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Title: Estudo da camada limite atmosférica em regiões metropolitanas costeiras com simulações de brisa marítima
metadata.dc.creator: Salvador, Nadir
Issue Date: 2014
Abstract: 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.
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.
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.
URI: http://repositorio.ufes.br/handle/10/1221
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