Nowadays, megacities all over the world are facing air quality issues, especially regarding the control of secondary pollutants such as tropospheric ozone (O3) but mainly fine particles (PM2.5 ; 2.5 m in diameter), as they have important impacts on both human health and climate change. Understanding the evolution of these particles in the atmosphere requires the description of emission sources as well as the physicochemical processes involved in their formation, growth and removal. In this study, the Weather Research and Forecasting with Chemistry (WRF-Chem) community model, a state-of-the-art coupled meteorology-chemistry modelling system, along with experimental data collected during the Narrowing the Uncertainties on Aerosol and Climate Change in São Paulo State (NUANCE-SPS, FAPESP thematic project) campaigns performed in 2012 and 2014, were used in order to examine the main properties of atmospheric aerosol particles over the Metropolitan Area of São Paulo (MASP), in southeastern Brazil, where changes in fuel blend and consumption in recent years have affected the evolution of pollutant concentrations. The combined application of aerosol data and WRF-Chem simulations made it possible to represent some of the most important aerosol properties such as particle number concentration (PNC) and cloud condensation nuclei (CCN) activation, besides allowing us to evaluate the contributions of anthropogenic and biomass burning sources to the PM2.5 loadings in the MASP. For instance, on-road vehicles have a potential to form new particles between 20 and 30 % in relation to the total PM2.5 mass, whereas biomass burning, on average, accounted for 824 % (515 g m3 ) of it. In addition, biomass burning accounted for up to 20 % of the baseline PNC- and CCN-weighted relative differences over the MASP (2300 cm3 and 1400 cm3 , respectively). The results indicate the potential importance of biomass burning sources for air quality in the MASP, and underscore the need for more accurate representations of aerosol emissions to reduce uncertainties in the model predictions. / Atualmente, megacidades ao redor do mundo enfrentam problemas de qualidade do ar, especialmente aqueles relacionados ao controle de poluentes secundários como o ozônio troposférico (O3), mas principalmente partculas finas (PM2.5 ; 2.5m em diâmetro). As partculas finas têm impactos significativos na saúde humana bem como no clima, através das mudanças climáticas. O entendimento da evolução destas partculas na atmosfera requer a descrição de suas fontes de emissão e também dos processos fsico-qumicos envolvidos na sua formação, crescimento e remoção. Neste estudo, o modelo Weather Research and Forecasting with Chemistry (WRF-Chem), um sistema de modelagem atmosférica estado-da-arte, juntamente com dados coletados durante duas campanhas experimentais realizadas em 2012 e 2014 no âmbito do projeto Narrowing the Uncertainties on Aerosol and Climate Change in São Paulo State (NUANCE-SPS, projeto temático FAPESP), foram usados para analisar as principais propriedades do aerossol atmosférico na Região Metropolitana de São Paulo (RMSP), no sudeste do Brasil, onde mudanças na composição e no consumo dos combustveis têm afetado a evolução da concentração de poluentes. A aplicação combinada de dados experimentais e simulações numéricas com o WRF-Chem permitiu a representação de algumas das propriedades mais importantes do aerossol atmosférico como concentração do número de partculas e ativação de núcleos de condensação de nuvens, assim como a avaliação da contribuição de fontes antropogênicas e de queimadas na concentração do PM2.5 . Por exemplo, fontes veiculares têm potencial para formar novas partculas entre 20 e 30 % em relação à massa total do PM2.5, enquanto fontes de queimadas contriburam, na média, entre 824 % (515 g m3 ) da massa total deste poluente. Outrossim, fontes de queimadas contriburam em até 20 % das concen- trações base do número de partculas e de núcleos de condensação de nuvens sobre a RMSP (2300 cm3 e 1400 cm3, respectivamente). Os resultados indicam o potencial impacto das queimadas na qualidade do ar na RMSP, e enfatizam a necessidade de aprimoramentos nos modelos de emissão de aerossol, visando reduzir incertezas nas previsões do modelo.

Neste trabalho, investiga-se o impacto de diferentes cenários de inventários de emissões veiculares na qualidade do ar nas regiões metropolitanas de São Paulo, Baixada Santista, Vale do Paraíba, Sorocaba e Campinas. A construção de inventários de emissões veiculares bottom-up é complexa, tendo que agregar informações diversas, como a composição da frota veicular (com a distribuição de idade, tipos de veículos, tipos de combustível) e os processos emissores (fatores de emissão para partidas a frio, emissões de escapamento e evaporativas). Além disso, para modelos de qualidade do ar, estas emissões ainda devem ser distribuídas no tempo e no espaço. Os cenários foram construidos utilizando diferentes fontes de dados, destacando-se as simulações de tráfego e contagem de veículos da CET e SPTRANS, e registros de deslocamentos de veículos através de GPS para a distribuição espaço-temporal do fluxo veicular. Para o cálculo de emissões foi desenvolvido um software open source chamado VEIN (Vehicular Emissions Inventories, disponível em https://github.com/ibarraespinosa/vein). As emissões simuladas para as regiões metropolitanas de São Paulo são maiores do que as emissões estimadas pela CETESB para todos os poluentes. A partir destes cenários, foram realizadas simulações de qualidade do ar com o modelo WRF-Chem. Os resultados variam para os diferentes poluentes. De uma forma geral, a variação diurna dos poluentes é bem simulada, mostrando que as emissões estão consistentes. Apesar dos maiores valores de emissão encontrados neste trabalho, as concentrações simuladas dos poluentes primários foi, em média, menor do que as concentrações observadas. Isto provavelmente é decorrente do fato dos ventos simulados serem mais fortes do que os ventos observados. Este trabalho mostra novos métodos para desenvolver inventários de emissões com diferentes dados fornecendo um novo enfoque para compreender os problemas de qualidade do ar. / In this work, the impact of different vehicle emission inventory scenarios on air quality in the metropolitan areas of São Paulo, Baixada Santista, Vale do Paraíba, Sorocaba and Campinas is investigated. The construction of bottom-up vehicular emissions inventories is complex, being necessary to aggregate diverse information, such as the composition of the vehicle fleet (with the distribution of age, types of vehicles, types of fuel) and the emitting processes (emission factors for cold starts, exhaust and evaporative emissions). In addition, for air quality models, these emissions must still be distributed in time and space. The scenarios were constructed using different data sources, highlighting traffic simulations and vehicle counting of CET and SPTRANS, and records of vehicular displacements through GPS for the spatial-temporal distribution of vehicular flow. For the calculation of emissions, an open source software called VEIN (Vehicular Emissions Inventories, available at https://github.com/ibarraespinosa/vein) was developed. The simulated emissions for the metropolitan regions of São Paulo are larger than the emissions estimated by CETESB for all pollutants. From these scenarios, air quality simulations were performed with the WRF-Chem model. The results vary for different pollutants. In general, the daily variation of the pollutants is well simulated, showing that emissions are consistent. Despite the higher emission values found in this work, the simulated concentrations of the primary pollutants were, on average, lower than the observed concentrations. This is probably due to the fact that the simulated winds are stronger than the observed winds. This work shows new methods to develop emission inventories with different data providing a new approach to understanding air quality problems.

Este trabalho teve como objetivo avaliar o impacto da mudança dos fatores de emissão veicular na formação de ozônio troposférico na Região Metropolitana de São Paulo (RMSP), Brasil, comparando os anos de 2004 e 2011. Essa avaliação foi realizada por meio de modelagem numérica com o modelo de qualidade do ar Weather Research and Forecasting with Chemistry (WRF-Chem), configurado sobre um domínio com 4 grades aninhadas: 27, 9, 3 e 1 km; e com o mecanismo químico considerado, o RADM2, acionado apenas nas grades de 3 e 1 km. Os inventários de emissão foram baseados em informações estimadas de número de veículos, fatores de emissão de compostos químicos e número médio de quilômetros percorridos por dia pelos distintos tipos de veículos considerados. Os períodos de estudo 06 a 09 de setembro de 2004 e 12 a 15 de novembro de 2011 foram selecionados, principalmente, por apresentarem episódios de altas concentrações de ozônio e pela existência de dados experimentais de determinação de fatores de emissão. Para avaliar a performance das simulações foram utilizados dados observados de temperatura, umidade relativa, vento, concentração de ozônio, óxidos de nitrogênio e monóxido de carbono das estações de qualidade do ar da rede de monitoramento da Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental (CETESB). Os resultados mostraram que as configurações físicas e químicas estabelecidas no modelo conseguiram representar adequadamente os ciclos de formação do ozônio, no entanto, com defasagens e intensidades máximas menores, características relacionadas com o cálculo das distribuições espaço/temporal das emissões como também pelo transporte não só do ozônio, mas também de seus precursores desde regiões externas à RMSP. Por outro lado, dadas as características de emissão em 2004 e 2011, encontrou-se que a atmosfera da RMSP estava caracterizada por um regime COV-limitante naqueles anos, principalmente no ano 2004. Finalmente, o cenário de emissão para 2011 considerando os mesmos fatores de emissão de 2004 mostrou um grande impacto na formação do ozônio troposférico, considerando a grade de 1 km de espaçamento. Esse resultado foi 8 produto do estabelecimento de uma razão média COV/NOx mais eficiente em termos de formação de ozônio, apesar das emissões dos seus precursores ter diminuído em relação a 2004. / The objective of this work was to evaluate the impact of vehicular emission factors change on tropospheric ozone formation in the Metropolitan Area of São Paulo (MASP), Brazil for 2004 and 2011. Weather Research and Forecasting with Chemistry (WRF-Chem) model was used as the photochemical modeling tool. WRF-Chem was set up to run with four nested grid cells: 27, 9, 3 and 1 km. The Regional Acid Deposition Model (RADM) version 2 was the chemical mechanism considered, turned it on barely in 3 and 1 km grid cells. The emission inventories were based on the estimated information of number of vehicles, emission factors and average driving kilometers for vehicle per day. The study periods September 06-09, 2004 and November 12-15, 2011 were chosen due to the high ozone concentrations observed, and the experimental data available for these periods. Observation of temperature, relative humidity, winds, and O3, CO and NOx concentrations from the air quality monitoring network of Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental do Estado de São Paulo (CETESB) were used to evaluate WRF-Chem simulations performance. The results showed that the chemical and physics configurations in WRF-Chem represented adequately the ozone formation cycles; however, with mismatches and maximum concentrations lower than observations, characteristics related with the estimative of the spatial and temporal distributions of the emissions as well as by the transportation of ozone and its precursors from external regions to MASP. On the other hand, given the characteristics of emission in 2004 and 2011, we found that MASP was under a strong COV-limited regime, principally in 2004. Finally, the scenario considering the emission factor of 2004 valid for 2011 in MASP showed a great impact in tropospheric ozone formation with high concentrations calculated for 2011 considering 1 km grid cell (with the most realistic vehicular activity), as result of a more efficient COV/NOx ratio calculation in terms of ozone formation.

Este estudo tem como objetivo a verificação das previsões diárias, das temperaturas máxima e mínima e precipitação acumulada, realizadas pelo modelo operacional de previsão numérica do tempo WRF (Weather Research Forecasting) para o estado de São Paulo. As condições iniciais e de fronteira fornecidas pela análise e previsão das 00UTC do modelo Global Forecast System (GFS), são usados no processamento do WRF, para previsões de 72 horas, em duas grades aninhadas (espaçamentos horizontais de grade de 50 km, D1, e 16,6 km, D2). O período avaliado foi de abril de 2010 a março de 2011. As comparações diárias das temperaturas máxima e mínima foram realizadas entre os valores preditos e observados nas estações de superfície de Registro, São Paulo, Paranapanema, Campinas, Presidente Prudente e Votuporanga (dados da CIIAGRO); através do erro médio (EM) e raiz do erro médio quadrático (REQM), para os prognósticos das 36, 60 e 72 horas. A precipitação acumulada diária é avaliada com relação ao produto MERGE, pela aplicação da ferramenta MODE, na previsão das 36 horas, para um limiar de 0,3 mm, no domínio espacial abrangendo o Estado de São Paulo e vizinhanças. Primeiramente, fez-se uma análise, comparando os pares de grade dos campos previsto e observado, utilizando os índices estatísticos de verificação tradicional de probabilidade de acerto (PA); índice crítico de sucesso (ICS); viés (VIÉS); probabilidade de detecção (PD) e razão de falso alarme (RFA). Posteriormente, foram analisados os campos de precipitação com relação à razão de área (RA); distância dos centroides (DC); razões de percentil 50 (RP50) e 90 (RP90). Os resultados evidenciaram que as saídas numéricas do modelo WRF com D2 tiveram desempenho melhor comparado à grade de menor resolução (maior espaçamento de grade horizontal, D1), tanto no prognóstico diário das temperaturas (máxima e mínima) quanto da precipitação acumulada. A temperatura apresentou um padrão de amortecimento, com temperaturas diárias máxima subestimada e mínima superestimada. Com relação à precipitação, as saídas numéricas do modelo GFS e WRF com D2 mostraram desempenho semelhante, com o D2 apresentando índices ligeiramente melhores, enquanto que as saídas numéricas do modelo WRF com D1 exibiram pior desempenho. Verificou-se um padrão de superestimativa, tanto em termos de abrangência espacial quanto em intensidade, para o modelo GFS e WRF em ambos os domínios simulados, ao longo de todo o período analisado. O percentil 50 é, geralmente, maior que o observado; entretanto, o percentil 90 é mais próximo ao observado. Os resultados também indicam que o viés dos modelos varia ao longo do ano analisado. Os melhores índices tanto com relação à precipitação quanto à temperatura foram obtidos para a estação de verão, com o modelo WRF com D2 apresentando melhores prognósticos. Entretanto, os modelos apresentam os maiores erros no inverno e no outono. Estes erros foram decorrentes de subestimativas das temperaturas máximas e superestimativas de área e intensidade de precipitação. / Forecasts of daily maximum and minimum temperatures and rainfall performed by the operational numerical weather prediction WRF (Weather Research Forecasting) model in the São Paulo are evaluated. Initial and boundary conditions provided by the 00UTC Global Forecast System (GFS) Model and WRF run for 72 hours, with two nested grids (with horizontal grid spacing of 50 km, D1, and 16.6 km, D2). The study was made for April 2010 to March 2011 period. Daily maximum and minimum temperatures comparisons were made, between predicted and observed data of the surface weather stations of Registro, São Paulo, Paranapanema, Campinas, Presidente Prudente and Votuporanga (CIIAGRO Data), through the mean error (ME) and root mean square error(RMSE), for the 36, 60 and 72 hours forecasts. The daily accumulated rainfall is evaluated using MODE with respect to the MERGE product, for the 36 hours forecast, with threshold of 0.3 mm over the spatial domain covering the State of São Paulo and neighborhoods. First, an analysis was made comparing grid pairs of predicted and observed fields, through the traditional statistical verification indexes: accuracy (PA), critical success index (ICS), bias (VIES), probability of detection (PD) and false alarm ratio (RFA). Subsequently, we analyzed the precipitation field with respect to area ratio (AR), distance from the centroids (DC), ratio of the 50th percentile (RP50) and ratio of the 90th percentile (RP90). The WRF, with D2 nested grid, had better performance compared to the grid of lower space resolution (higher horizontal grid spacing, D1) for both, daily temperatures (maximum and minimum) and the accumulated rainfall forecasts. The temperature forecast presented a damped pattern, with underestimated maximum and overestimated minimum values. Rainfall was overall overestimated spatially and in intensity for the three models throughout the analized period. The forecasted 50th percentile is generally higher than that observed, however, the 90th percentile is closer to observations. The results also indicate that the bias of the models varies annually. The best performances for both rainfall and temperature were obtained for the summer season, with the D2 showing slightly better results. However, the models had the biggest errors during the winter and autumn seasons. These errors were due to underestimation of maximum temperatures and overestimation in area and intensity of precipitation.

As altas concentrações de ozônio troposférico e outros poluentes constituem riscos à saúde da população da Região Metropolitana de São Paulo (RMSP), sendo regidas por complexos fatores de origem antrópica (como a emissão de poluentes precursores) e natural (como a disponibilidade de radiação solar). Na primeira etapa do estudo, as estações de monitoramento da CETESB foram classificadas de acordo com o uso e ocupação do solo, através de critérios sugeridos pelo OMS, em veicular, comercial, residencial e background urbano. Foi realizada a avaliação de séries temporais, de 1996-2011, medidas em estações da CETESB, principalmente pela comparação do ciclo sazonal de ozônio nas estações com diferentes classificações de uso do solo. A segunda etapa se caracterizou pela realização, no modelo atmosférico WRF/Chem 3.2.1, de testes de sensibilidade, onde alterações nas características de emissão e uso do solo foram realizadas por meio de programas em SIG, configurando diferentes cenários que foram comparados à um cenário de controle, durante um período de intensa insolação na região de estudo (verão de 2014). Os resultados da primeira etapa indicaram concentrações médias de ozônio mais elevadas em estações de uso do solo residencial ou de background urbano (com média mensal mais alta de 57 gm-3 ou 28 ppb em outubro na estação Pico do Jaraguá), e mais baixas em estações com uso do solo veicular e comercial (com média mensal mais baixa de 6 gm-3 ou 3 ppb em junho na estação Lapa); o oposto do verificado para outros poluentes, tanto na escala diurna como na sazonal. Os resultados da segunda etapa (modelagem) demonstraram que o tamanho das áreas onde as emissões antropogênicas veiculares foram alteradas influencia diretamente na intensidade e distribuição espacial das alterações de ozônio e poluentes primários avaliados. Os cenários com redução mais intensa da emissão (100%) também indicaram alterações mais intensas do que os com redução moderada (50%). Os cenários com número total de veículos reduzido apresentaram as reduções mais expressivas de ozônio, com redução média de 18 gm-3 ou 9 ppb durante o dia no cenário que simula um pedágio urbano no centro de São Paulo. A circulação local de brisa marítima foi determinante para o transporte do excesso ou déficit de ozônio e poluentes precursores para diferentes regiões da RMSP. A modificação de uso do solo acarretou em diferentes propriedades termodinâmicas de superfície e emissão de compostos biogênicos associados à formação do ozônio, acarretando em concentrações mais altas dentro das áreas modificadas (com aumento médio de 10 gm-3 ou 5 ppb durante todos os horários do dia no cenário em que se simula a construção de um parque urbano em São Paulo) e transporte para regiões mais distantes. Concluiu-se que, nas condições ambientais e de infraestrutura atuais encontradas na RMSP, a implementação de um parque deverá acarretar na elevação das concentrações médias de ozônio na área alterada (com possíveis impactos de aumento ou redução também em áreas adjacentes e distantes, de acordo com a circulação atmosférica predominante). Sugere-se o foco no transporte público e não motorizado, além do ordenamento adequado do uso e ocupação do solo e políticas de desenvolvimento de combustíveis mais limpos para a mitigação destes problemas e implementação de parques urbanos sem aumento das concentrações de ozônio. / High concentrations of pollutants such as tropospheric ozone pose health risks for the population of the São Paulo Metropolitan Area (SPMA). It is influenced by complex factors from anthropogenic (emission of precursor pollutants) and natural (such as the availability of sunlight) origin, typical of the study region. In the first part of the study, state Environmental Agency (CETESB) monitoring stations were classified per their land use, using WHO criteria, into vehicular, commercial, residential and urban background. Also, pollutant time series from 1996-2011 from these stations were analysed, mainly through the comparison of the ozone seasonal cycle in monitoring stations with different land use classes. The second part of the study was focused on the evaluation in the atmospheric model WRF/Chem 3.2.1, of sensitivity tests, where changes on the emission and land use characteristics were performed in GIS softwares, configuring different scenarios which were compared to a control simulation during a period of intense availability of sunlight in the study region. Results from the first part indicated that higher average ozone concentrations were found in stations with residential and urban background land use classes (with the highest monthly average of 57 gm-3 or 28 ppb in October at Pico do Jaraguá station), and lower in vehicular and commercial stations (with the lowest monthly average of 6 gm-3 or 3 ppb in June at Lapa station), the opposite of what was found for other pollutants, both in the diurnal and seasonal scales. Significant correlations were calculated between stations with similar land use classes. Results from the second part (atmospheric modelling) showed that the size of the altered area strongly impacts the intensity and spatial distribution of the changes simulated for ozone and other primary pollutants evaluated. The scenarios with more intense emission decrease (100%) also indicated more intense changes compared to the scenarios with moderated decrease (50%). Scenarios with decreased total vehicle number also presented significant reduction in ozone, with an average decrease of 18 gm-3 or 9 ppb during the day in a scenario simulating an urban toll in downtown São Paulo. The local sea breeze circulation determined the transport of the excess or deficit of ozone and other precursor pollutants to different regions within the SPMA. Changes in land use induced different atmospheric circulation characteristics by changing the surface thermodynamic properties and by the emission of biogenic compounds which act as precursors for ozone, resulting in higher concentrations within the modified areas (with an increase of 10 gm-3 or 5 ppb during all hours of the day in the scenario which simulates the building of an urban park in Sao Paulo) and transport for more distant areas. As a conclusion, the building of a park within the current infrastructure and environmental conditions in the SPMA should increase average ozone concentrations in the modified areas (with possible impacts of increase and reduction in near and far regions, according to the prevailing atmospheric circulation), specially if it is located relatively near avenues with intense vehicle circulation. We suggest focus on public and non-motorized transport systems, proper land use management and policies for the development of cleaner fuels for the mitigation of these problems and implementation of urban parks without increasing ozone concentrations.

Cyclones distribution and intensities impact directly on human activities, mainly due to their associated intense precipitation and winds. The main aim of this thesis is to understand changes in the cyclones originated in the South Atlantic focusing on their genesis and intensifying mechanisms. Cyclones are identified and tracked based on the relative vorticity field at 850 hPa computed from the winds. The characteristics of the cyclones are obtained by diagnostic variables sampled within a radial distance from each cyclone center and to produce a spatial distribution of the cyclone properties at the time of genesis. Also, cyclone centered composites are used to analyze the cyclone structure and the evolution of cyclones during their genesis. The climatology of cyclones was done using NCEP-CFSR and shows four main cyclogenesis regions in the South Atlantic Ocean: on the Southern Brazilian coast (SE-BR, 30°S), over the continent near the La Plata river discharge region (LA PLATA, 35°S), on the southeastern coast of Argentina (ARG, 40°S-55°S) and on the Southeastern Atlantic (SE-SAO, centered at 55°S and 10°W). To access changes in cyclone development, we used the CMIP5 HadGEM2-ES historical experiment (1980-2005) and RCP8.5 future projection (2074-2099). The HadGEM2-ES can represent the main South Atlantic characteristics of cyclones according to NCEP-CFSR climatology. However, there is an underestimation in cyclone frequency in the equatorward side of the storm track, particularly in the LA PLATA region. The HadGEM2-ES RCP8.5 future projection shows a general decrease of approximately 10% of cyclogenesis in the South Atlantic domain, which is mainly related to the poleward shift of the storm track. However, LA PLATA region presents a slight increase in its cyclogenetic activity (6.1 and 3.6%), in the summer and winter, respectively). The increase in genesis at 30°S over the continent is associated with the strengthening of the upper-level jet and the increase of warm and moisture advections at the same location. The enhance in the moisture transport from the tropics is also related to the intensification of the cyclone in the domain, mainly northward of 35°S. Finally, a downscaling using WRF was performed in an attempt to improve the climate model resolution. However the downscaling produces less and weaker cyclones in the NCEP-CFSR and HadGEM2-ES runs. The only region that presented an improvement was LA PLATA, due to the better representation of local features related to orography and moisture processes. The downscaled HadGEM2-ES RCP8.5 also shows an increase in cyclogenesis in the LA PLATA region and other locations. The HadGEM2-ES RCP8.5 projection and its downscaling shows that the cyclogenesis in some locations of South America is increasing, mainly due to the increase in the low-level moisture content and the strengthening of the equatorward flank of the upper-level jet. The cyclones in this locations will be slightly intense (between 20°S and 30°S) and will affect a narrow area close to the South American coast. / A distribuição e intensidade dos ciclones afeta diretamente as atividades humanas devido a precipitação e fortes ventos associados a esses sistemas. O objetivo principal deste trabalho é entender as mudanças nos ciclones gerados no Atlântico Sul devido às mudanças climáticas, focando em seus mecanismos geradores e intensificadores. Os ciclones foram identificados e rastreados utilizando a vorticidade relativa em 850hPa, calculada a partir do campo de ventos horizontal. Também foram usadas composições centradas para a análise da estrutura e evolução dos ciclones durante seu desenvolvimento. A climatologia de ciclones feita com o NCEP-CFSR mostra quatro regiões ciclogenéticas principais no Oceano Atlântico Sul: na costa sul do Brasil (SE-BR, 30°S), sobre o continente próximo da desembocadura do Rio da Prata (LA PLATA, 35°S), na costa sudeste da Argentina (ARG, 40°S-55°S) e no Sudeste do Atlântico (SE-SAO, centrada em 55°S, 10°W). Para analisar as mudanças no desenvolvimento dos ciclones, nós utilizamos os experimentos histórico (1980-2005) e RCP8.5 (2074-2099) do HadGEM2-ES (CMIP5). O HadGEM2-ES é capaz de reapresentar as principais características dos ciclones do Atlântico Sul, quando comparado à climatologia. No entanto, existe uma subestimativa do número de ciclones no lado equatorial da região de máxima atividade ciclônica, principalmente na região LA PLATA. A projeção futura HadGEM2-ES no cenário RCP8.5 mostra uma redução de aproximadamente 10% na ciclogêneses no domínio do Atlântico Sul, principalmente associada ao deslocamento em direção ao polo da região de máxima atividade ciclônica. Porém, a região LA PLATA apresenta um pequeno aumento em sua atividade ciclogenética (6.1 e 3.6%), no verão e inverno, respectivamente). O aumento na ciclogênese em 30°S está associada ao fortalecimento do jato de altos níveis e ao aumento da advecção quente e de umidade nessa localidade. O aumento do transporte de umidade dos trópicos está associado também à intensificação dos ciclones observada na projeção futura, principalmente ao norte de 35°S. Por fim, uma regionalização com o modelo WRF foi usada para melhorar a resolução do modelo climático. Porém, as simulações regionais subestimaram os ciclones em número e intensidade. A única região que em as regionalizações apresentaram melhor desempenho foi a LA PLATA, devido a uma melhor representação de feições locais associadas a orografia e processos úmidos. A regionalização do cenário futuro RCP8.5 também apresentou aumento da ciclogênese do LA PLATA, mas para o inverno. Tanto a projeção RCP8.5 do HadGEM2-ES quanto sua regionalização mostram que a ciclogênese em algumas regiões da América do Sul está aumentando, principalmente devido ao aumento de umidade em baixos níveis da atmosfera e fortalecimento do lado ramo equatorial do jato de altos níveis. Os ciclones nessas localidades serão intensos (entre 20°S e 30°S) e tendem a afetar uma região mais próxima à costa.

Neste trabalho, investiga-se o impacto de diferentes cenários de inventários de emissões veiculares na qualidade do ar nas regiões metropolitanas de São Paulo, Baixada Santista, Vale do Paraíba, Sorocaba e Campinas. A construção de inventários de emissões veiculares bottom-up é complexa, tendo que agregar informações diversas, como a composição da frota veicular (com a distribuição de idade, tipos de veículos, tipos de combustível) e os processos emissores (fatores de emissão para partidas a frio, emissões de escapamento e evaporativas). Além disso, para modelos de qualidade do ar, estas emissões ainda devem ser distribuídas no tempo e no espaço. Os cenários foram construidos utilizando diferentes fontes de dados, destacando-se as simulações de tráfego e contagem de veículos da CET e SPTRANS, e registros de deslocamentos de veículos através de GPS para a distribuição espaço-temporal do fluxo veicular. Para o cálculo de emissões foi desenvolvido um software open source chamado VEIN (Vehicular Emissions Inventories, disponível em https://github.com/ibarraespinosa/vein). As emissões simuladas para as regiões metropolitanas de São Paulo são maiores do que as emissões estimadas pela CETESB para todos os poluentes. A partir destes cenários, foram realizadas simulações de qualidade do ar com o modelo WRF-Chem. Os resultados variam para os diferentes poluentes. De uma forma geral, a variação diurna dos poluentes é bem simulada, mostrando que as emissões estão consistentes. Apesar dos maiores valores de emissão encontrados neste trabalho, as concentrações simuladas dos poluentes primários foi, em média, menor do que as concentrações observadas. Isto provavelmente é decorrente do fato dos ventos simulados serem mais fortes do que os ventos observados. Este trabalho mostra novos métodos para desenvolver inventários de emissões com diferentes dados fornecendo um novo enfoque para compreender os problemas de qualidade do ar. / In this work, the impact of different vehicle emission inventory scenarios on air quality in the metropolitan areas of São Paulo, Baixada Santista, Vale do Paraíba, Sorocaba and Campinas is investigated. The construction of bottom-up vehicular emissions inventories is complex, being necessary to aggregate diverse information, such as the composition of the vehicle fleet (with the distribution of age, types of vehicles, types of fuel) and the emitting processes (emission factors for cold starts, exhaust and evaporative emissions). In addition, for air quality models, these emissions must still be distributed in time and space. The scenarios were constructed using different data sources, highlighting traffic simulations and vehicle counting of CET and SPTRANS, and records of vehicular displacements through GPS for the spatial-temporal distribution of vehicular flow. For the calculation of emissions, an open source software called VEIN (Vehicular Emissions Inventories, available at https://github.com/ibarraespinosa/vein) was developed. The simulated emissions for the metropolitan regions of São Paulo are larger than the emissions estimated by CETESB for all pollutants. From these scenarios, air quality simulations were performed with the WRF-Chem model. The results vary for different pollutants. In general, the daily variation of the pollutants is well simulated, showing that emissions are consistent. Despite the higher emission values found in this work, the simulated concentrations of the primary pollutants were, on average, lower than the observed concentrations. This is probably due to the fact that the simulated winds are stronger than the observed winds. This work shows new methods to develop emission inventories with different data providing a new approach to understanding air quality problems.

A Região Metropolitana de São Paulo (RMSP) conta com mais de 20 milhões de habitantes em 7958 km², o que a caracteriza como uma megacidade. Este fato ocasiona o efeito de ilha de calor que pode resultar em interações complexas com circulações de mesoescala, tais como a brisa marítima, podendo influenciar nos padrões de circulação local e afetar diretamente o tempo e o clima da região. Dessa forma, através da modelagem numérica com o modelo de mesoescala WRF este trabalho se propôs a analisar e avaliar os possíveis efeitos da expansão da mancha urbana - passada e futura - na modificação destes padrões em duas estações do ano de 2007: inverno (18/08) e verão (07/03). Para isto introduziu-se diferentes manchas urbanas no modelo, supondo nenhuma urbanização, urbanização observada em 1952 e em 2007, bem como uma suposta urbanização prevista para o ano de 2030. O acoplamento de um modelo de dossel urbano junto ao WRF também foi avaliado, e os resultados mostraram que para o inverno a inclusão do mesmo se mostrou dispensável, enquanto para o verão as simulações em que o módulo esteve ativo se mostraram mais coerentes à realidade. Para as duas estações observou-se a influência da expansão da mancha urbana nos eventos de brisa marítima, sendo que quanto maior a área urbanizada maior o tempo de deslocamento da frente de brisa continente adentro, podendo a diferença chegar a 2 horas. Diferenças na temperatura também puderam ser vistas, principalmente à noite no período de inverno, de forma que algumas regiões chegaram a apresentar 6 °C a mais em 2007. Observou- se uma frente de umidade acompanhando a frente de brisa marítima e quanto maior a urbanização, menor a quantidade de umidade associada, chegando a uma redução de 22% durante o inverno e de 33% durante o verão. No inverno não foram observadas grandes diferenças na precipitação, enquanto que no verão foram encontradas diferenças significativas em praticamente todo o domínio de simulação, chegando a 50 mm em determinadas regiões (a mais ou a menos). Tais diferenças na precipitação não se mostraram lineares com a expansão da mancha urbana. Cortes verticais não evidenciaram circulações bem definidas associadas à ilha de calor, nem para o inverno nem para o verão, no entanto, claramente pôde-se observar a influência que a expansão urbana tem sobre os episódios de brisa marítima, em quaisquer das variáveis meteorológicas analisadas. / The Metropolitan Area of São Paulo (MASP) has over 20 million inhabitants over a 7958 km² area, which characterizes a megacity. This fact causes the heat island effect that can result in complex interactions with mesoscale circulations such as the sea breeze and can influence the local circulation and directly affect the weather and climate of the region. Therefore, through numerical modeling of the atmosphere using the WRF mesoscale model this work analyses and evaluates the possible effects of urban expansion - past and future on the modification of these patterns in two days representatives of the winter and summer (18/08 and 07/03, respectively). For that purpose we introduced different types of urban areas in the model, assuming no urbanization, using the urbanization observed in 1952 and 2007 as well as a hypothetical urbanization numerically predicted for the year of 2030. The coupling of an urban canopy model (UCM) along with WRF was also evaluated and the results showed that the inclusion of UCM proved to be unnecessary during wintertime. However, in the summer, the simulations where the module was activated were more consistent with reality. For the two seasons we observed the influence of urban expansion in the events of sea breeze, and the higher the urbanized area more increased was the travel time of the sea breeze front inland, being the time difference as high as 2 hours. Differences in temperature were also observed, especially at night in the winter, so that some regions were as high as 6 °C hotter in 2007. A moisture front accompanying the sea breeze front and the higher the urbanization the lower the amount of moisture associated, reaching a reduction of 22% during winter and 33% during the summer. During the winter no major differences were observed in precipitation, while in the summer significant differences were found almost over all simulation domain, reaching 50 mm in certain regions (positive or negative). Such differences in precipitation were not linear with the expansion of urban area. Vertical sections did not show well-defined circulations associated with urban heat island, neither for the winter nor for summer, however, we can clearly observe the influence that urban area extension has on episodes of sea breeze in any of the weather variables.

Este trabalho teve como objetivo avaliar o impacto da mudança dos fatores de emissão veicular na formação de ozônio troposférico na Região Metropolitana de São Paulo (RMSP), Brasil, comparando os anos de 2004 e 2011. Essa avaliação foi realizada por meio de modelagem numérica com o modelo de qualidade do ar Weather Research and Forecasting with Chemistry (WRF-Chem), configurado sobre um domínio com 4 grades aninhadas: 27, 9, 3 e 1 km; e com o mecanismo químico considerado, o RADM2, acionado apenas nas grades de 3 e 1 km. Os inventários de emissão foram baseados em informações estimadas de número de veículos, fatores de emissão de compostos químicos e número médio de quilômetros percorridos por dia pelos distintos tipos de veículos considerados. Os períodos de estudo 06 a 09 de setembro de 2004 e 12 a 15 de novembro de 2011 foram selecionados, principalmente, por apresentarem episódios de altas concentrações de ozônio e pela existência de dados experimentais de determinação de fatores de emissão. Para avaliar a performance das simulações foram utilizados dados observados de temperatura, umidade relativa, vento, concentração de ozônio, óxidos de nitrogênio e monóxido de carbono das estações de qualidade do ar da rede de monitoramento da Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental (CETESB). Os resultados mostraram que as configurações físicas e químicas estabelecidas no modelo conseguiram representar adequadamente os ciclos de formação do ozônio, no entanto, com defasagens e intensidades máximas menores, características relacionadas com o cálculo das distribuições espaço/temporal das emissões como também pelo transporte não só do ozônio, mas também de seus precursores desde regiões externas à RMSP. Por outro lado, dadas as características de emissão em 2004 e 2011, encontrou-se que a atmosfera da RMSP estava caracterizada por um regime COV-limitante naqueles anos, principalmente no ano 2004. Finalmente, o cenário de emissão para 2011 considerando os mesmos fatores de emissão de 2004 mostrou um grande impacto na formação do ozônio troposférico, considerando a grade de 1 km de espaçamento. Esse resultado foi 8 produto do estabelecimento de uma razão média COV/NOx mais eficiente em termos de formação de ozônio, apesar das emissões dos seus precursores ter diminuído em relação a 2004. / The objective of this work was to evaluate the impact of vehicular emission factors change on tropospheric ozone formation in the Metropolitan Area of São Paulo (MASP), Brazil for 2004 and 2011. Weather Research and Forecasting with Chemistry (WRF-Chem) model was used as the photochemical modeling tool. WRF-Chem was set up to run with four nested grid cells: 27, 9, 3 and 1 km. The Regional Acid Deposition Model (RADM) version 2 was the chemical mechanism considered, turned it on barely in 3 and 1 km grid cells. The emission inventories were based on the estimated information of number of vehicles, emission factors and average driving kilometers for vehicle per day. The study periods September 06-09, 2004 and November 12-15, 2011 were chosen due to the high ozone concentrations observed, and the experimental data available for these periods. Observation of temperature, relative humidity, winds, and O3, CO and NOx concentrations from the air quality monitoring network of Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental do Estado de São Paulo (CETESB) were used to evaluate WRF-Chem simulations performance. The results showed that the chemical and physics configurations in WRF-Chem represented adequately the ozone formation cycles; however, with mismatches and maximum concentrations lower than observations, characteristics related with the estimative of the spatial and temporal distributions of the emissions as well as by the transportation of ozone and its precursors from external regions to MASP. On the other hand, given the characteristics of emission in 2004 and 2011, we found that MASP was under a strong COV-limited regime, principally in 2004. Finally, the scenario considering the emission factor of 2004 valid for 2011 in MASP showed a great impact in tropospheric ozone formation with high concentrations calculated for 2011 considering 1 km grid cell (with the most realistic vehicular activity), as result of a more efficient COV/NOx ratio calculation in terms of ozone formation.

Cyclones distribution and intensities impact directly on human activities, mainly due to their associated intense precipitation and winds. The main aim of this thesis is to understand changes in the cyclones originated in the South Atlantic focusing on their genesis and intensifying mechanisms. Cyclones are identified and tracked based on the relative vorticity field at 850 hPa computed from the winds. The characteristics of the cyclones are obtained by diagnostic variables sampled within a radial distance from each cyclone center and to produce a spatial distribution of the cyclone properties at the time of genesis. Also, cyclone centered composites are used to analyze the cyclone structure and the evolution of cyclones during their genesis. The climatology of cyclones was done using NCEP-CFSR and shows four main cyclogenesis regions in the South Atlantic Ocean: on the Southern Brazilian coast (SE-BR, 30°S), over the continent near the La Plata river discharge region (LA PLATA, 35°S), on the southeastern coast of Argentina (ARG, 40°S-55°S) and on the Southeastern Atlantic (SE-SAO, centered at 55°S and 10°W). To access changes in cyclone development, we used the CMIP5 HadGEM2-ES historical experiment (1980-2005) and RCP8.5 future projection (2074-2099). The HadGEM2-ES can represent the main South Atlantic characteristics of cyclones according to NCEP-CFSR climatology. However, there is an underestimation in cyclone frequency in the equatorward side of the storm track, particularly in the LA PLATA region. The HadGEM2-ES RCP8.5 future projection shows a general decrease of approximately 10% of cyclogenesis in the South Atlantic domain, which is mainly related to the poleward shift of the storm track. However, LA PLATA region presents a slight increase in its cyclogenetic activity (6.1 and 3.6%), in the summer and winter, respectively). The increase in genesis at 30°S over the continent is associated with the strengthening of the upper-level jet and the increase of warm and moisture advections at the same location. The enhance in the moisture transport from the tropics is also related to the intensification of the cyclone in the domain, mainly northward of 35°S. Finally, a downscaling using WRF was performed in an attempt to improve the climate model resolution. However the downscaling produces less and weaker cyclones in the NCEP-CFSR and HadGEM2-ES runs. The only region that presented an improvement was LA PLATA, due to the better representation of local features related to orography and moisture processes. The downscaled HadGEM2-ES RCP8.5 also shows an increase in cyclogenesis in the LA PLATA region and other locations. The HadGEM2-ES RCP8.5 projection and its downscaling shows that the cyclogenesis in some locations of South America is increasing, mainly due to the increase in the low-level moisture content and the strengthening of the equatorward flank of the upper-level jet. The cyclones in this locations will be slightly intense (between 20°S and 30°S) and will affect a narrow area close to the South American coast. / A distribuição e intensidade dos ciclones afeta diretamente as atividades humanas devido a precipitação e fortes ventos associados a esses sistemas. O objetivo principal deste trabalho é entender as mudanças nos ciclones gerados no Atlântico Sul devido às mudanças climáticas, focando em seus mecanismos geradores e intensificadores. Os ciclones foram identificados e rastreados utilizando a vorticidade relativa em 850hPa, calculada a partir do campo de ventos horizontal. Também foram usadas composições centradas para a análise da estrutura e evolução dos ciclones durante seu desenvolvimento. A climatologia de ciclones feita com o NCEP-CFSR mostra quatro regiões ciclogenéticas principais no Oceano Atlântico Sul: na costa sul do Brasil (SE-BR, 30°S), sobre o continente próximo da desembocadura do Rio da Prata (LA PLATA, 35°S), na costa sudeste da Argentina (ARG, 40°S-55°S) e no Sudeste do Atlântico (SE-SAO, centrada em 55°S, 10°W). Para analisar as mudanças no desenvolvimento dos ciclones, nós utilizamos os experimentos histórico (1980-2005) e RCP8.5 (2074-2099) do HadGEM2-ES (CMIP5). O HadGEM2-ES é capaz de reapresentar as principais características dos ciclones do Atlântico Sul, quando comparado à climatologia. No entanto, existe uma subestimativa do número de ciclones no lado equatorial da região de máxima atividade ciclônica, principalmente na região LA PLATA. A projeção futura HadGEM2-ES no cenário RCP8.5 mostra uma redução de aproximadamente 10% na ciclogêneses no domínio do Atlântico Sul, principalmente associada ao deslocamento em direção ao polo da região de máxima atividade ciclônica. Porém, a região LA PLATA apresenta um pequeno aumento em sua atividade ciclogenética (6.1 e 3.6%), no verão e inverno, respectivamente). O aumento na ciclogênese em 30°S está associada ao fortalecimento do jato de altos níveis e ao aumento da advecção quente e de umidade nessa localidade. O aumento do transporte de umidade dos trópicos está associado também à intensificação dos ciclones observada na projeção futura, principalmente ao norte de 35°S. Por fim, uma regionalização com o modelo WRF foi usada para melhorar a resolução do modelo climático. Porém, as simulações regionais subestimaram os ciclones em número e intensidade. A única região que em as regionalizações apresentaram melhor desempenho foi a LA PLATA, devido a uma melhor representação de feições locais associadas a orografia e processos úmidos. A regionalização do cenário futuro RCP8.5 também apresentou aumento da ciclogênese do LA PLATA, mas para o inverno. Tanto a projeção RCP8.5 do HadGEM2-ES quanto sua regionalização mostram que a ciclogênese em algumas regiões da América do Sul está aumentando, principalmente devido ao aumento de umidade em baixos níveis da atmosfera e fortalecimento do lado ramo equatorial do jato de altos níveis. Os ciclones nessas localidades serão intensos (entre 20°S e 30°S) e tendem a afetar uma região mais próxima à costa.