O presente trabalho tem como objetivo estudar escoamentos de tornados e sua ação sobre corpos imersos empregando ferramentas numéricas da Engenharia do Vento Computacional (EVC). Os tornados constituem-se atualmente em uma das causas de desastres naturais no Brasil, especialmente nas regiões sul e sudeste do país, como também em alguns países vizinhos. Os efeitos gerados são geralmente localizados e de curta duração, podendo ser devastadores dependendo da escala do tornado. Tais características dificultam a realização de estudos detalhados a partir de eventos reais, o que levou ao desenvolvimento de modelos experimentais e numéricos. A abordagem numérica é utilizada neste trabalho para a simulação de tornados, a qual se baseia nas equações de Navier-Stokes e na equação de conservação de massa, considerando a hipótese de pseudo-compressibilidade e condições isotérmicas. Para escoamentos com turbulência utiliza-se a Simulação Direta de Grandes Escalas com o modelo clássico de Smagorinsky para as escalas inferiores à resolução da malha (Large Eddy Simulation ou LES em inglês). A discretização das equações fundamentais do escoamento se realiza com um esquema explícito de dois passos de Taylor-Galerkin, onde o Método dos Elementos Finitos é empregado na discretização espacial utilizando-se o elemento hexaédrico trilinear isoparamétrico com um ponto de integração e controle de modos espúrios Na presença de corpos imersos que se movem para simular os deslocamentos dos tornados, o escoamento é descrito cinematicamente através de uma formulação Arbitrária Lagrangeana-Euleriana (ALE) que inclui um esquema de movimento de malha. Tornados são reproduzidos através da simulação numérica de dispositivos experimentais e do Modelo de Vórtice Combinado de Rankine (RCVM). Exemplos clássicos da Dinâmica dos Fluidos Computacional são apresentados inicialmente para a verificação das ferramentas numéricas implementadas. Finalmente, problemas envolvendo tornados móveis e estacionários são analisados, incluindo sua ação sobre corpos imersos. Nos modelos baseados em experimentos, a variação da relação de redemoinho determinou os diferentes padrões de escoamento observados no laboratório. Nos exemplos de modelo de vórtice, quando o tornado impactou o corpo imerso gerou picos de forças em todas as direções e, após a passar pelo mesmo, produziu uma alteração significativa na estrutura do vórtice. / Analyses of tornado flows and its action on immersed bodies using numerical tools of Computational Wind Engineering (CWE) are the main aims of the present work. Tornadoes are currently one of the causes of natural disasters in Brazil, occurring more frequently in the southern and southeastern regions of the country, as well as in some neighboring countries. Effects are usually localized, presenting a short time interval, which can be devastating depending on the scale of the tornado. These characteristics difficult to carry out detailed studies based on real events, leading to the development of experimental and numerical models. The numerical approach is used in this work for the simulation of tornadoes, which is based on the Navier-Stokes equations and the mass conservation equation, considering the hypothesis of pseudo-compressibility and isothermal conditions. For turbulent flows, Large Eddy Simulation (LES) is used with the classical Smagorinsky model for sub-grid scales Discretization is performed the explicit two-step Taylor-Galerkin scheme, where the Finite Element Method is used in spatial discretization using isoparametric trilinear hexahedral elements with one-point quadrature and hourglass control. In the presence of immersed bodies that are moving in order to simulate translating tornadoes, the flow is kinematically described through a Lagrangian-Eulerian Arbitrary (ALE) formulation, which includes a mesh motion scheme. Tornadoes are reproduced using numerical simulation of experimental devices and the Rankine Combined Vortex Model (RCVM). Classical examples of Computational Fluid Dynamics are presented initially for the verification of the numerical tools implemented here. Finally, problems involving moving and stationary tornadoes are analyzed, including their actions on immersed bodies. For models based on experiments, the variation of the swirl ratio determined the different flow patterns observed in the laboratory. In the vortex model examples, when the tornado impacted on the immersed body, peaks of forces were generated in all directions and, after passing over it, a significant change in the structure of the vortex was produced.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / An investigation of the atmospheric environments prone to severe convective weather is conducted for the subtropics of South America, east of the Andes Mountain Range. Upper air soundings valid at 00Z and 12Z for six sounding sites in subtropical South America (namely, Porto Alegre/BRA, Florianópolis/BRA, Curitiba/BRA, Foz do Iguaçu/BRA, Resistência/ARG e Buenos Aires/ARG) are employed to generate a short 12-yr climatology (from January 1998 to December 2009) of some of the main necessary ingredients for severe thunderstorm development: moisture availability, conditional instability, and vertical wind shear (VWS). The goal of the climatology is to document the typical magnitudes and seasonal variability of those ingredients with the aid of convective parameters. Threshold magnitudes for such parameters were objectively determined (via quantile analysis) and tested as cut-off criteria utilized to discriminate the severe weather environments. To that end, classic North-American threshold values extracted from the literature were also tested and the results compared vis-à-vis the South-American counterparts. Distinct combinations of such thresholds were employed to select atmospheric profiles theoretically conducive to severe thunderstorms and tornadoes. Atmospheric profiles obtained from the NCEP-NCAR Reanalysis data valid at 18Z were also used. The time and space distribution of the selected severe weather profiles were examined, emphasizing the seasonal variation and geographic distribution. From these sampled profiles, composite analysis were built for and Principal Component Analysis were applied to relevant meteorological variables at distinct vertical levels in order to search for the associated synoptic-scale patterns. The climatology succesfully reproduced the expected seasonal behavior of parameters that are indicative of conditional instability and VWS. Compared to the North-American climatology, the magnitudes found for the 700-500hPa lapse rates, 0-6km bulk shear and height of the LCL were lower in South America. The seasonal variability and space distribution of the severe weather profiles suggest that there exists an equatorward [poleward] displacement of the severe weather activity as winter [summer] approaches. The synoptic pattterns associated with the severe weather environments is different from those traditionally recognized for North America, particularly at the surface. / Neste trabalho é realizada uma investigação dos ambientes favoráveis ao desenvolvimento de convecção severa nos subtrópicos da América do Sul (AS) à leste dos Andes. Sondagens de ar superior das 00Z e 12Z de seis estações distribuídas na região subtropical da AS (quais sejam: Porto Alegre/BRA, Florianópolis/BRA, Curitiba/BRA, Foz do Iguaçu/BRA, Resistência/ARG e Buenos Aires/ARG), foram utilizadas para gerar uma pequena climatologia (12 anos; de janeiro de 1998 a dezembro de 2009) de alguns dos principais ingredientes necessários para o desenvolvimento de convecção severa: oferta de umidade, instabilidade condicional termodinâmica e cisalhamento vertical do vento (CVV). A climatologia visou documentar as magnitudes típicas e a variação sazonal destes parâmetros para a região de interesse. Valores significativos dos parâmetros foram objetivamente identificados via análise de quantis e testados como limiares combinados para salientar ambientes favoráveis ao desenvolvimento de tempestades severas. Limiares para a América do Norte documentados na literatura também foram testados para este fim e confrontados com os respectivos valores da amostragem sul-americana. Diferentes combinações destes limiares foram empregadas para se extrair os perfis atmosféricos considerados teoricamente favoráveis a tempestades severas e tornados. Perfis de tempo severo também foram extraídos dos dados da Reanálise do NCEP-NCAR válidos às 18Z. Foi examinada a distribuição temporal e espacial destes ambientes de tempo severo explorando sua sazonalidade e distribuição geográfica. Partindo destes perfis, foram analisados os padrões sinóticos predominantes na região através da composição média e Análise de Componentes Principais para as variáveis meteorológicas mais relevantes em diferentes níveis verticais. A climatologia reproduziu bem o comportamento sazonal esperado dos parâmetros de instabilidade termodinâmica e CVV. Em comparação com a climatologia da América do Norte encontrou-se para a América do Sul valores mais baixos de lapse rates na média troposfera, CVV na camada entre 0-6km, e altura do NCL. A distribuição sazonal e espacial dos perfis de tempo severo sugere uma migração geográfica das condições de tempo severo das latitudes mais baixas [altas] para as latitudes mais altas [baixas] à medida que nos aproximamos dos meses de verão [inverno]. O padrão sinótico de tempo severo na América do Sul é diferente daquele tradicionalmente documentado para a América do Norte, especialmente em superfície.

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Tropical cyclone (TC)-spawned tornadoes in Florida were analyzed to determine patterns of occurrence based on storm and geographic features. Tornadoes were determined to be associated with a landfalling or nearby TC if a tornado occurred within 800 km of the TC’s center of circulation. TC-tornadoes were analyzed for patterns based on distance and angle from TC’s center, topographic influences, population biases, and influence based on time of landfall. Most TC-Tornadoes tend to occur more often before landfall than after. It was discovered that tornadoes have occurred in different areas with respect to the bearing from the center depending on the landfall location and time of landfall. It was also discovered that land use type, and elevation had little to do with TC-Tornado occurrence. The results do suggest some population bias. The findings will be a guide for operational meteorologists to aid in forecasting likely tornadogenesis from TCs.

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