A equação de difusão-advecção é muito utilizada no campo de estudos da poluição atmosférica na determinação da concentração de poluentes. Uma maneira de solucionar o problema de fechamento desta equação está baseada na hipótese de transporte por gradiente que, em analogia com a difusão molecular, assume que o fluxo turbulento de concentração é proporcional à magnitude do gradiente de concentração média. Neste trabalho, diferentemente do modo tradicional, utiliza-se uma equação genérica para a difusão turbulenta considerando-se que o fluxo mais a sua derivada são proporcionais ao gradiente médio. Desta forma, obtém-se uma equação que leva em conta a assimetria no processo de dispersão de poluentes atmosféricos. Portanto, a proposta do presente trabalho é a obtenção da solução analítica desta nova equação utilizando-se a técnica da Transformada de Laplace, considerando-se a Camada Limite Planetária (CLP) como um sistema multicamadas. Os parâmetros que encerram a turbulência sâo derivados da teoria de difusão estatística de Taylor combinada com a teoria de similaridade convectiva válidos para grandes tempos de difusão. Finalmente, na avaliação da performance deste modelo que considera a assimetria no processo de dispersão de poluentes atmosféricos, utilizam-se os dados experimentais de Copenhagen e Prairie Grass.

A equação de difusão-advecção é muito utilizada no campo de estudos da poluição atmosférica na determinação da concentração de poluentes. Uma maneira de solucionar o problema de fechamento desta equação está baseada na hipótese de transporte por gradiente que, em analogia com a difusão molecular, assume que o fluxo turbulento de concentração é proporcional à magnitude do gradiente de concentração média. Neste trabalho, diferentemente do modo tradicional, utiliza-se uma equação genérica para a difusão turbulenta considerando-se que o fluxo mais a sua derivada são proporcionais ao gradiente médio. Desta forma, obtém-se uma equação que leva em conta a assimetria no processo de dispersão de poluentes atmosféricos. Portanto, a proposta do presente trabalho é a obtenção da solução analítica desta nova equação utilizando-se a técnica da Transformada de Laplace, considerando-se a Camada Limite Planetária (CLP) como um sistema multicamadas. Os parâmetros que encerram a turbulência sâo derivados da teoria de difusão estatística de Taylor combinada com a teoria de similaridade convectiva válidos para grandes tempos de difusão. Finalmente, na avaliação da performance deste modelo que considera a assimetria no processo de dispersão de poluentes atmosféricos, utilizam-se os dados experimentais de Copenhagen e Prairie Grass.

A equação de difusão-advecção é muito utilizada no campo de estudos da poluição atmosférica na determinação da concentração de poluentes. Uma maneira de solucionar o problema de fechamento desta equação está baseada na hipótese de transporte por gradiente que, em analogia com a difusão molecular, assume que o fluxo turbulento de concentração é proporcional à magnitude do gradiente de concentração média. Neste trabalho, diferentemente do modo tradicional, utiliza-se uma equação genérica para a difusão turbulenta considerando-se que o fluxo mais a sua derivada são proporcionais ao gradiente médio. Desta forma, obtém-se uma equação que leva em conta a assimetria no processo de dispersão de poluentes atmosféricos. Portanto, a proposta do presente trabalho é a obtenção da solução analítica desta nova equação utilizando-se a técnica da Transformada de Laplace, considerando-se a Camada Limite Planetária (CLP) como um sistema multicamadas. Os parâmetros que encerram a turbulência sâo derivados da teoria de difusão estatística de Taylor combinada com a teoria de similaridade convectiva válidos para grandes tempos de difusão. Finalmente, na avaliação da performance deste modelo que considera a assimetria no processo de dispersão de poluentes atmosféricos, utilizam-se os dados experimentais de Copenhagen e Prairie Grass.

Neste trabalho apresenta-se uma solução analítica para a dispersão vertical turbulenta em uma Camada Limite Convectiva e em uma Camada Limite Estável. A equação analisada considera a difusão com velocidades finitas, o que representa o transporte turbulento fisicamente correto. Considerando o caráter não-local, adicionam-se na equação que representa uma fonte área instantânea, termos como: o tempo de relaxação, a assimetria, a escala de tempo Lagrangeana e a velocidade turbulenta vertical. A solução é obtida utilizando-se a técnica da Transformada de Laplace. Os parâmetros que encerram a turbulência são derivados da teoria de difusão estatística de Taylor combinada com a teoria de similaridade. Foram utilizados coeficientes de difusão especáficos para cada uma das camadas. A transformada inversa é obtida através do esquema numérico de quadratura Gaussiana. São apresentadas várias simulações para diferentes alturas de fonte área e obtém-se o valor da concentração para alturas próximas ao solo e próximas ao topo da Camada Limite Planetária. A inserção do termo de contra-gradiente na equação resultou em uma pequena influência na concentração de poluentes, observada de forma mais expressiva na Camada Limite Convectiva.

O desenvolvimento de um modelo espectral para o decaimento da Camada Limite Convectiva é apresentado neste trabalho. A equação dinâmica para a densidade espectral de energia cinética é determinada a partir das equações de Navier-Stokes, nas quais o termo de produção de energia por efeito mecânico não será considerado. O termo de transferência inercial de energia é parametrizado a partir de um modelo sugerido por Pao. Para calcular o espectro inicial tridimensional da Camada Limite Convectiva foi usado uma formulação proposta por Kristensen, a qual permite calcular o espectro 3-D de um fluxo turbulento homogêneo mas não isotrópico conhecendo-se as suas componentes unidimensionais. Para calcular as componentes unidimencionais do espectro e do coeficiente de difusão durante o decaimento foi empregado um método matemático que considera uma função peso. Esta função peso informa como cada componente unidimensional participa na formação da função densidade espectral de energia. Finalmente, a componente vertical do coeficiante de difusão calculada a partir do modelo teórico foi comparada com dados de LES ( large eddy simulation) durante o decaimento da Camada Limite Convectiva. / The development of a spectral model for a decaying Convective Boundary Layer is considered in this work. The dynamical equation for the energy density spectrum function is obtained from r· avier-Stokes equation, in which shear and buoyancy terms were disregarded and turbulence was assumed to be homogeneous and non isotropic. The inertial energy transfer term is parametrized using a model suggested by Pao. To calculate this initial 3-D spectrum the mathematical formulation proposed by Kristensen was used, which allo,ved us to determine the 3-D spectrum of the homogeneous and non isotropic turbulent flow from a known one-dimensional (1-D) spectrum. To calculate the decaying one-dimensional spectrum and eddy diffusivity, a mathematical method using a weight function was utilized. This weight function gives information about how this one-dimensional component take part in the formation of the 3-D equation for the spectral density. Finally, the decaying vertical eddy diffusivity derived from the present theoretical model has been compareci with the generated from LES (large eddy simulation) data for a decaying Convective Boundary Layer.

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Nadir Salvador.texto completo.pdf: 9055699 bytes, checksum: f8b01cd30306d2152bf6dfae956b31c6 (MD5) Previous issue date: 2014 / O principal objetivo deste trabalho foi identificar e caracterizar a evolução diária da Camada Limite Atmosférica (CLA) na Região da Grande Vitória (RGV), Estado do Espírito Santo, Brasil e na Região de Dunkerque (RD), Departamento Nord Pas-de-Calais, França, avaliando a acurácia de parametrizações usadas no modelo meteorológico Weather Research and Forecasting (WRF) em detectar a formação e atributos da Camada Limite Interna (CLI) que é formada pelas brisas marítimas. A RGV tem relevo complexo, em uma região costeira de topografia acidentada e uma cadeia de montanhas paralela à costa. A RD tem relevo simples, em uma região costeira com pequenas ondulações que não chegam a ultrapassar 150 metros, ao longo do domínio de estudos. Para avaliar os resultados dos prognósticos feitos pelo modelo, foram utilizados os resultados de duas campanhas: uma realizada na cidade de Dunkerque, no norte da França, em Julho de 2009, utilizando um sistema light detection and ranging (LIDAR), um sonic detection and ranging (SODAR) e dados de uma estação meteorológica de superfície (EMS); outra realizada na cidade de Vitória – Espírito Santo, no mês de julho de 2012, também usando um LIDAR, um SODAR e dados de uma EMS. Foram realizadas simulações usando três esquemas de parametrizações para a CLA, dois de fechamento não local, Yonsei University (YSU) e Asymmetric Convective Model 2 (ACM2) e um de fechamento local, Mellor Yamada Janjic (MYJ) e dois esquemas de camada superficial do solo (CLS), Rapid Update Cycle (RUC) e Noah. Tanto para a RGV quanto para a RD, foram feitas simulações com as seis possíveis combinações das três parametrizações de CLA e as duas de CLS, para os períodos em que foram feitas as campanhas, usando quatro domínios aninhados, sendo os três maiores quadrados com dimensões laterais de 1863 km, 891 km e 297 km, grades de 27 km, 9 km e 3 km, respectivamente, e o domínio de estudo, com dimensões de 81 km na direção Norte-Sul e 63 km na Leste-Oeste, grade de 1 km, com 55 níveis verticais, até um máximo de, aproximadamente, 13.400 m, mais concentrados próximos ao solo. Os resultados deste trabalho mostraram que: a) dependendo da configuração adotada, o esforço computacional pode aumentar demasiadamente, sem que ocorra um grande aumento na acurácia dos resultados; b) para a RD, a simulação usando o conjunto de parametrizações MYJ para a CLA com a parametrização Noah produziu a melhor estimativa captando os fenômenos da CLI. As simulações usando as parametrizações ACM2 e YSU inferiram a entrada da brisa com atraso de até três horas; c) para a RGV, a simulação que usou as parametrizações YSU para a CLA em conjunto com a parametrização Noah para CLS foi a que conseguiu fazer melhores inferências sobre a CLI. Esses resultados sugerem a necessidade de avaliações prévias do esforço computacional necessário para determinadas configurações, e sobre a acurácia de conjuntos de parametrizações específicos para cada região pesquisada. As diferenças estão associadas com a capacidade das diferentes parametrizações em captar as informações superficiais provenientes das informações globais, essenciais para determinar a intensidade de mistura turbulenta vertical e temperatura superficial do solo, sugerindo que uma melhor representação do uso de solo é fundamental para melhorar as estimativas sobre a CLI e demais parâmetros usados por modelos de dispersão de poluentes atmosféricos. / L'objectif principal de ce travail était d'identifier et de caractériser l'évolution quotidienne de la couche limite atmosphérique (CLA) dans la région de Grande Vitória (RGV), état de Espírito Santo, au Brésil et dans la région de Dunkerque (RD), département du Nord Pas-de-Calais, France, en évaluant les paramétrages utilisés par le modèle météorologique Weather Research and Forecasting (WRF) pour détecter la formation et les attributs de la couche limite interne (CLI) qui est formé par les brises marines. La RGV a un relief complexe dans une région côtière de topographie accidentée et une chaîne de montagnes parallèle à la côte. La RD a un relief simple dans une région côtière avec de petites ondulations qui ne dépassent pas 150 mètres tout au long du domaine d'études. Pour évaluer les résultats des prédictions faites par le modèle, les résultats de deux campagnes ont été utilisés; l'une a eu lieu dans la ville de Dunkerque, au nord de la France, en Juillet 2009, en utilisant un système light detection and ranging (LIDAR), un sonic detection and ranging (SODAR) bien que les données d'une station météo de surface (EMS); l'autre a eu lieu à Vitória - Espírito Santo, en Juillet 2012, en utilisant également un LIDAR, un SODAR et des données d'une EMS. Des simulations ont été effectuées en utilisant trois schémas de paramétrages pour CLA, deux de fermeture non locale, Yonsei University (YSU) et Asymmetric Convective Model 2 (ACM2); bien qu'un schéma de fermeture locale, Mellor Yamada Janjic (MYJ) et deux schémas de couche superficielle du sol (CLS), Rapid Update Cycle (RUC) et Noah. Pour la RGV et pour RD, les simulations avec les six combinaisons possibles des trois paramétrages de CLA et les deux de la couche surface del sol ont été faites pour les périodes au cours desquelles les campagnes ont été effectuées à l'aide de quatre domaines imbriqués, avec les trois plus grands carrés de dimensions latérales de 1863 km, 891 km et 297 km, des grilles de 27 km, 9 km et 3 km, respectivement, et le domaine d'étude, avec des dimensions de 81 km dans le sens Nord-Sud et 63 km dans le sens Sud-Ouest, une grille de 1 km, avec 55 niveaux verticaux jusqu'à un maximum de 13.400 m, plus concentrés près du sol. Les résultats ont montré que: a) en fonction de la configuration adoptée, l'effort computationnel peut augmenter en excès, sans une forte augmentation de la précision des résultats; b) pour la RD, la simulation en utilisant l'ensemble des paramétrages MYJ pour CLA avec le paramétrage Noah a produit la meilleure estimation en detéctant les phénomènes de CLI. Les simulations à l'aide de paramétrages ACM2 et YSU ont inféré l'entrée dela brise en jusqu’à 3 heures de retard ; c) pour la RGV, la simulation qui a utilisé les paramétrages YSU pour CLA avec le paramétrage Noah pour CLS, a fait les meilleures inférences sur la CLI. Ces résultats suggèrent la nécessité de faire des évaluations préalables à propos de l'effort computationnel nécessaire pour certains paramètres et précision des ensembles de paramétrages spécifiques pour chaque région recherchée. Les différences sont associées à la capacité des différents paramétrages pour capturer des informations superficielles d'informations globales, essentielles pour déterminer l'intensité du mélange turbulence verticale et température superficiellle du sol, ce qui suggère qu'une meilleure représentation de l'usage du sol est cruciale pour améliorer les estimations CLI et d'autres paramètres nécessaires tels que l'entrée dans des modèles de dispersion de polluants atmosphériques. / The main objective of this work was to identify and characterize the daily evolution of the Atmospheric Boundary Layer in the Great Region of Vitória (RGV), state of Espírito Santo, Brazil, and the Region of Dunkerque (RD), department of Nord Pas-de-Calais, France, evaluating the accuracy of parameterizations used in Weather Research and Forecasting (WRF) model to detect the formation and attributes of Thermal Internal Boundary Layer (CLI) formed by sea breezes. The RGV has complex relief in a coastal region of rugged topography and a chain of mountains parallel to the coast. The RD has a simple relief in a coastal region with small peaks not higher than 150 meters, all along the domain of study. To evaluate the results of the predictions made by the model, the results of two campaigns were used: one held in Dunkerque-FR, in July 2009, using a light detection and ranging (LIDAR) system, sonic detection and ranging (SODAR) and a surface meteorological station (EMS) data; another one held in Vitória-BR, in July 2012, also using a LIDAR, SODAR and EMS data. The simulations were performed using three PBL parameterizations schemes, two nonlocal closure, Yonsei University (YSU) and Asymmetric Convective Model 2 (ACM2), and a local closure, Mellor Yamada Janjic (MYJ) and two land surface schemes (CLS), Rapid Update Cycle (RUC) and Noah. As per the RGV as for RD, simulations with the six possible combinations were made for the periods in which the campaigns were made, using four nested domains, with the three largest square with 1863 km, 891 km and 297 km of side dimensions, grids 27 km, 9 km and 3 km, respectively, and the study domain, with dimensions 81 km in North-South direction and 63 km in the East-West grid 1 km, with 55 vertical levels up to approximately 13,400 m, more concentrated near the ground. The results of this study showed that: a) depending on the configuration adopted, the computational effort may increase too, though without a large increase in the accuracy of the results; b) for the RD, the simulation using the MYJ and Noah parameterizations produced the best estimation for CLI. Simulations using the ACM2 and YSU parameterizations, inferred the sea breeze entry with a maximum delay of three hours; c) for the RGV, the simulation that used the YSU and Noah parameterization made the best inferences about the CLI. The results show that it is necessary to evaluate in advance the computational effort required for certain settings and the accuracy of specific sets of parameterizations for each region. The differences are associated with the ability of different parameterizations capturing surface data from global, essential information for determining the intensity of vertical turbulent mixing and surface soil temperature, suggesting that a better representation of land use is crucial to improve estimations of the CLI and other parameters as input in models of dispersion of air pollutants.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In this work the competition among spin glass(SG), antiferromagnetism (AF) and BCS pairs formation (PAIR) in real space is investigated. The model consists of an Ising spin glass term and a local BCS term that favors double site occupation. This model is composed by two sublattices, but only spins in diferent sublattices can interact. The Ising coupling is a random variable Jij that follows a gaussian probability distribution with average - J0=N and variance J²=N. The problem is formulated in terms of functional integral formalism, where the spin operators are written as bilinear combination of Grassmann felds. Using the replica method and the static approach for the spin-spin correlation functions, we obtain the grandcanonical potential. The results are presented in phase diagrams which show T=J versus g=J for several values of J0=J (where T is the temperature and g is the pairing strength interaction). The order parameters solution indicate the PAIR phase (double ocupation of sites) when g=J is sufciently high. As the value of g=J decreases, the problem presents antiferromagnetic or spin glass solution, that dependis on the ratio J0=J. For high temperatures and any value of J0, we obtain paramagnetic solution. For values of J0 ≤ 1:5J, the SG solution appears at temperature Tf = 0:96J. In the range 1:5J < J0 ≤ 1:7J, the AF phase appears between the paramagnetic and spin glass solutions. The spin glass solution is not found when J0 > 1:7J. / Neste trabalho investiga-se a competição entre vidro de spin (SG), antiferromagnetismo (AF) e formação de pares do tipo BCS (PARES) no espaço real. O modelo consiste em um acoplamento Ising juntamente com um termo BCS local que favorece a dupla ocupação dos sítios. Neste modelo composto por duas sub-redes, o acoplamento ocorre unicamente entre spins localizados em sub-redes diferentes. O termo que acopla os spins é uma variável aleatória Jij com uma distribuição de probabilidade gaussiana, sendo a média dada por - JO=N e a variância por J²=N. O problema é formulado em termos das integrais funcionais, onde as variáveis de spin são escritas como combinações bilineares dos campos de Grassmann. Utilizando o método das réplicas e a aproximação estática para as funções correlação spinspin, obtemos o potencial grande canônico por sítio. Os resultados são apresentados através de diagramas de fases T=J versus g=J para vários valores de JO. Em todos os diagramas, quando g=J é suficientemente grande, as soluções das equações para os parâmetros de ordem indicam a presença da fase de formação de pares. À medida que diminui o valor de g=J, o problema apresenta como solução antiferromagnetismo e/ou vidro de spin, dependendo da razão JO=J. Para altas temperaturas e qualquer valor de JO, temos solução paramagnética, com m e q nulos. Para valores de JO ≤ 1; 5J, aparece a solução vidro de spin em temperatura Tf = 0; 96J. No intervalo de 1; 5J < JO ≤ 1; 7J surge uma fase antiferromagnética entre as soluções paramagnética e vidro de spin. Quando JO > 1; 7J a solução vidro de spin desaparece.

Neste trabalho apresenta-se uma solução analítica para a dispersão vertical turbulenta em uma Camada Limite Convectiva e em uma Camada Limite Estável. A equação analisada considera a difusão com velocidades finitas, o que representa o transporte turbulento fisicamente correto. Considerando o caráter não-local, adicionam-se na equação que representa uma fonte área instantânea, termos como: o tempo de relaxação, a assimetria, a escala de tempo Lagrangeana e a velocidade turbulenta vertical. A solução é obtida utilizando-se a técnica da Transformada de Laplace. Os parâmetros que encerram a turbulência são derivados da teoria de difusão estatística de Taylor combinada com a teoria de similaridade. Foram utilizados coeficientes de difusão especáficos para cada uma das camadas. A transformada inversa é obtida através do esquema numérico de quadratura Gaussiana. São apresentadas várias simulações para diferentes alturas de fonte área e obtém-se o valor da concentração para alturas próximas ao solo e próximas ao topo da Camada Limite Planetária. A inserção do termo de contra-gradiente na equação resultou em uma pequena influência na concentração de poluentes, observada de forma mais expressiva na Camada Limite Convectiva.

O desenvolvimento de um modelo espectral para o decaimento da Camada Limite Convectiva é apresentado neste trabalho. A equação dinâmica para a densidade espectral de energia cinética é determinada a partir das equações de Navier-Stokes, nas quais o termo de produção de energia por efeito mecânico não será considerado. O termo de transferência inercial de energia é parametrizado a partir de um modelo sugerido por Pao. Para calcular o espectro inicial tridimensional da Camada Limite Convectiva foi usado uma formulação proposta por Kristensen, a qual permite calcular o espectro 3-D de um fluxo turbulento homogêneo mas não isotrópico conhecendo-se as suas componentes unidimensionais. Para calcular as componentes unidimencionais do espectro e do coeficiente de difusão durante o decaimento foi empregado um método matemático que considera uma função peso. Esta função peso informa como cada componente unidimensional participa na formação da função densidade espectral de energia. Finalmente, a componente vertical do coeficiante de difusão calculada a partir do modelo teórico foi comparada com dados de LES ( large eddy simulation) durante o decaimento da Camada Limite Convectiva. / The development of a spectral model for a decaying Convective Boundary Layer is considered in this work. The dynamical equation for the energy density spectrum function is obtained from r· avier-Stokes equation, in which shear and buoyancy terms were disregarded and turbulence was assumed to be homogeneous and non isotropic. The inertial energy transfer term is parametrized using a model suggested by Pao. To calculate this initial 3-D spectrum the mathematical formulation proposed by Kristensen was used, which allo,ved us to determine the 3-D spectrum of the homogeneous and non isotropic turbulent flow from a known one-dimensional (1-D) spectrum. To calculate the decaying one-dimensional spectrum and eddy diffusivity, a mathematical method using a weight function was utilized. This weight function gives information about how this one-dimensional component take part in the formation of the 3-D equation for the spectral density. Finally, the decaying vertical eddy diffusivity derived from the present theoretical model has been compareci with the generated from LES (large eddy simulation) data for a decaying Convective Boundary Layer.

O desenvolvimento de um modelo espectral para o decaimento da Camada Limite Convectiva é apresentado neste trabalho. A equação dinâmica para a densidade espectral de energia cinética é determinada a partir das equações de Navier-Stokes, nas quais o termo de produção de energia por efeito mecânico não será considerado. O termo de transferência inercial de energia é parametrizado a partir de um modelo sugerido por Pao. Para calcular o espectro inicial tridimensional da Camada Limite Convectiva foi usado uma formulação proposta por Kristensen, a qual permite calcular o espectro 3-D de um fluxo turbulento homogêneo mas não isotrópico conhecendo-se as suas componentes unidimensionais. Para calcular as componentes unidimencionais do espectro e do coeficiente de difusão durante o decaimento foi empregado um método matemático que considera uma função peso. Esta função peso informa como cada componente unidimensional participa na formação da função densidade espectral de energia. Finalmente, a componente vertical do coeficiante de difusão calculada a partir do modelo teórico foi comparada com dados de LES ( large eddy simulation) durante o decaimento da Camada Limite Convectiva. / The development of a spectral model for a decaying Convective Boundary Layer is considered in this work. The dynamical equation for the energy density spectrum function is obtained from r· avier-Stokes equation, in which shear and buoyancy terms were disregarded and turbulence was assumed to be homogeneous and non isotropic. The inertial energy transfer term is parametrized using a model suggested by Pao. To calculate this initial 3-D spectrum the mathematical formulation proposed by Kristensen was used, which allo,ved us to determine the 3-D spectrum of the homogeneous and non isotropic turbulent flow from a known one-dimensional (1-D) spectrum. To calculate the decaying one-dimensional spectrum and eddy diffusivity, a mathematical method using a weight function was utilized. This weight function gives information about how this one-dimensional component take part in the formation of the 3-D equation for the spectral density. Finally, the decaying vertical eddy diffusivity derived from the present theoretical model has been compareci with the generated from LES (large eddy simulation) data for a decaying Convective Boundary Layer.