In general, the BRAMS model did not achieved good performance simulating winds, especially on changes of direction. The model captures the major variations of zonal wind during summer, however, in some stations, when the flow direction was changed to meridional, the BRAMS simulated an easterly wind, showing a strong dependence on initial conditions. During winter events, after the cyclone cross the AP, the experiments simulated a west wind, which is not consistent with that observed at meteorological stations. In the case of meridional wind, BRAMS intensified the south flows, especially after the cyclone on AP.

Modelos numéricos de equações primitivas, tais como BRAMS, apresentam erros intrínsecos em suas soluções. Esses erros têm várias causas, entre as quais se pode citar: imperfeição do método numérico que aproxima as equações diferenciais por equações de diferenças finitas, resolução da grade, dificuldade em representar os termos não lineares das equações do modelo, entre outros. Neste trabalho são comparados dois métodos de pós-processamento estatístico, Model Outuput Statistics (MOS) e Model Outuput Calibration (MOC) para avaliar se é necessário e em caso afirmativo qual é o mais adequado para ser utilizado juntamente com o modelo BRAMS em execução no Laboratório de Meteorologia e Qualidade do Ar (LMQA/CEPSRM/UFRGS). Essas duas técnicas se mostram muito eficientes em compensar erros, porém a primeira tem a desvantagem de requerer uma grande base de dados e ainda a necessidade de alterar as equações quando ocorrem modificações no Modelo. O outro método difere do primeiro por calcular o erro da variável, e não o seu valor, e utilizar dados recentes para calcular a equação de regressão. Foram geradas previsões com saídas de 3 em 3h para o período de 01 de janeiro de 2008 até 31 dezembro de 2009, período de treinamento do MOS, e de 29 de maio até 31 de julho de 2010, período de treinamento do MOC e teste dos dois métodos. No trabalho é feita uma análise detalhada dos dois métodos em oito localidades do Rio Grande do Sul, para as variáveis temperatura da superfície, umidade relativa do ar em superfície, pressão à superfície e chuva acumulada em 1h. Os resultados obtidos com a utilização dos métodos estatísticos aumentaram a acurácia da previsão em relação às previsões do modelo BRAMS para temperatura, umidade e pressão. Em um dos resultados obtidos, em Vacaria, o MOC consegue acompanhar uma grande variação na pressão e melhora 49,12% a saída do modelo, enquanto o MOS apresenta resultado negativo (-767,97%). Em outro caso, na cidade de Santa Maria, os dois métodos conseguem melhorar 86% a pressão. / Some variables predicted by Weather Numerical Models are frequently influenced by errors. Such errors occurs not only to the assumptions used in the construction of the model equations of physics/dynamics, but also by the topography used. This work compares two statistical post-processing methods Model Outuput Statistics (MOS) and Model Outuput Calibration (MOC) to evaluate which is most suitable to calibrate the model (BRAMS) running in Meteorology and Air Quality Laboratory (LMQA/CEPSRM/UFRGS). These two techniques proved very effective in compensating errors, but first has the disadvantage of requiring a large database and need to modify the equations when changes occur. Other method differs from the first to calculate error of the variable, not its value properly and use recent data to calculate the regression equation. Predictions were generated during 3hs intervals from January 1st, 2008 to December 31, 2009 to MOS training period. MOC training period and testing occurs from May 29 until July 31, 2010. This work goal is a detailed analysis of the two methods in eight locations of Rio Grande do Sul State to temperature, humidity, pressure and preciptation. The results are satisfactory to first of 3 variables. In Vacaria city, MOC follow a wide variation in pressure and reached an improvement by 49.12%, while MOS, achieved 767.97% down. In another case, Santa Maria city, two methods can improve 86 % pressure results.

Modelos numéricos de equações primitivas, tais como BRAMS, apresentam erros intrínsecos em suas soluções. Esses erros têm várias causas, entre as quais se pode citar: imperfeição do método numérico que aproxima as equações diferenciais por equações de diferenças finitas, resolução da grade, dificuldade em representar os termos não lineares das equações do modelo, entre outros. Neste trabalho são comparados dois métodos de pós-processamento estatístico, Model Outuput Statistics (MOS) e Model Outuput Calibration (MOC) para avaliar se é necessário e em caso afirmativo qual é o mais adequado para ser utilizado juntamente com o modelo BRAMS em execução no Laboratório de Meteorologia e Qualidade do Ar (LMQA/CEPSRM/UFRGS). Essas duas técnicas se mostram muito eficientes em compensar erros, porém a primeira tem a desvantagem de requerer uma grande base de dados e ainda a necessidade de alterar as equações quando ocorrem modificações no Modelo. O outro método difere do primeiro por calcular o erro da variável, e não o seu valor, e utilizar dados recentes para calcular a equação de regressão. Foram geradas previsões com saídas de 3 em 3h para o período de 01 de janeiro de 2008 até 31 dezembro de 2009, período de treinamento do MOS, e de 29 de maio até 31 de julho de 2010, período de treinamento do MOC e teste dos dois métodos. No trabalho é feita uma análise detalhada dos dois métodos em oito localidades do Rio Grande do Sul, para as variáveis temperatura da superfície, umidade relativa do ar em superfície, pressão à superfície e chuva acumulada em 1h. Os resultados obtidos com a utilização dos métodos estatísticos aumentaram a acurácia da previsão em relação às previsões do modelo BRAMS para temperatura, umidade e pressão. Em um dos resultados obtidos, em Vacaria, o MOC consegue acompanhar uma grande variação na pressão e melhora 49,12% a saída do modelo, enquanto o MOS apresenta resultado negativo (-767,97%). Em outro caso, na cidade de Santa Maria, os dois métodos conseguem melhorar 86% a pressão. / Some variables predicted by Weather Numerical Models are frequently influenced by errors. Such errors occurs not only to the assumptions used in the construction of the model equations of physics/dynamics, but also by the topography used. This work compares two statistical post-processing methods Model Outuput Statistics (MOS) and Model Outuput Calibration (MOC) to evaluate which is most suitable to calibrate the model (BRAMS) running in Meteorology and Air Quality Laboratory (LMQA/CEPSRM/UFRGS). These two techniques proved very effective in compensating errors, but first has the disadvantage of requiring a large database and need to modify the equations when changes occur. Other method differs from the first to calculate error of the variable, not its value properly and use recent data to calculate the regression equation. Predictions were generated during 3hs intervals from January 1st, 2008 to December 31, 2009 to MOS training period. MOC training period and testing occurs from May 29 until July 31, 2010. This work goal is a detailed analysis of the two methods in eight locations of Rio Grande do Sul State to temperature, humidity, pressure and preciptation. The results are satisfactory to first of 3 variables. In Vacaria city, MOC follow a wide variation in pressure and reached an improvement by 49.12%, while MOS, achieved 767.97% down. In another case, Santa Maria city, two methods can improve 86 % pressure results.

Modelos numéricos de equações primitivas, tais como BRAMS, apresentam erros intrínsecos em suas soluções. Esses erros têm várias causas, entre as quais se pode citar: imperfeição do método numérico que aproxima as equações diferenciais por equações de diferenças finitas, resolução da grade, dificuldade em representar os termos não lineares das equações do modelo, entre outros. Neste trabalho são comparados dois métodos de pós-processamento estatístico, Model Outuput Statistics (MOS) e Model Outuput Calibration (MOC) para avaliar se é necessário e em caso afirmativo qual é o mais adequado para ser utilizado juntamente com o modelo BRAMS em execução no Laboratório de Meteorologia e Qualidade do Ar (LMQA/CEPSRM/UFRGS). Essas duas técnicas se mostram muito eficientes em compensar erros, porém a primeira tem a desvantagem de requerer uma grande base de dados e ainda a necessidade de alterar as equações quando ocorrem modificações no Modelo. O outro método difere do primeiro por calcular o erro da variável, e não o seu valor, e utilizar dados recentes para calcular a equação de regressão. Foram geradas previsões com saídas de 3 em 3h para o período de 01 de janeiro de 2008 até 31 dezembro de 2009, período de treinamento do MOS, e de 29 de maio até 31 de julho de 2010, período de treinamento do MOC e teste dos dois métodos. No trabalho é feita uma análise detalhada dos dois métodos em oito localidades do Rio Grande do Sul, para as variáveis temperatura da superfície, umidade relativa do ar em superfície, pressão à superfície e chuva acumulada em 1h. Os resultados obtidos com a utilização dos métodos estatísticos aumentaram a acurácia da previsão em relação às previsões do modelo BRAMS para temperatura, umidade e pressão. Em um dos resultados obtidos, em Vacaria, o MOC consegue acompanhar uma grande variação na pressão e melhora 49,12% a saída do modelo, enquanto o MOS apresenta resultado negativo (-767,97%). Em outro caso, na cidade de Santa Maria, os dois métodos conseguem melhorar 86% a pressão. / Some variables predicted by Weather Numerical Models are frequently influenced by errors. Such errors occurs not only to the assumptions used in the construction of the model equations of physics/dynamics, but also by the topography used. This work compares two statistical post-processing methods Model Outuput Statistics (MOS) and Model Outuput Calibration (MOC) to evaluate which is most suitable to calibrate the model (BRAMS) running in Meteorology and Air Quality Laboratory (LMQA/CEPSRM/UFRGS). These two techniques proved very effective in compensating errors, but first has the disadvantage of requiring a large database and need to modify the equations when changes occur. Other method differs from the first to calculate error of the variable, not its value properly and use recent data to calculate the regression equation. Predictions were generated during 3hs intervals from January 1st, 2008 to December 31, 2009 to MOS training period. MOC training period and testing occurs from May 29 until July 31, 2010. This work goal is a detailed analysis of the two methods in eight locations of Rio Grande do Sul State to temperature, humidity, pressure and preciptation. The results are satisfactory to first of 3 variables. In Vacaria city, MOC follow a wide variation in pressure and reached an improvement by 49.12%, while MOS, achieved 767.97% down. In another case, Santa Maria city, two methods can improve 86 % pressure results.

Este projeto de pesquisa de mestrado buscou identificar os impactos das propriedades da superfície urbana sobre as condições meteorológicas da Região Metropolitana de São Paulo (RMSP), buscando um melhor entendimento dos mesmos para que atividades de planejamento urbano possam ser melhor organizadas. O trabalho utilizou como principais ferramentas produtos de sensoriamento remoto, para definir algumas propriedades da superfície urbana, medidas em superfície de variáveis meteorológicas, para determinação de índices de conforto humano, e a modelagem numérica da atmosfera, para identificação de condições atmosféricas e construção de cenários úteis ao planejamento urbano. Com o uso de imagens de satélite, foram criados arquivos de ocupação do solo e da fração vegetada na área urbana da RMSP em altíssima resolução (20 m). Após a definição das propriedades da superfície, valores medidos pela CETESB de temperatura e umidade relativa foram associados a padrões de ocupação urbana. Verificou-se que as regiões de São Caetano do Sul e do Parque D. Pedro II foram as que apresentaram o maior número de casos de desconforto por calor moderado. Regiões como São Miguel Paulista e Ibirapuera mostraram-se mais confortáveis. Na maior parte dos casos, as regiões apresentaram um nível agradável a levemente quente, seguidos pela condição agradável a levemente fresca. Após a análise diagnóstica, foram construídos cenários contemplando atividades de planejamento urbano em busca da melhoria das condições de conforto térmico humano. Os experimentos realizados indicam que os fluxos turbulentos em superfície são consideravelmente modificados e que a temperatura pode sofrer uma diminuição gradativa até cerca de 1,5 ºC com a substituição de 50% da superfície urbana por vegetação, chegando a mais de 2,2 ºC quando esta substituição é completa. O perfil de temperatura potencial na Camada Limite Planetária também foi consideravelmente modificado com o aumento da porção vegetada no domímio modelado. / This master\'s research project has the goal of indentifying the impacts of urban surface properties over the meteorological conditions of the Metropolitan Area of São Paulo (MASP), in order to obtain a better understanding of them and to provide means of better organized urban planning activities. The work was made by using as principal tools, remote sensing derived products, in order to define some surface properties, surface measurements of atmospheric variables, in order to obtain human thermal comfort indexes, and numerical modeling of the atmosphere, in order to identify atmospheric conditions and simulate useful scenaries for urban planning. By using sattelite images, land use and vegetated fraction files were created over the MASP with very high resolution (20 m). Afterwards, temperature and relative humidity measured by CETESB were associated to urban land use patterns. It was verified that regions like São Caetano do Sul and Parque D. Pedro II are more likely to have greater discomfort sensation by moderate heat. Regions like São Miguel Paulista and Ibirapuera were identified to be more confortable. In the majority of cases, the regions presented a pleasant to lightly warm, followed by pleasant to lightly fresh conditions. After the definition of the surface properties, scenarios were built comprehending urban planning activities, looking for the improvement of human thermal comfort conditions. The experiments showed that the surface turbulent fluxes are considerably changed and that temperature was gradualy reduced in up to 1,5 ºC with the replacement of 50% of the urban surface by vegetation, reaching more than 2,2 ºC when this replacement was complete. The potential temperature profile inside the Planetary Boundary Layer was also considerably modified following the increase of vegetated area in the modeled domain.

Neste trabalho foram estudadas as linhas de instabilidade (LI) que atingiram a RMSP, o desenvolvimento de tempo severo associados a estas e a possibilidade de utilizar alguns parâmetros de tempo severo na identificação destes eventos. Foram identificadas 185 linhas no período de 2002 a 2009 através da observação de imagens de satélite. Estas ocorrem durante todos os períodos do ano, embora a frequência seja maior nos meses de verão, em função da maior atividade convectiva nessa estação do ano. Foi identificado que 94 % das LI se deslocaram para leste enquanto apenas 6 % tiveram seu deslocamento para oeste. Testes sobre configurações mais adequadas para a simulação de LI com o modelo BRAMS indicaram que as parametrizações de convecção disponíveis no modelo não são capazes de representar os eventos de forma adequada, havendo a necessidade de aumento na resolução das simulações e forte dependência da parametrização de microfísica. Foi constatado que espaçamentos de grade de oito quilômetros são suficientes para uma boa representação dos eventos. Os testes também indicaram que, dentre as opções disponíveis no modelo, o uso da deformação Anisotrópica para o tratamento dos processos turbulentos é o mais indicado para a simulação de casos de LI. Os parâmetros convectivos mostraram-se bons indicadores de tempo severo na presença de sistemas de origem baroclínica, apresentando valores similares aos encontrados para o HN. Porém, em tempestades onde o efeito termodinâmico é o fator mais importante, como nas tempestades isoladas ou na presença de ZCAS os índices cinemáticos nem sempre são bons preditores de tempo severo. A análise dos parâmetros convectivos obtidos das radiosondagens lançadas na RMSP mostra que, em muitos casos observados de LI, não há valores indicativos de ocorrência de tempo severo, ressaltando a importância do uso de perfis obtidos da modelagem numérica, numa região de abrangência maior, para a obtenção desses índices. / A study about the squall lines that reached Metropolitan Area of São Paulo (MASP), the development of severe weather associated with these and the possibility of using some parameters in the identification of severe weather are presented. It was identified a total of 185 squall lines between 2002 and 2009 through the analysis of satellite images. These lines occur during all periods of the year, although the frequency of squall lines is higher in summer months, due to increased convective activity in this season. Also, it was identified that 94 % of the squall lines moved eastward while only 6% of then moved westward. Tests about the most appropriate configuration to the squall lines simulation with BRAMS model indicated that the convective parameterizations available in the model are not able to represent the events in an adequate manner, being necessary to use higher resolutions in the simulations, which creates a stronger dependence on microphysics parameterization. We note that grid spacing as low as eight kilometers are enough for a fair representation of the events. The tests also indicated that, among all the options available in the model for turbulent process the anisotropic deformation is the one that works better in simulating squall lines. The convective parameters proved to be good indicators of severe weather in the presence of baroclinic systems, with similar values to those found for the Northern Hemisphere. However in storms where the thermodynamic effect is the most important factor, as in isolated storms and in the presence of the Southern Atlantic Convergence Zone (SACZ), kinematics indices are not always good predictors of severe weather. The analysis of convective indices, obtained through radiosondes variables launched in the MASP, shows that in many squall line observed cases there is no indication of severe weather occurrence. This fact increases the importance of using the profiles provided by numerical modeling over a larger region to obtain such indices.

O BRAMS (Brazilian developments on the Regional Atmospheric Modelling System) é o sistema utilizado pelo CPTEC/INPE para previsão climática no Brasil. Este projeto de doutorado contribui para a modernização do código desse sistema a partir da implementação e avaliação de um framework para coprojeto de hardware/software do módulo da dinâmica do modelo climático BRAMS. Foi conduzido um estudo do código do BRAMS para verificar quais trechos poderiam ser acelerados em hardware. Com isso foram desenvolvidos kernels usando Intel OpenCL para serem executados em dispositivos programáveis do tipo FPGA. Este estudo utilizou o suporte e recursos do programa da Intel HARP (Heterogeneous Architecture Research Platform), que disponibilizou uma infraestrutura de computação heterogênea com processadores Xeon com um FPGA Arria 10 integrado. Foram conduzidos dois estudos de caso em que os resultados sugerem que é possível portar uma aplicação climática para uma máquina heterogênea que utiliza CPU e FPGA. Porém, para obter um desempenho satisfatório nessa nova arquitetura faz-se necessário domínio dos recursos disponíveis no Intel OpenCL para programar a máquina heterogênea e a aplicação alvo deve possuir uma estrutura de código que favoreça a execução de tais estruturas. Apesar do desempenho com o FPGA Arria 10 não ter sido superior ao do sistema executando apenas em Intel Xeon, o ganho em eficiência de energia justifica a migração do código para esta nova plataforma. Além disso, o framework desenvolvido possibilitará futuras implementações do BRAMS visando uma arquitetura heterogênea como alvo. / BRAMS (Brazilian developments on the Regional Atmospheric Modelling System) is the system used by CPTEC/INPE for climate forecast in Brazil. This PhD project contributes to the improvement of the code of this system from implementation and evaluation of a hardware/software codesign framework of the dynamics module of the BRAMS climate model. A study of the source code was conducted to verify what parts can be accelerated with hardware. Kernels were developed using Intel OpenCL and they were executed in programmable devices of the type FPGA. This study used resources of the Intel HARP program (Heterogeneous Architecture Research Platform). HARP provided an infrastructure of heterogeneous computation with Xeon processors including an Arria 10 FPGA integrated. The results from three case studies conducted suggest that it is possible to carry a climate application to a heterogeneous machine that uses CPU and FPGA. However, to obtain a satisfactory performance in this new architecture it is necessary to master the available resources in Intel OpenCL to program the heterogeneous machine and the target application must have a code structure that favors the execution of such structures. Although the performance was not higher than the system running only in CPU, the gain in energy efficiency justifies the migration of the code to this new platform.

Neste trabalho foram estudados, através de simulações numéricas e medidas de concentração de poluentes próximo à superfície, algumas situações meteorológicas que determinaram episódios de destaque com relação ao poluente ozônio que ocorreram na Região Metropolitana de São Paulo (RMSP) entre 1999 e 2006. Primeiramente, foram avaliados dois modelos fotoquímicos, CIT e SPM-BRAMS, quanto à formação de ozônio e a correta representação dos processos de dispersão de poluentes na região. Após a avaliação dos modelos, foram determinadas características do escoamento atmosférico durante a ocorrência de episódios críticos do ponto de vista da qualidade do ar. Os resultados obtidos mostraram que a variabilidade nas concentrações do ozônio pode ser bem representada pelos modelos utilizados. Em geral, as concentrações simuladas com o SPM-BRAMS concordam bem com as observações em termos da fase do ciclo diurno, sendo os valores das concentrações um pouco subestimados com relação aos máximos observados. O modelo CIT, por sua vez, apresentou concentrações mais altas, principalmente nos horários de máximo, tendo também representado adequadamente o ciclo diurno. Nas simulações, com ambos os modelos, foi constatado que nos pontos referentes às estações de monitoramento localizadas na porção sudeste da RMSP, foram obtidos os piores resultados em termos de parâmetros estatísticos comumente utilizados na avaliação de resultados modelados. Com o SPM-BRAMS foram também realizadas simulações abrangendo o mês de janeiro de 2006, através das quais foram estudadas as condições atmosféricas em grande e mesoescala e o comportamento das concentrações de ozônio associadas. Durante este mês houve períodos de intensa atividade convectiva, relacionados a episódios de ZCAS, bem como períodos mais secos em que a atmosfera apresentava-se mais estável. Observou-se que durante episódios de chuva intensa há uma superestimativa das concentrações pelo modelo; no entanto, os resultados são bem próximos às observações em situações de céu claro e com ventos menos intensos. Os picos secundários noturnos na concentração de ozônio, observados com certa freqüência nos dados medidos, nem sempre foram bem representados pelo modelo, embora os picos máximos diurnos fossem bem representados. Os dias em que os picos noturnos foram simulados adequadamente pelo SPM-BRAMS foram caracterizados por alta pressão desde a superfície até níveis médios, com maior subsidência e estabilidade na atmosfera, favorecendo o transporte de ozônio a partir de níveis mais altos da atmosfera para a superfície. Os picos noturnos com concentrações acima de 20 ppbv foram os mais bem representados. / Throughout numerical simulations and near to surface measurements of pollutants concentrations, in this work some meteorological situations of relevance for high ozone concentrations episodes over the Metropolitan Area of Sao Paulo (MASP) were studied., between 1999 and 2006. Firstly, two photochemical models, CIT and SPM-BRAMS, were evaluated in the sense of the correct representation of ozone formation and the pollutant dispersion processes over the region. After the models evaluation, some characteristics of the atmospheric flow were determined during the occurrence of critical events from the air quality point of view. The results showed that the ozone concentrations variability was relatively well represented by the used models. In general, the concentrations simulated by the SPMBRAMS agree well with observations, in terms of the diurnal cycle phase, but the concentrations values were slightly underestimated compared to the observed maximum. The CIT model showed higher concentrations, especially during diurnal maximum peaks. The diurnal cycle was also adequately represented by this model. In simulations with both models, it was found that in the monitoring stations located in the southeastern portion of the MASP, the worst results were obtained in terms of statistical parameters commonly used in the evaluation of models results. The SPM-BRAMS was also used for simulations throughout the whole month of January 2006. With these simulations the atmospheric conditions in large and meso scales and the associated ozone concentrations behavior were studied. During this month periods of intense convective activity occurred, associated with SACZ episodes. Dry periods in which the atmosphere was more stable, were also observed during this month. It was observed that during episodes of intense precipitation, there is a tendency of concentration overestimation by the model; however, the results are very close to the observations in situations of clear sky and with milder winds. The nocturnal secondary peaks in the ozone concentration observed with some frequency in the measured data, were not always well represented by the model, while the maximum day time peak were well represented. The days when the nocturne peaks were properly simulated by SPM-BRAMS, were characterized by high pressure from the surface to mid-level, with more atmospheric subsidence and stability, promoting the transport of ozone from higher levels of the atmosphere to the surface. The nocturnal peaks with concentration above 20 ppbv were most well represented.

O presente trabalho teve por objetivo caracterizar as circulações locais que se formam na região central do Chile (RCC). Uma análise sinótica para o ano 2004 mostrou que durante o verão a condição de tempo dominante foi de céus claros associados à presença do Anticiclone Subtropical do Pacífico Sul com o deslocamento de baixas pressões litoral que mudam o regime de ventos. Dados da Armada do Chile mostraram que, no litoral da Região de Valparaíso, a amplitude anual de temperatura é de aproximadamente de 8 ºC. Os extremos de temperatura ocorrem entre as 09 e 12 UTC para as mínimas e 18 e 21 UTC para as máximas. O vento apresenta um ciclo anual com domínio da componente oeste no verão e componente leste no inverno. Maiores intensidades estão associadas à passagem de sistemas frontais no inverno. A brisa marítima é melhor caracterizada nos valores médios horários do vento no período de verão, sendo observada a partir das 12 UTC, com ventos de maior intensidade entre 18 e 21 UTC. A brisa terrestre é observada a partir das 00 UTC com ventos de menor intensidade que na brisa marítima. Dados da CONAMA-RM mostraram um ciclo diurno de temperatura bem definido na Região Metropolitana de Santiago com as temperaturas mínimas ocorrendo entre 06 e 09 HL e valores máximos entre 14 e 16 HL. Ao agrupar as estações localizadas dentro e fora dos limites urbanos foi possível identificar o efeito da ilha de calor (IC). Para o período de verão a IC apresentou intensidades positivas e no inverno uma maior freqüência de valores negativos. A intensidade do vento sofre também os efeitos da cidade, observando-se uma redução desta nas estações que se localizam no centro da Grande Santiago. Valores mínimos de intensidade do vento por períodos prolongados levaram a um incremento nas concentrações de material particulado. A diminuição nas concentrações está associada à passagem de frentes e ao incremento na intensidade do vento. Os efeitos da cidade na atmosfera foram estudados com mais detalhamento mediante a utilização do BRAMS. A análise sinótica mostrou uma região de vento fraco e baixo gradiente barométrico na região de estudo para a maior parte do período. Foi possível identificar a brisa marítima com maior intensidade do vento entre 18 e 19 UTC. A brisa terrestre foi identificada na maior parte das noites, com intensidade de vento maior próximo das 04 UTC. As cidades localizadas na RCC apresentam a tendência de resfriar o ar próximo da superfície e modificam a intensidade do vento e os padrões de umidade relativa. Embora os efeitos das cidades tenham sido encontrados, os efeitos da topografia no escoamento são ainda mais importantes, gerando circulações sobre a região central do Chile que não são completamente modificadas pela presença das cidades. / The objective of this work was to characterize the local circulations that are generated in the Central Chile (CC) region. A synoptic analyze for 2004 show that clear sky weather conditions associated to the Subtropical Anticyclone of South Pacific (SASP) was dominant during the summer. Coastal lows moving from north to CC interacts with SASP changing the wind regime. Meteorological data from Armada do Chile showed that on the coast of Valparaíso, the annual temperature amplitude was approximately 8 ºC. Temperature extremes occur between 09 and 12 UTC for minimum and 18 and 21 UTC for maximum values. The wind showed an annual cycle, with dominant direction to west during summer, while in wintertime, wind dominant direction is to the east. Higher values of wind speed are associated with frontal passages during winter. The sea breeze was better seen in the wind mean hourly values between 12 UTC and 21 UTC with higher wind speeds at 18 UTC. Land breeze was observed around 00 UTC, with lower wind speeds than in the sea breeze case. Meteorological data form CONAMA-RM showed a well defined diurnal cycle of temperature in the Metropolitan Region of Santiago with minimum temperatures occurring between 06 and 09 LT and maximum values between 14 and 16 LT. The urban heat island effect was seen grouping urban and non urban meteorological stations. The urban heat island is, in general, positive during the summer but, during the winter, negative values of intensity are frequent. The wind speed also shows the urban effects, with a wind speed decrease in the meteorological station inside the city. Long periods of low wind speed are associated with an increase in the particulate matter concentrations. The decrease in these concentrations is associated with the passage of frontal systems, as well as wind speed increase. The city effects on the atmosphere were studied in more details through the use of BRAMS. The synoptic analysis showed a weak wind region and low pressure gradient in the study region for most part of the period. The sea breeze was identified with higher wind speeds between 18 and 19 UTC. The land breeze was identified in the most part of the nights, with higher wind speeds near 04 UTC. The cities situated in CC have a tendency to cool down the air near to the surface and modify the wind speed and relative humidity patterns. Although the effects of the cities have been found, the topography effects on the wind flow are even more important, generating circulations over Central Chile that are not completely modified by the presence of the cities.