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.

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.

Eventos de brisa marítima (BM) são comuns na Região Metropolitana de São Paulo (RMSP). No verão, em particular, estão associados com tempestades, chuvas, rajadas de vento, granizo e descargas atmosféricas intensas na RMSP. Utilizou-se o método de OLIVEIRA e SILVA DIAS (1982) para identificar os eventos de BM. Todos os eventos de BM entre 2005 e 2008 foram analisados por meio de medições de superfície, altitude, radares meteorológicos, satélite e modelagem numérica da atmosfera. Em geral, a penetração da frente de BM na RMSP ocorre entre o meio e o fim da tarde com aumento da temperatura do ponto de orvalho. Ainda, o ambiente urbano mais aquecido tende a intensificar as tempestades que podem produzir enchentes, alagamentos, queda de árvores, entre outros impactos socioeconômicos muito significativos. A partição anual pluviométrica devido a BM foi estimado com o radar meteorológico de São Paulo. Os resultados indicam um núcleo de máxima precipitação acumulada com pico de 600 mm sobre a RMSP, muito maior que no entorno dessa. A modelagem com o ARPS permitiu simular condições médias espaciais em baixos, médios e altos níveis de diversas variáveis dos eventos analisados. As simulações de controle e específicas com ARPS sugerem um impacto significativo da cobertura do solo na distribuição espacial da precipitação. As análises foram complementadas com medições do radar meteorológico MXPOL e demonstram a importância desse tipo de sensoriamento remoto na detecção e previsão a curtíssimo prazo da penetração de BM, com alta resolução espaço-temporal. / Sea breeze events (SB) are common in Metropolitan area at São Paulo (MASP). Particularly, in the summer, SB triggers over MASP deep convection, heavy rainfall, wind gusts, hail and lightning. OLIVEIRA and SILVA DIAS (1982) method was used to identify the SB events. SB events between 2005 and 2008 were analysed by means of surface and upper air measurements, weather radar, satellite and numerical modelling. In general, the SB front penetrates in MASP between midafternoon and evening increasing dew point. Moreover, the warmer urban environment tends to intensify storms that produce flooding, falling trees, among other large socioeconomic impacts. The annual rainfall partition due to SB was estimated using the São Paulo weather radar. The results indicate a core of maximum rainfall accumulation of 600 mm over MASP, much larger than that in the vicinity. The modelling with ARPS allowed simulate conditions spatial average in low, medium and upper levels of several variables of the analysed events. Moreover, the ARPS system was used to simulate SB with control and specific runs. Results suggest significant impact of surface cover on rainfall distribution. MXPOL weather radar measurements of SB were important in detecting and nowcasting SB inflow at very high spatial and temporal resolution.

Tempestades severas ocorrem na Região Metropolitana de São Paulo (RMSP) principalmente nos meses quentes e úmidos do ano. Nesta tese, os mecanismos de disparo da convecção profunda são estudados por meio de análises observacionais e simulações numéricas com o Advanced Regional Prediction System (ARPS). A metodologia proposta compreende o uso da parametrização microfísica fria na simulação dos processos físicos que levam à formação de nuvens cumulonimbus, sem o uso da parametrização de cúmulos nas grades de altíssima resolução espacial. Nos eventos estudados, as primeiras células de precipitação observadas e simuladas surgiram em razão da interação entre o escoamento atmosférico na camada limite planetária e a topografia local. As células secundárias foram geralmente mais intensas, uma vez que elas surgiram após o aquecimento diabático adicional. O mecanismo de disparo das células secundárias foi a corrente ascendente induzida pela propagação horizontal das frentes de rajada em baixos níveis da atmosfera das correntes descendentes das células primárias. As frentes de rajada tiveram velocidade de propagação horizontal típica de 6 m s-1. No evento de 02 de fevereiro de 2004, células convectivas profundas foram simuladas com alto grau de realismo no domínio da grade de 3 km de resolução espacial. Observou-se que, neste caso, a frente de brisa marítima pôde atuar como guia de ondas para a colisão entre duas frentes de rajada. A propagação da frente de brisa marítima para o interior do continente ocorreu em conjunção a um forte gradiente de vapor dágua nos níveis mais baixos da troposfera. As células convectivas profundas secundárias surgiram e se desenvolveram exatamente nesta zona de interface, a qual representa o contraste entre as diferentes massas de ar marítima e continental. No evento de 04 de fevereiro de 2004, na grade de 1 km de resolução, a análise objetiva com as medidas das estações de superfície na RMSP correspondente às 1800 UTC indicou a presença de uma ilha de calor urbana com até 4 oC de aquecimento diferencial entre a Capital e vizinhanças. O principal efeito da assimilação destas medidas foi a redução do NCL em até 80 hPa, o que favoreceu o disparo da convecção naquela área. / Severe thunderstorms occur in the Metropolitan Area of São Paulo (MASP) mainly in the warm and wet months of the year. In this work, the triggering mechanisms of deep convection are studied through observed data and numerical simulations with the Advanced Regional Prediction System (ARPS). The proposed methodology focuses in the use of microphysics parameterization of cold clouds to simulate physical process linked to the life cycle of thunderstorms. The cumulus cloud parameterization isnt used in high resolution numerical grids. In the real case studies, both observed and simulated, early convective cells developed as a consequence of the interaction between the planetary boundary layer atmospheric flow and the local topography. The secondary convective cells were generally strongest, once they developed after additional surface diabatic heating. The triggering mechanism of these secondary cells was the updraft induced by gust fronts generated by downdrafts of primary cells. The gust fronts had a typical horizontal propagation velocity of 6 m s-1. In the February 02 2004 event, deep convective cells were simulated with high degree of realism with a 3 km resolution grid. It was observed that, in this case, the sea-breeze front could act as a wave guide to the collision between two different gust fronts. In addition, the sea breeze front propagated to the continental area together with a strong low level water vapor gradient. The secondary deep convective cells arose and developed exactly on this interface zone, which represents the contrast between the oceanic and continental air masses. The interface zone was marked by a water vapor mixing rate of 14 g kg-1. In the February 04 2004 event, the objective analysis, made with some MASP´s surface stations measurements at 1800 UTC in the 1 km resolution grid, indicates the presence of an urban heat island with up to 4 oC of differential heating between São Paulo city and its neighboring area. The main effect in assimilating these surface measurements was the lowering of the lift condensation level up to 80 hPa, which favored the triggering of convection in that area.

Tempestades severas ocorrem na Região Metropolitana de São Paulo (RMSP) principalmente nos meses quentes e úmidos do ano. Nesta tese, os mecanismos de disparo da convecção profunda são estudados por meio de análises observacionais e simulações numéricas com o Advanced Regional Prediction System (ARPS). A metodologia proposta compreende o uso da parametrização microfísica fria na simulação dos processos físicos que levam à formação de nuvens cumulonimbus, sem o uso da parametrização de cúmulos nas grades de altíssima resolução espacial. Nos eventos estudados, as primeiras células de precipitação observadas e simuladas surgiram em razão da interação entre o escoamento atmosférico na camada limite planetária e a topografia local. As células secundárias foram geralmente mais intensas, uma vez que elas surgiram após o aquecimento diabático adicional. O mecanismo de disparo das células secundárias foi a corrente ascendente induzida pela propagação horizontal das frentes de rajada em baixos níveis da atmosfera das correntes descendentes das células primárias. As frentes de rajada tiveram velocidade de propagação horizontal típica de 6 m s-1. No evento de 02 de fevereiro de 2004, células convectivas profundas foram simuladas com alto grau de realismo no domínio da grade de 3 km de resolução espacial. Observou-se que, neste caso, a frente de brisa marítima pôde atuar como guia de ondas para a colisão entre duas frentes de rajada. A propagação da frente de brisa marítima para o interior do continente ocorreu em conjunção a um forte gradiente de vapor dágua nos níveis mais baixos da troposfera. As células convectivas profundas secundárias surgiram e se desenvolveram exatamente nesta zona de interface, a qual representa o contraste entre as diferentes massas de ar marítima e continental. No evento de 04 de fevereiro de 2004, na grade de 1 km de resolução, a análise objetiva com as medidas das estações de superfície na RMSP correspondente às 1800 UTC indicou a presença de uma ilha de calor urbana com até 4 oC de aquecimento diferencial entre a Capital e vizinhanças. O principal efeito da assimilação destas medidas foi a redução do NCL em até 80 hPa, o que favoreceu o disparo da convecção naquela área. / Severe thunderstorms occur in the Metropolitan Area of São Paulo (MASP) mainly in the warm and wet months of the year. In this work, the triggering mechanisms of deep convection are studied through observed data and numerical simulations with the Advanced Regional Prediction System (ARPS). The proposed methodology focuses in the use of microphysics parameterization of cold clouds to simulate physical process linked to the life cycle of thunderstorms. The cumulus cloud parameterization isnt used in high resolution numerical grids. In the real case studies, both observed and simulated, early convective cells developed as a consequence of the interaction between the planetary boundary layer atmospheric flow and the local topography. The secondary convective cells were generally strongest, once they developed after additional surface diabatic heating. The triggering mechanism of these secondary cells was the updraft induced by gust fronts generated by downdrafts of primary cells. The gust fronts had a typical horizontal propagation velocity of 6 m s-1. In the February 02 2004 event, deep convective cells were simulated with high degree of realism with a 3 km resolution grid. It was observed that, in this case, the sea-breeze front could act as a wave guide to the collision between two different gust fronts. In addition, the sea breeze front propagated to the continental area together with a strong low level water vapor gradient. The secondary deep convective cells arose and developed exactly on this interface zone, which represents the contrast between the oceanic and continental air masses. The interface zone was marked by a water vapor mixing rate of 14 g kg-1. In the February 04 2004 event, the objective analysis, made with some MASP´s surface stations measurements at 1800 UTC in the 1 km resolution grid, indicates the presence of an urban heat island with up to 4 oC of differential heating between São Paulo city and its neighboring area. The main effect in assimilating these surface measurements was the lowering of the lift condensation level up to 80 hPa, which favored the triggering of convection in that area.

El fenomen atmosf��ric de les brises marines adopta a l���illa de Mallorca caracter��stiques protot��piques, i la seva efectivitat permet una f��cil constataci�� com�� i la subseq��ent verificaci�� cient��fica. Operant simult��niament des de les diferents costes, les brises adquireixen un car��cter unitari i centr��pet que ocasiona converg��ncies d���aire a ��rees de l���interior, a on la precipitaci�� estival tendeix a focalitzar-se. L���espai agrari de Mallorca s���ha conformat hist��ricament amb el massiu desplegament territorial d���infrastructures de base cereal��stica, fonamentalment eres de batre. El principal factor de la seva localitzaci�� ��s la disponibilitat de vent, tot constituint unitats de significaci�� e��lica susceptibles d���interpretar-se en clau clim��tica. La seva georeferenciaci�� per fotointerpretaci�� de l���ortofotografia de l���any 1956 s���ha tradu��t en un mapa sint��tic d���eres, m��s una metodologia in��dita per a determinar indirectament les direccions del vent a cada empla��ament. El model ���anemogr��fic��� resultant s���ajusta amb relativa bondat amb les simulacions del sistema de brises precedents. / El fen��meno atmosf��rico de las brisas marinas adopta en la isla de Mallorca caracter��sticas protot��picas, y su efectividad permite una f��cil constataci��n com��n y la subsiguiente verificaci��n cient��fica. Operando simultaneamente desde las diferentes costas, las brisas adquieren un car��cter centr��peto que ocasiona convergencias de aire en ��reas del interior, donde la precipitaci��n estival tiende a focalizarse. El espacio agrario de Mallorca se ha conformado hist��ricamente con el masivo despliegue territorial de infraestructuras de base cereal��stica, fundamentalmente eras de trillar. El principal factor de su localizaci��n es la disponibilidad de viento, constituyendo unidades de significaci��n e��lica susceptibles de interpretarse en clave clim��tica. Su georeferenciaci��n por fotointerpretaci��n de la ortofotografia del a��o 1956 se traduce en un mapa sint��tico de eras, m��s una metodolog��a in��dita para determinar indirectamente las direcciones del viento en cada emplazamiento. El modelo ���anemogr��fico��� resultante se ajusta con relativa bondad con las simulaciones del sistema de brisas precedentes. / In Mallorca, sea breeze presents prototypical characteristics. It is so consistent that its effectiveness allows for easy common as well as scientifc verification. Daytime breezes operate simultaneously from different coasts, and penetrate inland. Its centripetal nature causes wind convergences in certain inland areas, where summer rainfall tend to focus. The agricultural area has historically made with massive territorial deployment of cereal production infrastructure, mainly threshing floors, the main factor of its location being the quantity of the wind resources available. These are small circular spaces that can be interpreted in relation to climate. A synthetic chart of threshing floors and a methodology designed to indirectly determine the dominant wind directions at each site have been developed, based on their geo-referencing by photo-interpretation of the ortho-photographs of 1956. The resulting ���anemographic��� model fits nicely with the main features of the sea breezes identifed by the theoretical-experimental and numerical simulations already tested.

Submitted by Maria Medeiros (maria.dilva1@ufcg.edu.br) on 2018-08-14T10:58:52Z No. of bitstreams: 1 EWERTON CLEUDSON DE SOUSA MELO - TESE (PPGMet) 2016.pdf: 4714414 bytes, checksum: 399def91bcd71b3e8a00a6b001dcfd4b (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-14T10:58:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 EWERTON CLEUDSON DE SOUSA MELO - TESE (PPGMet) 2016.pdf: 4714414 bytes, checksum: 399def91bcd71b3e8a00a6b001dcfd4b (MD5) Previous issue date: 2011-06-30 / CNPq / Neste trabalho a versão 6.0 do modelo numérico RAMS (Regional Atmospheric Modeling System) é usada com o objetivo principal de simular a influência da expansão agrícola nas trocas de água e energia em áreas de Caatinga, e quantificar os efeitos das mudanças na cobertura e uso da terra na geração de circulações termicamente induzidas e na atividade convectiva. Os cenários de uso da terra investigados neste estudo foram construídos para representar condições ambientais nativas (sem influências antrópicas), e com alterações decorrentes da construção da represa de Sobradinho, e da expansão de atividades agrícolas e irrigação em região de clima semiárido. O ambiente atmosférico de grande escala é caracterizado pela estrutura dinâmica e termodinâmica típica da área central de um vórtice ciclônico de altos níveis (VCAN). A escolha do período de estudo teve como objetivo garantir condições ambientais com ampla diversidade agrícola em áreas de Caatinga (culturas de sequeiro e agricultura irrigada), e pouca nebulosidade. A evolução temporal da precipitação convectiva acumulada nas simulações da expansão agrícola mostra diferenças marcantes nos efeitos da agricultura de sequeiro e vegetação irrigada. O aumento na taxa da evapotranspiração nas áreas irrigadas eleva consideravelmente o teor de umidade nos baixos níveis da troposfera, reduz a temperatura do ar e diminui a precipitação convectiva. A descontinuidade na umidade e tipo de cobertura vegetal modifica a intensidade e distribuição dos fluxos turbulentos que são importantes na formação dos gradientes de pressão que geram circulações de brisa (brisa lacustre e de vegetação), de forma que o domínio nos transportes verticais de calor e água passa a ser da mesoescala. Verificou-se que as principais forçantes locais na determinação da distribuição espacial dos fluxos turbulentos e da chuva convectiva foram a topografia e a descontinuidade no teor de umidade do solo. Com relação a estabilidade atmosférica percebeu-se a existência de uma relação quase linear entre a Energia Potencial Convectiva Disponível (CAPE) e a temperatura potencial equivalente. / In this work the version 6.0 of the numerical model RAMS (Regional Atmospheric Modeling System) is used with the main objective of simulating the influence of agricultural expansion on the water and energy exchange in Caatinga vegetation areas, and to quantify the effects that changes on soil use and coverage have on the generation of thermally induced circulations and convective activity. The scenarios of soil use investigated are designed to represent native environmental conditions (without anthropogenic influences) and with alterations due to the implementation of the Sobradinho reservoir, and the expansion of agricultural activities and irrigation in a semiarid climate area. The large scale atmospheric ambient is characterized by the dynamic and thermodynamic structure typical of the central area of an upper level cyclonic vortex. The period of study was chosen aiming at environmental conditions with largely diversified agricultural use in Caatinga vegetation areas (agriculture with and without irrigation), and almost cloudless skies. The temporal evolution of the accumulated convective precipitation in the numerical simulations of the agricultural expansion shows large differences in the effects of agriculture with and without irrigation. The irrigated areas higher evapotranspiration rate causes a substantial increase in the moisture content in the lower troposphere, and lower the air temperature and convective precipitation.