abstract: This study uses the Weather Research and Forecasting (WRF) model to simulate and predict the changes in local climate attributed to the urbanization for five desert cities. The simulations are performed in the fashion of climate downscaling, constrained by the surface boundary conditions generated from high resolution land-use maps. For each city, the land-use maps of 1985 and 2010 from Landsat satellite observation, and a projected land-use map for 2030, are used to represent the past, present, and future. An additional set of simulations for Las Vegas, the largest of the five cities, uses the NLCD 1992 and 2006 land-use maps and an idealized historical land-use map with no urban coverage for 1900. The study finds that urbanization in Las Vegas produces a classic urban heat island (UHI) at night but a minor cooling during the day. A further analysis of the surface energy balance shows that the decrease in surface Albedo and increase effective emissivity play an important role in shaping the local climate change over urban areas. The emerging urban structures slow down the diurnal wind circulation over the city due to an increased effective surface roughness. This leads to a secondary modification of temperature due to the interaction between the mechanical and thermodynamic effects of urbanization. The simulations for the five desert cities for 1985 and 2010 further confirm a common pattern of the climatic effect of urbanization with significant nighttime warming and moderate daytime cooling. This effect is confined to the urban area and is not sensitive to the size of the city or the detail of land cover in the surrounding areas. The pattern of nighttime warming and daytime cooling remains robust in the simulations for the future climate of the five cities using the projected 2030 land-use maps. Inter-city differences among the five urban areas are discussed. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Aerospace Engineering 2015

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

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