Methane measurements over lake Tämnaren show a pronounced diurnal variation with high values at night and low values during daytime. The atmosphere over the lake and its surroundings is simulated with two different settings and resolutions of the WRF model during a period of eight days in May 2011 to investigate if a lake/land breeze circulation could be the cause of the observed methane variation. A night time land breeze can give rise to convergence over Tämnaren of the natural methane emissions from the lake which possibly could explain the diurnal variation. Analysis show that although Tämnaren is large enough to initiate a fully closed circulation these events are likely going to be rare because of the strong dependence of the background wind speed and cannot therefore be the cause of the pronounced diurnal variation. A fairly moderate wind speed will dominate over the thermodynamical forcing necessary to create a lake breeze. Even so, it is possible that a closed or nearly closed circulation could enhance the diurnal pattern with an increase of methane concentration at night and a decrease during the day. The reason for the high night time methane concentration is more likely due to the accumulation in a shallow internal boundary layer that develops over the lake combined with high night time methane flux caused by waterside convection. / Mätningar av metankoncentrationen över Tämnaren visar en tydlig dygnsvariation med höga värden på natten och låga under dagtid. Atmosfären över sjön med omgivning modelleras med två olika inställningar och upplösningar av WRF modellen under en åttadagarsperiod i Maj 2011 för att undersöka om en sjö- och landbriscirkulation kan vara orsaken till den observerade metanvariationen. På natten kan en landbris ge upphov till konvergens över Tämnaren av de naturliga metanutsläppen vilket skulle kunna vara en möjlig förklaring till dygnsvariationen. Vidare analys visar att Tämnaren är tillräckligt stor för att initiera en sluten cirkulation men dessa händelser är troligtvis sällsynta på grund av det starka inflytandet av bakgrundsvinden och kan därför inte vara orsaken till den uttalade metanvariationen. En relativt måttlig vind kommer dominera över den termodynamiska effekt som är drivande för skapandet av sjö- och landbris. Trots detta är det möjligt att en sluten eller nästan sluten cirkulation kan förstärka metanhaltens dygnsvariation med en ökning på natten och minskning under dagen. Orsaken till den observerade höga metankoncentrationen på natten är troligare en ackumulering i ett grunt internt ytskikt som bildas över Tämnaren kombinerat med höga nattliga metanflöden till följd av konvektion i sjön.

Because of computational advances its evolution in relation to speed and memory capacity in recent years, along with adding the weather, the coupling between atmospheric and hydrological models has been the object of study in several studies in recent decades. The management of large river basins is determined by several variables, with the main system and the volume of river flows. Given volume water in a basin can be affected in different ways and many different factors, as the main factors having the variability in time and space of rainfall that produces immediate changes in the flow of a given system. As the results of large precipitation events directly affect the flow regimes, this work has as main objective the coupling of the hydrological model MGB - HPI with the WRF atmospheric model in an attempt to estimate flow in the basin of the Middle Rio Paraíba,. The rainfall data provided were simulated by WRF model and the observed rainfall and flow observed awarded by the National Water Agency - ANA, for 3 (three) station pluviometric and 4 (four) fluviometric respectively. The flow simulation was carried out hydrological rainfall-runoff model MGBIPH. Analyses were made in two steps: Kriging interpolation in KGM-normal rainfall and observed, and comparison between simulated hydrographs (rain predicted and observed) and observed (gauging stations). In the spatial correlation values were found in the order of 0.54 to 0.92 for normal rainfall and the observed one. The flow simulations with data generated by the WRF, were correlated with Pearson coefficients ranging between 0.46 and 0.56, representative values for this type of meteorological and hydrological study. Pierson coefficients obtained from simulations of flows of the observed data showed best correlations with values between 0.4 and 0.71. The coupling of hydrologic models (rainfall-runoff) and atmospheric models can be considered a useful technique to aid in prognosis prediction of extreme events. There is a perceived need for calibration of the atmospheric model, to become a real and effective tool in developing warning systems for flood basin of the Paraiba do Meio, among others, which will be analyzed later / Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Alagoas / Devido o avanço computacional e sua evolução em relação à velocidade e capacidade de memória nos últimos anos, juntamente com ascendência das previsões meteorológicas, o acoplamento entre modelos atmosféricos e hidrológicos tem sido o objeto de estudo em diversas pesquisas nas ultimas décadas. O gerenciamento de grandes bacias hidrográficas é determinado por inúmeras variáveis, sendo a principal, o regime e volume das vazões dos rios. Como os resultados de grandes eventos de precipitação pluviométrica afetam diretamente nos regimes de vazão, este trabalho tem como o objetivo principal o acoplamento do modelo hidrológico MGB IPH com o modelo Atmosférico WRF na geração de vazão na Bacia do Rio Paraíba do Meio (AL/PE). Os dados de precipitação prevista foram simulados pelo modelo WRF e os de precipitação observada e vazão observada concedidos pela Agencia Nacional de Águas ANA, para 3(três) postos pluviométricos e 4 (quatro) fluviométricos, respectivamente. A simulação de vazão foi realizada no modelo hidrológico precipitação vazão MGB-IPH. As análises foram feitas de duas etapas: interpolação por Krigagem-KGM das precipitações previstas e observadas; comparação entre hidrogramas simulados a partir dos dados de precipitações previstas e observadas. Na correlação espacial foram encontrados valores na ordem de 0,54 para as precipitações previstas e 0,92 para as observadas. As simulações de vazões com dados gerados pelo WRF apresentaram testes significativos, com coeficientes de Pearson variando entre 0,46 a 0,56, valores representativos para este tipo de estudo meteorológico e hidrológico. Os coeficientes de Piaerson obtidos através das simulações das vazões dos dados observados apresentaram correlações melhores com valores entre 0,4 a 0,71. O acoplamento de modelos hidrológicos (precipitação-vazão) e modelos atmosféricos podem ser considerados uma técnica útil no auxilio no prognóstico de vazões elevadas. Há uma necessidade eminente na calibração do modelo atmosférico, para que se torne uma ferramenta eficiente e real na elaboração de sistemas de alertas de cheias para bacia do Paraíba do Meio, dentre outras, que serão analisadas posteriormente

The Weather Research and Forecasting model (WRF) was executed with high resolution and three nested grids of 12 km, 3 km and 1 km in the South Shetland and particularly in Deception Island s bay, during the period from 5 to 23 February 2011 at Operation Antarctica 29. Data were obtained in situ by Polar Ship Almirante Maximiano from Brazilian Navy, with a frequency of 1 h. The measured variables are pressure, temperature, dew point temperature, wind speed and direction. The model lateral and boundary conditions were data from NCEP global model, with a horizontal resolution of 1o and updated every 6 hours. Two domain sizes have been tested for the innermost grid, one with 127 and the other with 187 points in each horizontal direction. Besides, two physical configurations have been tested, with the main differences being snow microphysics and soil thermal diffusion. Pressure was the variable best represented by the model, as it is the most dependent on large scale meteorological patterns having only small dependence on the microscale. The wind direction and speed at 10 meters from the surface were also accurate, except when there were sudden fluctuations in wind speed and direction influenced by the topography, in which case there has been an underestimation of the speed. Thermodynamic variables have been very poorly represented by the small inner domain, but improved appreciably when it was expanded. The simulated temperature has an average daily cycle less intense than observed and the underestimation increases in warmer temperatures, probably caused by snow packets in the border areas. The dew point temperature daily average cycle followed the observations. Some observed and simulated patterns in circulation are briefly discussed. Finally, a simulation for a 13-day period during which there were in situ measurements at the Deception Island are presented, showing a good performance when compared to the observations. / O modelo Weather Research and Forecasting (WRF) foi rodado em alta resolução com três grades aninhadas (nesting) de 12 km, 3 km e 1 km, em Shetland do Sul e particularmente na baía da ilha Deception, durante o período de 5 a 23 de fevereiro de 2011, na Operação Antártica 29. Os dados foram medidos in situ, pelo Navio Polar Almirante Maximiano da Marinha do Brasil, com frequência de observação de 1 hora. As variáveis medidas e simuladas são pressão, temperatura, ponto de orvalho, temperatura da água do mar, velocidade e direção do vento. Para a entrada no modelo foram utilizados os dados provenientes do modelo global do National Center for Environmental Prediction (NCEP) com 1º de resolução horizontal, atualizados a cada 6 horas. Foram testadas duas opções de domínios na grade mais interna, uma com 127 e outra com 187 pontos em cada direção horizontal. Também foram consideradas duas configurações para o WRF, sendo as principais diferenças entre elas as parametrizações de microfísica de neve e difusão térmica do solo. A variável melhor representada foi a pressão na superfície, uma vez que esta depende quase que exclusivamente dos padrões meteorológicos de grande escala, tendo pequena variação na microescala. A direção e velocidade do vento a 10 m da superfície também apresentaram uma acurácia, exceto quando ocorrem flutuações bruscas na direção e velocidade do vento influenciado pela topografia próxima, ocorrendo uma subestimação na velocidade. As variáveis termodinâmicas apresentaram uma representação muito deficiente com o domínio interno menor, mas melhoraram consideravelmente quando este foi expandido. A temperatura simulada apresentou um ciclo médio diário menos intenso que o observado e a subestimativa aumenta nos períodos mais quentes, provavelmente pelos pacotes de neve nas áreas de fronteira. Já a temperatura do ponto de orvalho seguiu o ciclo diário médio das observações apresentando boas concordâncias com os dados observados. Alguns padrões observados e simulados de circulação são discutidos brevemente. Por fim, uma simulação para um período de 13 dias em que haviam medidas realizadas diretamente na Ilha Deception é apresentada, apresentando um bom desempenho.

With the insertion of the numerical models, it became possible to carry out a more reliable and short-term forecast of the time in search of more efficient results besides being necessary to improve the model and to acquire knowledge of its performance. In this work we apply simple statistical methods to compare the performance of the model by comparing the meteorological variables with observed data from an automated weather station (AWS) and data simulated by the WRF model. The analyzed data of these variables were from July 10 to 19, 2017, using statistical and computational tools: atmospheric mesoscale model (WRF), spreadsheets, as well as specific programming languages and scripts for data execution. The (AWS) from which the observed data was extracted is located in Maceió. The WRF simulations were validated through data series and statistical analyzes and it was verified that in the variables there was efficiency of the WRF in the predictions. The results expected with correlation coefficient between average and strong for 24h in most simulated and a mean correlation for 48h and 72h in most of the simulated, it was possible to conclude that the model is adjusted to predict average values and that in some moments that the minimum and maximum results could not be simulated, it is therefore possible to indicate the model as a tool to be used to carry out short-term forecasting provided there is updating of topography and land use for the city of Maceió. In this research it was possible to obtain expected results, but the equipment of measurement and data processing can be improved to obtain even more satisfactory results. / Neste trabalho aplicam-se métodos simples de estatística para comparar o desempenho do modelo realizando o comparativo das variáveis meteorológicas com dados observados de uma estação automática e dados simulados pelo modelo WRF. Com a inserção dos modelos numéricos, se tornou possível realizar previsão do tempo com melhor confiabilidade e um curto prazo em busca de resultados mais eficientes. Os dados analisados dessas variáveis foram do período de 10 a 19 de julho de 2017, utiliza-se estatística e ferramentas computacionais: modelo atmosférico de mesoescala (WRF), planilhas eletrônicas, além de linguagens de programação específicas e scripts para execução dos dados. A estação automática da qual foram extraídos os dados observados está localizada em Maceió. As simulações do WRF foram validadas através de séries de dados e análises estatísticas e ficou comprovado que nas variáveis houve eficiência do WRF nas previsões. Os resultados mostraram-se eficiente com coeficiente de correlação entre média e forte para 24h na maioria dos simulados e uma correlação média para 48h e 72h na maioria dos simulados, foi possível concluir que o modelo está ajustado para prever valores médios e que em alguns momentos que os resultados mínimos e máximos não conseguiram ser simulados, logo é possível indicar o modelo como uma ferramenta a ser utilizada para realizar previsão de curto prazo desde que haja atualização de topografia e uso do solo para o município de Maceió. Nessa pesquisa foi possível obter resultados satisfatórios, porém pode-se aperfeiçoar os equipamentos de medição e processamento de dados para se obter resultados ainda mais satisfatórios.

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 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.

Made available in DSpace on 2014-08-20T14:25:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertacao_vinicius_beck.pdf: 4949761 bytes, checksum: c6f13ff7be7f00316975865c6d3cf811 (MD5) Previous issue date: 2013-05-23 / The procedure to combine mathematical models with noise data, in order to improve numerical weather forecasting by statistical methods, is an important and challenging meteorology research field, known as data assimilation. The 3DVAR approach, state of art in data assimilation technique, is applied in this study. The aim of present development is to evaluate the results of the data assimilation from INMET automatic stations and soundings in Southern Region of Brazil in the weather forecasts of the WRF model with data assimilation via 3DVAR method, analyzing in each processed case, if the forecasting reproduces the synoptic scenario observed, with better prediction then the WRF without data assimilation. The specific aim is to evaluate the assimilation procedure of two precipitation events occurred in the year 2012. This study is especially important, because the INMET automatic weather stations data are not transmitted by GTS. Therefore, these data were not assimilated by prediction systems generated by global models, such as GFS, which provides initial and boundary conditions for regional models, such as WRF. The results show that the WRF with data assimilation procedure, reproduces satisfactorily the true synoptic scenario observed in the two cases evaluated and produces better forecasts then WRF without data assimilation. The thermodynamic analysis showed that the WRF with data assimilation producing vertical profiles of air temperature and dew point temperature very close to the observed profiles, with small improvement in prediction as compared with the WRF without assimilation. Additional experiments indicate that data assimilated from other sources, in addition to the INMET automatic weather stations and soundings stations, as well as the increases of horizontal resolution in the integration of the WRF with inclusion of subset, provide significant improvements in weather forecasting fields. / O procedimento de combinar modelos matemáticos com dados imprecisos e que apresentam ruídos, para melhorar a previsão do tempo por método estatístico, constitui uma importante e desafiadora linha de pesquisa em meteorologia, conhecida como assimilação de dados. O método 3DVAR, que é uma das técnicas que representam o estado da arte em assimilação de dados, é aplicado neste estudo. O objetivo do presente trabalho é avaliar os resultados da assimilação dos dados observados das estações automáticas do INMET e de radiossondagens da Região Sul do Brasil na previsão do modelo WRF com assimilação 3DVAR, analisando em cada caso processado, se os prognósticos reproduzem o cenário sinótico observado e melhoram a previsão do WRF sem assimilação. O objetivo específico é avaliar o procedimento de assimilação em dois eventos de precipitação ocorridos no ano de 2012. O estudo é especialmente importante, visto que os dados das estações automáticas do INMET não são transmitidos no GTS; portanto, não são assimilados pelos sistemas de previsões geradas por modelos globais, como o GFS, que proporcionam as condições iniciais e de contorno de modelos regionais, como o WRF. Os resultados mostram que o WRF com assimilação de dados reproduziu satisfatoriamente o cenário sinótico observado nos dois casos analisados e produziu prognósticos melhores do que os do WRF sem assimilação. As análises termodinâmicas mostraram que o WRF com assimilação de dados produziu perfis verticais de temperatura do ar e temperatura do ponto de orvalho bem próximos dos perfis observados, com pequena melhora na previsão em relação ao WRF sem assimilação. Experimentos adicionais indicam que a assimilação de dados de outras fontes, além das estações automáticas do INMET e radiossondagens, bem como o aumento da resolução espacial na integração do WRF com a inclusão de um subdomínio, resultam em melhora significativa na previsão dos campos meteorológicos.

La météorologie tropicale est un élément majeur pour le fonctionnement de l’atmosphère et pour le climat terrestre. Le satellite Megha-Tropiques regroupe des instruments de télédétection utilisant des algorithmes de restitution complexes. Cette thèse participe à la mise au point de stratégies de validation de ces algorithmes par l’acquisition d’une meilleure connaissance de la phase glacée des systèmes convectifs de méso-échelle (MCS) tropicaux, en s’appuyant sur la campagne de mesures réalisée à Niamey au Niger à l’été 2010. De nombreux MCS à fort contenu en glace (IWC, Ice Water Content) ont été documentés à la fois par une instrumentation aéroportée, et par des radars au sol. Les informations obtenues grâce aux sondes aéroportées, et l’utilisation d’une loi masse-diamètre permettent de calculer une valeur de réflectivité Zin-situ. Le développement d’une méthode de colocalisation des mesures réalisées par les radars sol sur la trajectoire de l’avion a abouti à la validation du calcul de Zin-situ. La relation entre la réflectivité et l’IWC n’a pas été clairement observée pour le radar-précipitation du MIT. De plus, l’IWC est mieux documenté avec un radar-nuage qu’avec un radar-précipitation car ce dernier est trop sensible aux cristaux de grande taille. Les mesures in-situ s’avèrent donc indispensables pour obtenir l’information microphysique utile à la validation des algorithmes de restitution satellites et elles ne peuvent pas être remplacées par des mesures de réflectivités effectuées depuis le sol. L’utilisation du modèle numérique WRF (Weather Research and Forecasting) pourrait également permettre de connaître au mieux les MCS. Pour le cas d’étude analysé dans cette thèse, la modélisation a généré une ligne de grains mais n’a pas reproduit correctement toutes les caractéristiques du MCS réellement observé. Des différences dynamiques et microphysiques sont apparues. L’analyse du champ de réflectivité simulé grâce aux CFAD (Contoured Frequency by Altitude Diagrams) a montré une sous-estimation de la réflectivité par rapport aux observations. L’utilisation du schéma microphysique de Morrison, plus complexe que celui de Thompson initialement employé, n’a pas permis d’améliorer les résultats. Les performances du modèle WRF ne sont pas encore suffisantes pour aider à la validation des algorithmes de restitution satellites. / Tropical meteorology is a major issue for atmospheric physics and earth’s climate. The Megha-Tropiques satellite combines several teledetection instruments which need complex restitution algorithms. This work contributes to the development of validation’s strategies for these algorithms. This requires a better knowledge of the tropical mesoscale convective systems’ (MCS) ice phase. In this thesis, we use data from the Niamey’s (Niger) campaign, which took place during summer 2010. Numerous MCS with high Ice Water Content (IWC) were analyzed with an airborne instrumentation and ground radars. Reflectivity Zin-situ is calculated using airborne microphysic probes’ information and a mass-diameter relationship. A spatial and temporal interpolation technique is developed to colocalize the aircraft position with ground radar measurements. This method leads to the validation of Zin-situ calculation. The relationship between reflectivity and IWC is not satisfactory for the MIT precipitation radar. Moreover, the cloud radar gives better informations about the IWC than the precipitation radar. Indeed, precipitation radars are too sensitive to large ice crystals. Therefore, in-situ measurements are essential to get microphysic information in order to validate restitution algorithms used by satellites. They can’t be replaced by ground based reflectivity measurements. The WRF (Weather Research and Forecasting) model was used in order to get a better knowledge of MCS. In this work, we analyzed one case study. For this case, WRF generates a typical squall line but it doesn’t correctly reproduce every observed characteristics. Several dynamical and microphysical differences appear between simulation and observations. The simulated reflectivity field is analyzed by CFAD (Contoured Frequency by Altitude Diagrams) and it shows a general underestimated reflectivity compared to the observations. The Thompson microphysic scheme is replaced by the more complex Morrison scheme, but this modification doesn’t improve the results of the simulation. Consequently, the WRF model isn’t yet efficient enough to help with the restitution algorithms’ validation.

Ces dernières années, de nombreux efforts ont été entrepris pour mieux comprendre les phénomènes précipitants parfois à l’origine de crues de cours d’eau et d’inondations ravageuses. Courant 2009, un consortium auvergnat a été mis en place pour notamment surveiller et prévoir ces événements. Les travaux menés dans cette thèse visent d’une part à améliorer les estimations quantitatives des précipitations (QPE) et d’autre part à vérifier les prévisions issues de modèles numériques sur de petites zones d’étude telles qu’une agglomération. L’observation des précipitations peut être réalisée à l’aide soit d’un pluviomètre qui fournit une mesure directe et précise de la quantité de pluie tombée au sol mais ne renseigne pas sur la variabilité spatiale des pluies soit d'un RADAR météorologique qui donne une représentation détaillée de la structure spatiale des précipitations mais dont les estimations sont sujettes à diverses erreurs d’autant plus prononcées en régions montagneuses. Le premier défit de cette thèse a été de trouver la meilleure façon de combiner ces deux informations complémentaires. Deux techniques géostatistiques ont été sélectionnées pour obtenir la meilleur QPE : le krigeage avec dérive externe (KED) et la fusion conditionnée (MERG). Les performances de ces deux méthodes ont été comparées au travers de deux domaines d’étude qui présentent des résolutions spatio-temporelles différentes. La seconde partie de cette thèse est consacrée à la mise en place d’une méthodologie fiable permettant de comparer spatialement les champs de QPE alors reconstruits et les prévisions quantitatives des précipitations (QPF). L’effort fut porté sur le modèle « Weather Research et Forcasting » (WRF). Une étude préliminaire a été réalisée pour tester les capacités du modèle et plus particulièrement des schémas de microphysique à reproduire la pluie. Cette étude assure ainsi l’obtention de prévisions réalistes pour une application sur des cas réels. L’appréciation de la qualité des QPF s’est focalisée sur la quantification spatiale des erreurs de prévision en termes de structure, d’intensité et de localisation des systèmes précipitants (SAL : Wernli et al. 2008, 2009). / In the last decades, many efforts were made to better understand the origins of rain that sometimes lead to rivers runoff or devastating floods. In 2009, a consortium took place in Auvergne in order to observe and predict these events. These works were focused on the improvement of quantitative precipitation estimations (QPE) and the verification of numerical weather models over small areas such as urban environment. Rainfall measurement could be operated either by rain gauges which provides direct and precise rainfall estimations but unfortunately cannot capture the spatial variability or by using weather RADAR which provides a detailed spatial representation of precipitation but estimates are derived indirectly and are subject to a combination of errors which are most pronounced over complex terrain. The main issue of these works was to find the best way to combine both observational systems which are complementary as well. In order to obtain the more truthful fields of QPE, two geostatistical techniques were selected: the kriging with external drift (KED) and the conditional merging (MERG). The performances of these two methods have been experienced on two catchments with different spatial and temporal resolutions. The second part of these works is focused on a reliable method for QPE comparison and quantitative precipitation forecast (QPF). The main effort was focused on the “Weather Research and Forecasting” (WRF) model. A preliminary study was made to check the performances of the microphysics schemes of the model to ensure realistic forecasts for an application on real cases. The spatial verification of the model set up contains three distinct components that consider aspects of the structure, amplitude and location of the precipitation field (SAL : Wernli et al. 2008, 2009).