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Fil: Wittwer, Adrián Roberto. Universidad Nacional del Nordeste. Facultad de Ingenieria; Argentina. Fil: Dorado, Rodrigo. Universidade Federal de Rio Grande do Sul. Departamento de Engenharia Mecânica; Brazil. Fil: Loredo Souza, Acir Mércio. Universidade Federal de Rio Grande do Sul. Laboratório de Aerodinâmica das Construções; Brazil. Fil: Bodmann, Bardo Ernst Josef. Universidade Federal de Rio Grande do Sul. Departamento de Engenharia Mecânica; Brazil. Fil: Degrazia, Gervásio Annes. Universidade de Federal de Santa Maria. Departamento de Física; Brazil. Fil: Bones, Arthur. Universidade Federal de Rio Grande do Sul. Laboratório de Aerodinâmica das Construções; Brazil. Fil: Capeller, Bruno. Universidade de Caxias do Sul. Engenharia Mecânica; Brazil. Fil: Contini, André. Universidade de Caxias do Sul. Engenharia Mecânica; Brazil. An experimental study of the turbulent wake of a wind turbine model was realized at the “Joaquim Blessmann” wind tunnel of the UFRGS. The turbine model was developed at the Universidade de Caxias do Sul and it represents a three blade turbine characterized by a NACA 4412 aerodynamic profile. Measurements of the velocity fluctuations were realized by hot wire anemometry. Complexity of the turbulent flow is evaluated by mean and fluctuating velocity profiles. The influence of the incident flow turbulence and the flow reconstructing process are analysed by the measurement results.

Fil: Wittwer, Adrián Roberto. Universidad Nacional del Nordeste. Facultad de Ingeniería; Argentina. Fil: Álvarez y Álvarez, Gisela Marina. Universidad Nacional del Nordeste. Facultad de Ingeniería; Argentina. Fil: Demarco, Giuliano. Universidade Federal de Santa María. Departamento de Engenharia Mecânica; Brasil. Fil: Martins, Luis Gustavo N. Universidades Federal de Santa María. Programa de Pós-graduação em Meteorologia; Brasil. Fil: Puhales, Franciano S. Universidade Federal de Santa Maria. Departamento de Física; Brasil. Fil: Acevedo, Otávio Costa. Universidade Federal de Santa María. Departmento de Física; Brasil. Fil: Loredo Souza, Acir Mércio. Universidade Federal de Rio Grande do Sul. Laboratorio de Aerodinâmica das Construções; Brasil. Fil: Bodmann, Bardo Ernst Josef. Universidade Federal de Rio Grande do Sul. Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica; Brasil. Fil: Degraazia, Gervásio Annes. Universidade Federal de Santa María. Departamento de Física; Brasil. In this study, spectra obtained from wind tunnel data are compared with a model that describes observed atmospheric neutral spectra. The investigation points out that there is a good conformity between both spectra for the whole turbulent frequency domain. This result is significative since that the spectral model was obtained using only turbulent quantities measured in the planetary boundary layer. This similitude occurring with wind tunnel and atmospheric data furnishes a way to obtain connections between wind tunnel and atmospheric turbulent observations. The results, presented in this analysis, confirm the hypothesis that turbulence parameters observed in wind tunnel, can simulate real wind data measured in atmosphere.

Fil: Wittwer, Adrián Roberto. Universidad Nacional del Nordeste. Facultad de Ingeniería; Argentina. Fil: Dorado, Rodrigo. Universidade Federal de Rio Grande do Sul; Brazil. Fil: Álvarez y Álvarez, Gisela Marina. Universidad Nacional del Nordeste. Facultad de Ingeniería; Argentina. Fil: Bodmann, Bardo Ernst Josef. Universidade Federal de Rio Grande do Sul; Brazil. Fil: Degrazia, Gervásio Annes. Universidade Federal de Santa María; Brazil Fil: Loredo Souza, Acir Mércio. Universidade Federal de Rio Grande do Sul; Brazil. The interaction between the incident wind and wind turbines in a wind farm causes mean velocity deficit and increased levels of turbulence in the wake. The turbulent flow is characterized by the superposition of wind turbine wakes. In this work, the technique of turbulence spectral evaluation for reduced scale models in a boundary layer wind tunnel is presented, and different measurements of velocity fluctuations are analysed. The results allow evaluating the spectrum for different frequency ranges and the differences of the spectral behaviour between the incident wind and the turbine wake flow.

Este artigo apresenta dois estudos de caso com objetivo de investigar a interação do vento local no interior de um vale, com o vento sinótico. A direção e a velocidade do vento local são obtidas de dados de resposta lenta medidos em um trecho leste/oeste do vale do rio da Prata, localizado na região de Nova Roma do Sul, Estado do Rio Grande do Sul. Os dados sinóticos da direção e velocidade dos ventos foram observados às 00, 12 e 18 TMG, em três estações meteorológicas de superfície localizadas na mesorregião do vale estudado. O padrão sinótico é avaliado através de campos meteorológicos construídos com a reanálise do NCEP-NCAR. A análise sinótica e a avaliação empírica do vento local são realizadas com a ajuda de outras variáveis medidas no fundo do vale, tais como radiação solar incidente e temperatura do ar. Os resultados mostram a existência de superposição das forçantes, térmica e canalizada, durante a madrugada e parte da manhã. Porém, quando a temperatura do ar durante a madrugada é baixa, o efeito térmico parece ser mais pronunciado do que o efeito do vento sinótico canalizado. O vento sinótico de norte proporciona um padrão característico do vento local no interior do vale. O escoamento vale abaixo é relativamente mais forte entre a madrugada e a manhã devido à soma dos efeitos, térmico e canalizado. Por outro lado, esses efeitos anulam-se a partir das 12 - 13 h, provocando calmaria no interior do vale. This paper shows two case studies to investigate the interaction of the local wind within a valley with the synoptic-scale wind. The direction and velocity of the local wind are obtained from slow response data measured within an east/west section of Prata valley in Nova Roma do Sul, Rio Grande do Sul State, Brazil. The synoptic direction and velocity wind were observed at 00, 12 and 18 TMG at three meteorological surface stations, situated in the studied valley. The synoptic pattern is evaluated by the NCEP-NCAR reanalysis of meteorological fields. The synoptic analysis and empirical evaluation of local wind are done with the use of others variables in the bottom of the valley, as incident solar radiation and air temperature. The results showed that there is a superposition of the thermal and the channeled flow forcings within the valley during the first hours and part of the morning. However, when the air temperature during the early morning is low, the thermal effect seems to be more pronounced than the synoptic channeled wind effect. The down-valley wind flow is relatively stronger during the early and the late morning due to the superposition of both thermal and channeled effects. On the other hand, these effects cancel each other from 12-13 hour, causing calm winds within the valley.

Um modelo estocástico Lagrangeano é utilizado para simular a dispersão e o transporte de contaminantes, sob condições estáveis, com velocidade do vento fraco, no experimento traçante realizado no Idaho National Engineering Laboratory (INEL). Neste trabalho é testada uma nova parametrização dos parâmetros que representam as freqüências associadas ao fenômeno de meandro do vento, presentes nas equações de Langevin para as componentes do vento horizontal. Esta nova parametrização é descrita em termos de uma quantidade adimensional que controla a freqüência de oscilação de meandro do vento e da escala de tempo, associada às estruturas coerentes em uma turbulência bem desenvolvida. As simulações demonstram que o modelo Lagrangeano considerado, incorporando esta nova parametrização, reproduz corretamente a difusão de escalares passivos em uma camada limite atmosférica estável com velocidade do vento fraco. A Lagrangian stochastic particle model is utilized to simulate the dispersion and the transport of contaminants under low wind stable conditions in the tracer experiment carried in the Idaho National Engineering Laboratory (INEL). In this work a new parameterization for the parameters representing the frequencies associated to the meandering phenomenon is tested. The new parameterization is expressed in terms of a non-dimensional quantity that controls the frequencies of the meandering oscillation and of the time scale associated to a coherent structure in a fully developed turbulence. The simulations show that the considered Lagrangian model, incorporating this new parameterization, reproduces correctly the diffusion of passive scalars in a low wind speed stable atmospheric boundary layer.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES In the present thesis, the role of non-turbulent processes on the atmospheric boundary layer (ABL) is studied from a numerical point of view and employing experimental micrometeorological data. The thesis is constituted of three articles. In the first one, the effect of stable stratification increase on the flow is investigated by performing direct numerical simulation (DNS) of Ekman layers. The aim is to analyze the propagation and intensification of nearsurface large-scale modes and characterize them as meandering flow. Such non-turbulent modes are described by employing spatial Eulerian autocorrelation functions (EAFs) and spectral analysis, as well as mean and turbulent flow quantities profiles. Simulations show that horizontal meandering characteristics are found in the near-wall region under strong stratification and does not require any external forcing (e.g., surface heterogeneities or local perturbations) to develop. In the second article, meandering occurrences were investigated by using field measurements collected in southern Brazil. Wave-like episodes were isolated employing the temporal EAF approach. The results obtained showed that meandering structures often occur during low-wind and stable regimes and influence the scalar field introducing large-scale contributions to vertical fluxes. Such contributions should be filtered to estimate the turbulent transport correctly and improve the surface energy budget closure. The third article explores the effects of a forced geophysical flow, namely “Vento Norte”, associated with the local terrain features in the ABL based on two years of field observations. Before being detected close to the surface, the phenomenon disturbs the local flow, generating submeso motions. During its life cycle, it advects warm and dry air mass in a robust way, which significantly impacts the meteorological fields from the turbulent point of view, mainly during nighttime periods. The thesis’ results highlight the effects of non-turbulent scales in the flow dynamics under intense stable stratification. Na presente tese, o papel dos processos não turbulentos ocorrendo na Camada Limite Atmosférica (CLA) é estudado de um ponto de vista numérico e através do emprego de dados experimentais. O trabalho é constituído de três artigos. No primeiro, o efeito do aumento da estratificação estável no escoamento é investigado realizando simulações numéricas diretas de camadas de Ekman. O objetivo é analisar a propagação e a intensificação de estruturas de larga escala, próximas da superfície, e caracterizá-las como meandro do vento. Tais estruturas não turbulentas são descritas utilizando funções de autocorrelação eulerianas (FAEs) e análises espectrais espaciais. Da mesma forma, os perfis verticais de quantidades médias e turbulentas do escoamento serão examinados. Os resultados das simulações mostram que as caracteristícas do fenômeno do meandro do vento horizontal são encontradas na região próxima da parede na presença de forte estratificação. Estas caracteristícas não requerem nenhum forçante particular (ex., heterogeneidade da superfície e perturbações locais) para se desenvolverem. No segundo artigo, usando observações de campo coletadas no sul do Brasil, as ocorrências de meandro são investigadas. Episódios ondulatórios são identificados pelo emprego da técnica de FAE em séries temporais. Os resultados obtidos mostram que os movimentos de meandro ocorrem frequentemente durante condições de vento fraco e estável, influenciando o campo de escalares e introduzindo contribuições de baixas frequências nos fluxos verticais. Tais contribuições devem ser filtradas para estimar corretamente o transporte turbulento e para melhorar o fechamento do balanço de energia na superfície. O terceiro artigo explora os efeitos de um escoamento geofísico forçado, chamado Vento Norte, associado às características locais do terreno na CLA. O trabalho emprega observações de campo realizadas durante o período de dois anos. O fenômeno, antes de ser detectado próximo à superfície, perturba o escoamento local, gerando movimentos de submeso. Durante o seu ciclo de vida advecta de forma robusta, massas de ar quentes e secas. Este processo de advecção impacta significativamente, do ponto de vista turbulento, os campos meteorológicos, principalmente durante períodos noturnos. Os resultados da tese evidenciam os efeitos de escalas não turbulentas na dinâmica do escoamento durante condições de forte estratificação estável.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Methane (CH4) is approximately 28 times more efficient at absorbing radiation than carbon dioxide (CO2), potentiating global warming. In this way, the production systems that emit CH4 have special attention in studies that quantify and mitigate these emissions. Several methodologies have been used to quantify these emissions. However, the Eddy Covariance (EC) methodology is the state of the art in these estimates as it incorporates all exchanges of these gases in an ecosystem. In agriculture, rice production and livestock are the main emitters of CH4. In this thesis, these two production systems will be evaluated in relation to CH4 emissions through the EC methodology. The studies are conducted at two experimental sites within the Pampa Biome in the state of Rio Grande do Sul - RS, Brazil. Measurements of CH4 emissions were carried out for nine months in a flooded irrigated rice area in the municipality of Cachoeira do Sul (and extrapolated to the annual period) and for two and a half years in a rotational management of cattle in a field pasture native in the municipality of Aceguá - RS. The annual emission in the rice area was 43.87 gCH4 m-2 year-1, and the rice cultivation emitted 33.03 gCH4 m-2, three times greater than the period without rice (fallow). These results show that the estimates of the Intergovernmental Panel for Climate (IPPC-2006) underestimate CH4 emissions by 30% for rice cultivation in this region. In an average of two years, the livestock area emitted 3.75 gCH4 m-2 year-1, with CH4 emissions due to cattle representing approximately 60% of annual emissions. Thus, CH4 emissions in rice are around 12 times higher than in livestock. As these systems also exchange other greenhouse gases in the atmosphere, such as CO2, estimates of these exchanges were also used to estimate the total annual global warming potential (GWP), considering the consumption of harvested rice or the meat of the cattle produced, converting the variables into CO2 equivalent (CO2-eq). CO2 is the main component of GWP in both systems, and is absorbed in both. However, rice was a GHG emitter (GWP = 1539.42 gCO2-eq m-2), and fallow was responsible for 90% of this value, while livestock in the native field was a GHG absorber (GWP = - 76.5 gCO2-eq m-2). These unprecedented results may become the basis for public policies for offsetting GHG emissions and for future work to mitigate these gases in the Brazilian Pampa Biome. O metano (CH4) é aproximadamente 28 vezes mais eficiente na absorção de radiação do que o dióxido de carbono (CO2), potencializando o aquecimento global. Desta forma, os sistemas de produção que emitem CH4 têm recebido atenção especial em estudos que quantificam as emissões visando a mitigação. Para tanto, diversas metodologias têm sido utilizadas, sendo a metodologia covariância dos vórtices (EC do inglês Eddy Covariance), é o estado da arte nestas estimativas por incorporar todas as trocas de CH4 num ecossistema. Na agricultura, a produção de arroz e pecuária são os principais emissores de CH4. Nesta tese, esses dois sistemas de produção foram avaliados em relação às emissões de CH4 através da metodologia EC. Os estudos foram conduzidos em dois sítios experimentais do bioma Pampa, no estado do Rio Grande do Sul - RS, Brasil. Medidas das emissões de CH4 foram realizadas durante nove meses numa área de arroz irrigado por inundação (sistema pré-germinado) no município de Cachoeira do Sul (e extrapoladas para o período anual) e durante dois anos e meio em uma criação de gado sob manejo rotacionado em uma pastagem de campo nativo no município de Aceguá – RS. A emissão anual na área de arroz foi de 43,87 g CH4 m-2 ano-1, sendo que o período com arroz emitiu 33,03 g CH4 m-2, três vezes maior que o período sem arroz (pousio). Estes resultados mostram que as estimativas do Painel Intergovernamental para o Clima (IPPC-2006) subestimam as emissões de CH4 em 30 % para o cultivo do arroz nesta região. Na média de dois anos, a área de pecuária emitiu 3,75 gCH4 m-2 ano-1, sendo que as emissões de CH4 devido ao gado representam aproximadamente 60 % das emissões anuais. Assim, as emissões de CH4 no arroz são em torno de 12 vezes maior que na pecuária. Como nesses sistemas também ocorrem trocas de outros gases do efeito estufa (GEE) entre a superfície e a atmosfera, tais como CO2 e o N2O, estimativas destas trocas foram também utilizadas para estimar o potencial de aquecimento global total anual (GWP), considerando o consumo do arroz colhido ou da carne do gado produzida, convertendo as variáveis em CO2 equivalente (CO2-eq). O CO2 é o principal componente do GWP nos dois sistemas, e é absorvido em ambos. No entanto, o arroz foi um emissor de GEE (GWP = 1539,42 gCO2-eq m-2), sendo que pousio foi responsável por 90 % deste valor, enquanto a pecuária no campo nativo foi um absorvedor de GEE (GWP = -76,5 gCO2-eq m-2). Estes resultados inéditos podem se tornar base para políticas públicas de compensação de emissão de GEE e para futuros trabalhos de mitigação desses gases no bioma Pampa Brasileiro.

The description of the effects of the wind meandering in the scalar dispersion is a challenging task, since this type of flow represents a physical state characterized by multiple scales. In this study, a Lagrangian stochastic diffusion model is derived to describe the scalar transport during the horizontal wind meandering phenomenon, occurring in a PBL. The model is derived from the linearization of the Langevin equation and employs a heuristic functional form, which represents the autocorrelation functions of the meandering. The new solutions, which describe the longitudinal and lateral wind components, were used to simulate two experiments of contaminants dispersion in low-wind conditions, INEL (USA) and GRAZ (Austria). The results of the comparison indicate that the new model reproduces fairly well the observed concentrations of contaminants and, therefore, satisfactorily describes the enhanced dispersion due to the presence of meandering. Descrever os efeitos provocados pelo meandro do vento na dispersão de escalares é uma tarefa desafiadora, uma vez que este tipo de escoamento representa um estado físico caracterizado por múltiplas escalas. Neste trabalho, deriva-se um modelo estocátisco Lagrangiano para descrever a dispersão de escalares, na camada limite planetária, durante o fenômeno de meandro do vento horizontal. O modelo é derivado a partir da linearização da equação de Langevin e emprega uma forma funcional heurística, que representa as funções de autocorrelação do meandro. As novas soluções, que descrevem as componentes longitudinais e laterais do vento, foram empregadas para simular dois experimentos de dispersão de contaminantes em condições de vento fraco, INEL (USA) e GRAZ (Áustria). Os resultados das comparações indicam que o novo modelo pode ser usado para reproduzir as concentrações observadas de contaminantes e, portanto descreve de forma satisfatória a difusão reforçada provocada pelo meandro do vento.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior In this study is propose a new mathematical expression to describe the observed meandering autocorrelation functions in low-wind speed. The analysis utilizes a large number of the data to show that the new proposed theoretical function reproduces the experimental behavior of the fit curves, well as the negative lobes that characterizing the autocorrelation function for meandering condition. Furthermore, the good agreement of the measured autocorrelation curves with the proposed algebraic autocorrelation function allows to calculate the magnitudes of the meandering period and of the loop parameter. In adition, the parameters founded in this study can be used to simulate the dispersion of contaminant during low wind episodes. The results agree with the values presented and discussed in the literature. O presente estudo propõe uma nova expressão matemática para descrever as funções de autocorrelação observadas sob condições de meandro do vento horizontal. A análise utiliza um grande número de dados para demonstrar que a função proposta reproduz o comportamento da curva experimental, bem como os lóbulos negativo que caracterizam a função de autocorrelação para a situação de meandro. Além disso, a boa concordância entre as curvas de autocorrelação observadas e a nova função de autocorrelação algébrica, proposta neste trabalho, permitiu realizar o cálculo de grandezas físicas como o parâmetro de oscilação e o período de meandro. Um resultado adicional, foi empregar os valores médios encontrados para os parâmetros do meandro na simulação da dispersão de contaminante durante episódios de vento fraco. Os resultados encontrados estão de acordo com os valores apresentados e discutidos na literatura.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico In this study, simulated to net radiation and energy flux in a region with rotation of crops, for two distinct periods: Period 1 (01 / Feb / 2009 to 31 / Jan / 2010) and period 2 (14 / Dec / 2009 to 28 / Apr / 2010). In these simulations we used the NOAH LSM surface model. For the period 1 initially, without any calibration simulations were performed only with the input of the local weather conditions, an adjustment of an experiment controlfile file and spin up for the stabilization of the initial conditions. In these simulations, the results were very poor, indicating a need to test the sensitivity of the model especially because of the launch conditions of temperature and soil moisture. After these tests it was found that the initial predictions of impact can be considerable conditions for the two cases. It is noticed that the soil moisture changes generate greater impact in the model that temperature variations boot. As a result, proposed a calibration for the model. The calibration method was to make some simulations manually varying the parameters of soil and vegetation, or both, according to the deficiencies of the NOAH LSM. The tests were carried out until they could get a more optimized forecast for the period studied. The initial analysis of the local conditions of the experimental site was very important for calibration, as it allowed establishing previous parameters corresponding to values close to those parameters when calibrated. Simulation results after calibration applied satisfactorily exhibited liquid radiation and heat flows. So it can be said that the calibration is proposed representing characteristics of vegetation and soil correctly. Nevertheless, the corrections that the model still needs, especially in sensible and latent heat fluxes, may be associated with representation in heat distribution processes and water, or by the fact that the colder months had considerable regime rains. So when there is cloud cover, the model still has problems in representation. Results for long periods of data, as in this work, may lose some of representativeness due to the seasonality of the vegetation parameters, for which varied the parameters for periods culture and fallow. The most important contribution made in this work was a model fit for an agricultural ecosystem area and validate it for the future, it may be used as an initial boundary condition in numerical weather prediction models. The implementation variations in LAI and albedo parameter applied in the simulations of period 2 (soybean) improved the description of the heat flux and net radiation. Neste estudo simulou-se a radiação líquida e os fluxos de energia para uma região com rotações de cultivos agrícolas, para dois períodos distintos: Período 1 (01/Fev/2009 até 31/Jan/2010) e período 2 (14/Dez/2009 até 28/Abr/2010). Nestas simulações utilizou-se o modelo de superfície NOAH LSM. Inicialmente, para o período 1, foram feitas simulações sem nenhuma calibração, apenas com a entrada das condições meteorológicas locais, um ajuste do arquivo controlfile e um experimento spin up para a estabilização das condições iniciais. Nestas simulações, os resultados foram muito insatisfatórios, indicando uma necessidade de testar a sensibilidade do modelo principalmente frente às condições de inicialização da temperatura e da umidade do solo. Após estes testes verificou-se que impactos das previsões às condições iniciais podem ser consideráveis para os dois casos. Percebe-se que as variações de umidade do solo geram maior impacto no modelo devido à temperatura do solo que é simulada. Na sequência, propôs-se uma calibração para o modelo. O método de calibração consistiu em fazer algumas simulações variando-se manualmente os parâmetros de solo e vegetação, ou ambos, de acordo com as deficiências do NOAH LSM. Assim, os testes foram realizados até que se conseguisse uma previsão mais otimizada para o período estudado. A análise inicial das condições locais do sítio experimental foi de suma importância para a calibração, pois ela possibilitou estabelecer parâmetros prévios que correspondem a valores próximos dos parâmetros quando calibrados. Os resultados das simulações, após a calibração aplicada, representaram satisfatoriamente a radiação líquida e os fluxos de calor. Portanto, pode-se dizer que a calibração proposta está representando as características de vegetação e de solo de forma correta. Apesar disso, as correções que o modelo ainda necessita, principalmente nos fluxos de calor sensível e latente, podem estar associadas a representação nos processos de distribuição do calor e da água, ou ainda pelo fato de que os meses mais frios tiveram um considerável regime de chuvas. Assim, quando há nebulosidade, o modelo ainda apresenta problemas na representação. Os resultados para períodos longos de dados, os quais foram considerados neste trabalho podem perder um pouco da representatividade em função da sazonalidade dos parâmetros de vegetação, motivo pelo qual variou-se os parâmetros para períodos com cultura e com pousios. A contribuição mais importante realizada neste trabalho foi um ajuste do modelo para uma região de ecossistema agrícola e a sua validação para que futuramente, possa ser utilizado como condição de contorno inicial em modelos de previsão numérica do Tempo. A implementação das variações diárias no parâmetro IAF e no albedo, aplicada nas simulações do período 2 na cultura de soja, melhorou a descrição dos fluxos de calor e da radiação líquida.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior The present study aims to evaluate the quality of nocturnal temperature forecast made by a mesoscale numerical model and to understand the reasons behind the difficulties found. To do that, the Weather Research and Forecast (WRF) model is used, with the same configuration employed for operational weather forecast. The model has been ran for the 31 nights of July 2012, and temperature outputs have been compared to hourly observations measured by 26 weather stations scattered over the entire state of Rio Grande do Sul. Four different schemes for turbulence have been considered. Three of them, Yonsei University (YSU), Mellor Yamada Janjic (MYJ) and Bougeault-Lacarrere (BOU) are formulations available from WRF code, while the fourth, Bougeault-Lacarrere Modified (BOU-Mod) is a change made to BOU, aiming at making it less turbulent. A general analysis shows that the different formulations present similar root mean squared errors (EQM), with YSU showing slightly smaller errors than the others. An important discrepancy found refers to the fact that there is an appreciable difference between station real altitude and its altitude in the model, which is given by the height of the closest grid point. When such an altitude difference is corrected by a potential temperature, the errors are enhanced. In this case, the most turbulent formulations, YSU and BOU, tend to overestimate nocturnal temperatures, while the least turbulent ones, MYJ and BOU-Mod, tend to underestimate it. All schemes presented a tendency to underestimate the observed temporal variability. It means that they tend to overestimate the coldest observations and to underestimate the warmest ones. In the most stable nights, all parameterizations showed large EQM and overestimate the temperature. In the least stable nights there were some cases with reduced EQM, but all formulations tended to underestimate temperature, showing that it is necessary to increase the turbulent mixing in this cases. When the different stations are compared, it becomes evident that the height difference between station and model altitudes has a large influence in the nighttime temperature weather forecast. It happens mainly because stations lower than the nearest grid point the modeled winds tend to be larger than observed, causing more intense turbulent mixing and leading to warmer temperatures. The opposite happens in stations higher than the grid point. Such a situation occurs mainly in the more stable conditions, when the lower regions tend to have its surface decoupling from the higher atmospheric levels. The implications of these results and suggestions for improving nocturnal temperature forecasts are presented. O objetivo do presente trabalho é avaliar a qualidade da previsão de temperaturas noturnas em um modelo numérico de mesoescala e compreender a razão das principais dificuldades encontradas. Para tanto, é utilizado o modelo Weather Research and Forecast (WRF), configurado da mesma maneira que é feito em previsões do tempo operacionais. O modelo foi rodado para as 31 noites do mês de Julho de 2012, e as saídas de temperatura foram comparadas com observações horárias feitas em 26 estações espalhadas por todo o estado do Rio Grande do Sul. Foram consideradas quatro representações diferentes para a turbulência no modelo, sendo que três delas, as de Yonsei University (YSU), Mellor-Yamada-Janjic (MYJ) e Bougeault-Lacarrere (BOU), são formulações disponibilizadas no próprio modelo e uma quarta, Bougeault-Lacarrere-Modificada (BOU-Mod), é uma alteração imposta à parametrização BOU com o propósito de torná-la menos turbulenta. Uma análise geral mostra que as formulações apresentam erros quadráticos médios (EQM) bastante próximos entre si, sendo que YSU tem erros levemente menores que as demais. Uma importante discrepância observada é que há diferença razoável entre a altura real da estação e a sua altitude no modelo, representada pelo valor do ponto de grade mais próximo. Quando essa diferença de altitude é corrigida pela temperatura potencial, os erros aumentam. Nesse caso, as duas parametrizações mais turbulentas, que são YSU e BOU, têm tendência geral de superestimar as temperaturas noturnas, enquanto as menos turbulentas, MYJ e BOU-Mod, tendem a subestimar essa grandeza. Todos os esquemas mostraram tendência de reduzir a variabilidade temporal observada, o que significa que elas tendem a superestimar as observações mais frias e subestimar as mais quentes. Nas noites mais estáveis, todas parametrizações apresentaram grande EQM e superestimam a temperatura. Nas noites menos estáveis houve casos com EQM reduzido, mas todas as parametrizações mostraram tendência de subestimar a temperatura observada, mostrando que é necessário que todas as formulações se tornem mais turbulentas nestes casos. Quando as diferentes estações são comparadas, a diferença de altura entre a estação e o ponto de grade mais próximo tem grande influência na previsão de temperatura noturna. Isso ocorre porque nas estações mais baixas que o ponto de grade, o vento do modelo tende a ser maior que o observado, causando maior mistura turbulenta, e levando a temperaturas maiores. O oposto ocorre nas estações mais altas que o ponto de grade. Esta situação ocorre principalmente nas noites mais estáveis, quando estações localizadas em regiões mais baixas tendem a experimentar o fenômeno do desacoplamento entre a superfície e os níveis mais altos da atmosfera. As implicações destes resultados são discutidas e propostas para melhorar as previsões noturnas de temperatura são apresentadas.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Não foi possível inserir o Abstract. Não foi possível inserir o resumo.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Exchanges of water in the soil-plant-atmosphere are controlled by physical-hydric soils, which in turn are highly variable in space and very sensitive to the use and soil management, especially in an agroecosystem. Precipitation, runoff, soil water storage and exchange of water vapor between the surface-atmosphere obtained from the eddy covariance and hydro-physical properties of soil were analyzed during the growing season (2009/2010) for no-till systems (NT) and conventional tillage (PC) in the cycle of soybean, in Cruz Alta, northwest of Rio Grande do Sul (RS). Most models that describe the interaction biosphere - atmosphere in agroecosystems has not efficiently represent physical differences for different soil management. In this sense, the study also will examine the response of the dynamic exchanges of water in the Agro-IBIS model when the soil physical properties in a system of management of PD (without revolution planting soil) and PC (with planting soil Revolution) are implemented. For this purpose, are used to soil properties of a long-term experiment in southern Brazil 2009/2010. Moreover, mathematical adjustments in leaf area index (LAI) is suggested to better represent the stage of leaf senescence. The results of the dynamics of soil water and evapotranspiration in the Agro-IBIS model for soybeans, when the implementation of soil properties and setting the IAF are compared with experimental data and with a simulation in which the soil property are described through the global database. The model represents satisfactorily the dynamics of soil water and evapotranspiration for both management systems, especially for wet periods. The results presented for the conventional management system are best correlated with the simulations, when the physical properties of this system are implemented and leaf senescence is corrected. Of the major changes that have been added, such as setting physical properties of soil, definition of the retention curve coefficients, and phenology of the crop, the main one was the consideration of a new factor of decline in leaf area index during senescence which greatly reduced the error in water balance components of the surface of soybean. As trocas de água no sistema solo-planta-atmosfera são controladas pelas características físico-hídricas dos solos, que por sua vez são altamente variáveis no espaço e muito sensíveis ao uso e manejo do solo, principalmente em um agroecossistema. Precipitação, escoamento, armazenamento de água do solo e trocas de vapor de água entre superfície-atmosfera obtido a partir da covariância turbulenta e propriedades físico-hídricas do solo foram analisados durante a estação de cultivo (2009/2010) para os sistemas de plantio direto (PD) e plantio convencional (PC) no ciclo da cultura da soja, no município de Cruz Alta, região noroeste do Rio Grande do Sul (RS). A maioria dos modelos que descrevem a interação biosfera - atmosfera em agroecossistemas ainda não representam de forma eficiente às diferenças físicas para diferentes manejos do solo. Neste sentido, o estudo, também analisará a resposta da dinâmica das trocas de água no modelo Agro-IBIS quando as propriedades físicas do solo em um sistema de manejo de PD (plantio sem revolução do solo) e PC (plantio com revolução do solo) são implementadas. Para tanto, são usados às propriedades do solo de um experimento de longo prazo no sul do Brasil 2009/2010. Além disso, ajustes matemáticos no índice de área foliar (IAF) são sugeridos para melhor representar o estágio de senescência foliar. Os resultados da dinâmica da água no solo e evapotranspiração no modelo Agro-IBIS para a soja, quando da implementação das propriedades do solo e do ajuste no IAF são comparados com os dados experimentais e com uma simulação em que as propriedade do solo são descritas através do banco de dados globais. O modelo representa satisfatoriamente a dinâmica da água no solo e evapotranspiração para ambos os sistemas de manejo, especialmente para períodos úmidos. Os resultados apresentados para o sistema de manejo convencional estão melhores correlacionados com as simulações, quando as propriedades físicas deste sistema são implementadas e a senescência foliar é corrigida. Das principais mudanças que foram adicionadas, tais como o ajuste de propriedades físicas do solo, definição de coeficientes da curva de retenção, e fenologia da cultura, a principal foi à consideração de um novo fator de declínio do índice de área foliar na fase de senescência que reduziu sobremaneira o erro nas componentes do balanço de água da superfície de soja.

The advection-diffusion equation has been extensively used in air pollution models to simulate mean contaminant concentrations in the planetary boundary layer (PBL). Therefore, in a Eulerian framework, it is possible to theoretically model the dispersion from a continuous point source, given adequate boundary and initial conditions and the knowledge of the mean wind velocity and turbulent concentration fluxes. The choice of an appropriate parameterization for such fluxes plays an important role in the performance of air quality dispersion models based on the advection-diffusion equation. As a consequence, much of the turbulent dispersion research is associated with the specification of these fluxes. The most commonly used approximation for closing the advection-diffusion equation is to relate the turbulent concentration fluxes to mean concentration gradients through the use of eddy diffusivities, which carry within them the physical structure of the turbulent transport phenomenon. For a continuous point source the eddy diffusivities may vary spatially and temporally along the contaminant travel time. Taylor s statistical diffusion theory (1921) determines that the turbulent dispersion depends on the distance from a continuous point source. In the proximity of the source, the fluid particles tend to preserve the memory from their initial turbulent environment. For long travel times, this memory is lost, and the motion of the particles depends only on the local turbulence properties (BATCHELOR, 1949).The aim of the present study is to present a new formulation for the eddy diffusivities in terms of the distance from the source in an inhomogeneous, shear-generated turbulence. The proposition is based on expressions for the turbulent velocity spectra and the statistical diffusion theory. These eddy diffusivities, derived for neutral conditions are described by a complex integral formulation that must be numerically solved. An additional aim of this work is to obtain a simple algebraic expression for the eddy diffusivities in a neutral PBL as a function of the turbulence properties (inhomogeneous turbulence) and the distance from the source. Therefore, the hypothesis to be tested in this study is whether the complex integral formulation for eddy diffusivities can be expressed (substituted) by a simpler algebraic expression. Finally, to investigate the influence of the memory effect in the turbulent dispersion process, a vertical eddy diffusivity is evaluated as a function of the distance from the source against its asymptotic limit employing an Eulerian air pollution model and atmospheric dispersion experiments that were carried out in strong wind conditions. A equação de difusão-advecção tem sido amplamente utilizada em modelos de poluição do ar para simular as concentrações médias de contaminantes na camada limite planetária (CLP). Portanto, seguindo uma formulação Euleriana, é possível construir um modelo teórico de dispersão de uma fonte pontual contínua a partir de um limite adequado, de condições iniciais e do conhecimento da velocidade média do vento e dos fluxos turbulentos de concentração. A escolha de uma parametrização apropriada para estes fluxos desempenha um papel importante em modelos de dispersão e de qualidade do ar que se baseiam na equação de difusão-advecção. Como consequência, muitas das pesquisas em dispersão turbulenta estão relacionadas com a especificação destes fluxos. A aproximação mais comumente usada para fechar a equação de difusão-advecção relaciona os fluxos turbulentos de concentração com os gradientes de concentração média através do uso de coeficientes de difusão. Estes carregam em si a estrutura física do fenômeno de transporte turbulento. Para uma fonte pontual contínua, tais coeficientes podem variar espacialmente e temporalmente ao longo da viagem dos contaminantes. A teoria de difusão estatística de Taylor (1921) determina que a dispersão turbulenta dependa da distancia de uma fonte pontual continua. Na proximidade da fonte, as partículas de fluído mantêm a memória do seu ambiente inicial turbulento. Para longos tempos de viagem, essa memória se perde, e o movimento das partículas segue apenas as propriedades locais de turbulência (BATCHELOR, 1949). O objetivo deste estudo é apresentar uma nova formulação para os coeficientes de difusão assintóticos e em função da distância da fonte para turbulência não-homogênea. A proposição se baseia em expressões dos espectros de energia cinética turbulenta e na teoria da difusão estatística. Estes coeficientes de difusão função da posição, derivados de condições neutras, são descritos por uma formulação complexa integral que deve ser resolvida numericamente. Um objetivo adicional neste trabalho é a derivação de uma expressão algébrica simples para os coeficientes de difusão, em função das propriedades da turbulência (turbulência não-homogênea) e da distância da fonte. A hipótese a ser testada neste estudo é se a formulação complexa integral para os coeficientes de difusão pode ser substituída por uma simples solução algébrica. Para investigar a influência do efeito de memória no processo de dispersão turbulenta, a difusividade vertical é avaliada em função da distância da fonte contra o seu limite assintótico. Para tanto, se utiliza um modelo Euleriano de poluição do ar cujos resultados são comparados com experimentos de dispersão atmosférica que foram realizados em condições de vento forte.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior In this work a parameterization for the transport terms of the turbulent kinetic energy (TKE) budget equation, valid for a convective boundary layer (CBL) is presented. This is a hard task to acomplish from experimental data, especially because of the difficulty associated to the measurements of pressure turbulent fluctuations, which are necessary to determine the pressure correlation TKE transport term. Thus, employing a large eddy symulation (LES), all terms of the TKE budget equation were determined for a CBL. From these data, polynomials that describe the TKE transport terms vertical profiles were adjusted for a CBL. The found polynomial fits are a good description of the LES data, and from them it is shown that a simple formulation that directly relates the transport terms to the TKE magnitude has advantages on other parameterizations commonly used in CBL numerical models. Furthermore, the present study shows that the TKE turbulent transport term dominates over the TKE transport by pressure perturbations and that for most of the CBL these two terms have apposite signs. The simulation consists of a full diurnal PBL cycle utilizing, at the surface, a forcing obtained from experimental data, so that the numerical experiment represents a more realistic case than a idealized CBL. Neste trabalho, uma parametrização para os termos de transporte da equação de balanço de energia cinética turbulenta (ECT), válida para uma camada limite convectiva (CLC), é apresentada. Esta é uma tarefa complicada de ser realizada a partir de dados experimentais, especialmente devido a dificuldade associada às medidas das flutuações de pressão, que são necessárias para a determinação do termo de correlação de pressão. Desta forma, empregando a simulação dos grandes turbilhões (LES, do inglês Large Eddy Simulation), todos os termos da equação de balanço de ECT foram determinados para a CLC. A partir desses dados, foram ajustados polinômios que descrevem os perfis verticais dos termos de transporte para a CLC. Os polinômios obtidos fornecem uma boa descrição dos dados da simulação LES, e em função deles é mostrado que uma formulação simples, que se relaciona com os termos de transporte a partir da ECT, apresenta vantagens em relação a outras paramametrizações comumente empregadas em modelos numéricos para a CLC. Além disso, o presente estudo mostra que o termo de transporte turbulento domina sobre o transporte devido a flutuações de pressão, e que para a maior parte da extensão vertical CLC estes dois termos tem sinais opostos. A simulação consiste em um ciclo diário da CLP, utilizando como forçante de superfície dados obtidos experimentalmente, assim o experimento numérico representa um caso mais realista que uma simulação de CLC estacionária.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior The focus of the present thesis is the nocturnal atmospheric boundary layer, under very stable conditions. In such situation, the turbulence production by the vertical wind shear may have similar magnitude to the total turbulence destruction by the thermal stratification and molecular dissipation terms. Besides being in near balance, the turbulence production and destruction are, each of them, functions of the turbulence intensity itself. This condition causes situations on which the system behaves on a manner different than that expected from each of its parts individually. Such processes are characterized, in the present study, as paths to complexity, and are analyzed separately in the different chapters that compose the thesis. In chapter 2, the coupling state between the surface and the top of the stable boundary layer (SBL) is investigated using four different schemes to represent the turbulent exchange. An idealized SBL is assumed, with fixed wind speed and temperature at its top. The formulations compared are those that solve a prognostic equation for turbulent kinetic energy (TKE) and those that directly prescribe turbulence intensity as a function of atmospheric stability. The formulation influence on the coupling state is analyzed and it is concluded that, in general, the simple TKE formulation has a better response, although it also tends to overestimate turbulent mixing. The consequences are discussed. In chapter 3, a simplified new model for the exchange between the surface and the atmosphere under stable conditions is proposed. Its main difference from previous works consists in the fact that the turbulent intensity is determined by a prognostic equation for turbulent kinetic energy (TKE), rather than by using stability functions that arbitrarily relate it to atmospheric stability. Its main novelty is the fact that, when multiple atmospheric levels are considered, it leads to complex solutions, characterizing the occurrence of the phenomenon known as global intermittency. The vertical structure of the intermittent events is analyzed, and it shown that they are generated at the surface by a local shear increase above a threshold, propagating upward through the turbulence transfer term in the TKE equation. It is proposed that such events constitute a natural characteristic of the disconnected SBL, which occurs along with low large-scale winds and clear skies. Chapter 4 is devoted to the purpose of showing that the use of stability functions that represent the turbulence intensity as its average dependence on atmospheric stability reduces the number of degrees of freedom of the system, precluding it from reaching complex solutions. Finally, in chapter 5, a detailed system dynamics analysis is applied to the model proposed in chapter 3, with the aim of identifying whether it is or not chaotic. It is shown that the system bifurcates as the wind speed at the SBL top increases, reaching period 3 for a range of situations, a sufficient condition for chaos existence. Furthermore, positive Lyapunov exponents are found, again confirming the chaotic character of the system. It is shown that the complexity arises from the nonlinear interactions between the different vertical levels considered, through the vertical turbulence transport terms. O foco da presente tese é a camada limite atmosférica noturna, sob condições estáveis. Nesta situação, a produção de turbulência pelo cisalhamento vertical do vento pode ter magnitude similar à destruição total de turbulência devido à estratificação térmica e a dissipação molecular. Além de serem próximos no balanço, a produção de turbulência e a destruição são, cada um deles, funções da intensidade turbulenta. Esta condição causa situações nas quais o sistema se comporta de maneira diferente do que o esperado para cada uma de suas partes individualmente. Tais processos são caracterizados, no presente estudo, como caminhos para a complexidade, e são analisados separadamente em diferentes capítulos que compôem a tese. No capítulo 2, o estado de acoplamento entre a superfície e o topo da camada limite estável (CLE) é investigado usando 4 diferentes esquemas para representar a intensidade turbulenta. Uma CLE idealizada é assumida, com velocidade do vento e temperatura fixas no seu topo. As formulações comparadas são aquelas que resolvem uma equação prognóstica para a energia cinética turbulenta (ECT) e as que prescrevem diretamente a intensidade turbulenta como uma função da estabilidade atmosférica. A influência da formulação no estado de acoplamento é analisada e é concluído que, em geral, a formulação simples de ECT tem a melhor resposta, embora esta tenda a superestimar a mistura turbulenta. As consequências são discutidas. No capítulo 3, um novo modelo simplificado para interação entre a superfície e a atmosfera em condições estáveis é proposto. A principal diferença com relação a estudos anteriores, consiste no fato que a intensidade turbulenta é determinada por uma equação prognóstica para a ECT, ao invés de usar funções de estabilidade que são arbitráriamente relacionadas com a estabilidade atmosférica. A principal novidade é o fato que, quando multipos níveis atmosféricos são considerados, este apresenta soluções complexas, caracterizando a ocorrência do fenômeno conhecido como intermitência global. A estrutura vertical dos eventos intermitentes é analisada, e esta mostra que os eventos são gerados na superfície pelo aumento local do cisalhamento acima de uma fronteira, propagando-se para cima através do termo de transporte turbulento na equação da ECT. É proposto que tais eventos constituam uma característica natural da CLE desconectada, a qual ocorre em condições de ventos de grande escala fracos e com céu claro. O capítulo 4 tem como propósito mostrar que o uso de funções de estabilidade que representam a intensidade da turbulência como a dependência média desta com a estabilidade atmosférica, reduz os graus de liberdade do sistema, assim evitando que este encontre soluções complexas. Finalmente, no capítulo 5, uma análise dinâmica detalhada é aplicada no modelo proposto no capítulo 3, com meta de identificar se este é caótico ou não. É mostrado que as soluções do sistema bifurcam-se com o aumento da velocidade do vento no topo da CLE, encontrando soluções com período 3 para um intervalo de situações, uma condição suficiente para a existência de caos. Além disso, expoentes de Lyapunov positivos são encontrados, novamente confirmando o caráter caótico do sistema. É mostrado que a complexidade surge através de interações não lineares entre os diferentes níveis verticais considerados, através do termo de transporte vertical de turbulência.

The Nocturnal Boundary Layer (NBL) turbulent structure above Pantanal Mato-Grossense, under the influence of low-level jets (LLJ) and gravity waves (GW), is investigated. Experimental data obtained during the Interdisciplinary Pantanal Experiment (IPE) dry season (IPE-2), and wet season (IPE-3), carried out between 07th and 22th September, 1999, and 16th and 28th February, 2002, respectively, according to database from Universidade Federal do Mato Grosso, city of Corumbá. Radiosonde data have been used to identify LLJ presence and classify them as: type 1 LLJ (jet associated to the sheltering surface) and type-2 LLJ (jet which causes upside-down mixture). In addition to the radiosonde data, fast response data (wind velocity components, temperature and humidity), measured from a 25m high micrometeorological tower, at 16Hz (IPE- 2) and 8Hz (IPE-3) samples were used. These fast response data were then decomposed in time and scale via Wavelet Transform (WT), with complex Morlet mother wavelet. From the phase difference between the wind velocity s vertical component (w) and temperature (T), obtained through wavelet s cross spectrum, the presence of GW (phase difference near to 90º criterion) were detected. The next step was to establish categories to analyse Pantanal NBL characteristic state phenomena, which were based on LLJ, GW and length groups of occurrence. Such groups are: type 1 LLJ, type 2 LLJ, no LLJ, with GW and no GW. From the amount of data of each group, statistic parameters (variance, skewness, adimensional kurtosis, correlation coefficients and covariances) were estimated by scale, in order to investigate the Pantanal NBL turbulence structure and its variability in scale under the action of each of these groups. It was noticed that, above all groups, type 1 LLJ is the most global intermittence provocative forcing in all micrometeorological series of data in Pantanal. On the other hand, type 2 LLJ is the less global intermittence provocative forcing. With GW group shows an intermediate behavior between groups type 1 LLJ and type 2 LLJ when considering global intermittence promotion. The length scales 0.4m to 5000m were resolved in this study. It was also noticed that Pantanal NBL shows two scale bands with remarkable different characteristics due to predominant distinct forcings in it. For the first length scale band it prevails a mechanical force in the statistical parameters behavior, to all groups and in both seasons. For the second length scale band it prevents the action of buoyancy forces and mesoscale effects in the statistical parameters behavior in Pantanal. As a result, it predominate stable conditions in the dry season; in the wet season, however, NBL may present as a slightly unstable layer, due to a bigger water heat capacity and its ability to behave as a energy sink during the day and heat source during the night. The early evening transition period clearly shows a stable behavior to the dry season and unstable to the wet season. Investiga-se a estrutura da turbulência na Camada Limite Noturna (CLN) acima do Pantanal Mato-Grossense sob a influência de jatos de baixo nível (JBN s) e ondas de gravidade (OG s). Os dados experimentais são provenientes do Experimento Interdisciplinar do Pantanal (IPE), na estação seca (IPE-2), realizado no período entre 07 e 22 de Setembro de 1999, e na estação inundada (IPE-3), realizado no período entre 16 e 28 de Fevereiro de 2002, na base de estudos da Universidade Federal do Mato Grosso do Sul, no município de Corumbá. Utilizaram-se dados de radiossondagens para identificar a presença e classificar os JBN s como: JBN tipo 1 (jato associado à blindagem da superfície) e JBN tipo 2 (jato que promove mistura de cima para baixo). Além dos dados de radiossondagem, utilizaram-se dados de resposta rápida (componentes da velocidade do vento, temperatura e umidade) medidos em torre micrometeorológica de 25m de altura a uma taxa de amostragem de 16Hz (IPE-2) e 8Hz (IPE-3). Os dados de resposta rápida foram decompostos em tempo e escala via Transformada em Ondeletas (TO), com ondeleta-mãe complexa de Morlet. A partir da diferença de fase entre a componente vertical da velocidade do vento (w) e temperatura (T), obtida através do espectro cruzado de ondeleta, detectou-se a presença de OG s (critério de diferenças de fase próximas de 90º).A partir disso estabeleceram-se categorias para análise de fenômenos característicos do estado da CLN pantaneira, as quais, se basearam em classes de ocorrência de JBN, de OG e duração das mesmas. As classes são: com JBN tipo 1, com JBN tipo 2, sem JBN, com OG e sem OG. A partir do conjunto de dados de cada classe, foram estimados parâmetros estatísticos (variâncias, skewnesses, curtoses adimensionais, coeficientes de correlação e covariâncias), por escala, para investigar a estrutura da turbulência na CLN do Pantanal e sua variabilidade em escala sob a ação de cada uma dessas classes. Observouse que o JBN tipo 1, entre todas as classes, é o forçante que mais promove intermitência global nas séries de dados micrometeorológicos do Pantanal. Por outro lado, a classe JBN tipo 2 é o forçante que menos promove intermitência global. A classe com OG apresenta um comportamento intermediário entre as classes JBN tipo 1 e JBN tipo 2 na promoção de intermitência global. Foram resolvidas escalas de comprimento de 0,4m até 5000m. Observou-se, também, que a CLN do Pantanal apresenta duas bandas de escalas com características marcadamente diferentes devido aos forçantes distintos predominantes nas mesmas. Para a primeira banda de escalas de comprimento predomina a ação mecânica no comportamento dos parâmetros estatísticos, para todas as classes e nas duas estações. Para a segunda banda de escalas de comprimento predomina a ação das forças de flutuabilidade e efeitos de mesoescala no comportamento dos parâmetros estatísticos no Pantanal. Como consequência disto, na estação seca predominam condições estáveis e na estação inundada, a CLN pode apresentar-se como uma camada levemente instável, devido a maior capacidade térmica da água e de sua capacidade de comportar-se como sumidouro de energia durante o dia e fonte de calor durante a noite. O período de transição tarde-noite demonstra claramente um comportamento estável para a estação seca e instável para a estação inundada.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Turbulent flow high complexity makes it difficult to describe complex phenomena, such as the transport of vector and scalar quantities at the lower atmosphere, making the analysis of experimental data, such as time series, largely employed. The method mostly used by the micrometeorological community to quantify such turbulent transport is associated with the determination of the statistical covariance between two variables. It is known that the determination of statistical quantities for very long temporal windows leads to a large flux uncertainty. At the same time, the theory indicates that the association between fluxes and statistical covariance is only valid for temporally stationary series. The aim of the present study is to test the hypothesis that the estimate uncertainty is directly related to the series non-stationarity. To better understand this issue, we use a methodology based on a group of parametric and nonparametric statistical tests. The tests considered here are the T-test, F-test, median test, U-test and run test. Furthermore, the test results are compared with the outputs of two signal decomposition procedures: multiresolution analysis and empirical mode decomposition. The results suggest that the flux variability over large temporal scales characterizes the existence of temporal trends and low frequency components in the time series considered, so that it is more associated with an observational limitation of the analysis than with non-stationarity, as this concept should be the property of an ensemble, rather than of a single realization. Such limitation suggests the definition of a practical single order stationarity, associated with temporal trends and low frequency components whose energy is similar or larger to that of the turbulent fluctuations. For that reason, we affirm that the interactions test is, among all considered, the best suited for analyzing atmospheric data, because it is the most sensible to the existence of temporal trends. Furthermore, such test allows obtaining a temporal scale beyond which mesoscale events become important. A complexidade de escoamentos turbulentos causa dificuldade para a descrição de fenômenos complexos, como o transporte de grandezas vetoriais e escalares na baixa atmosfera, fazendo com que a análise de dados experimentais, principalmente séries temporais, seja amplamente utilizada. O método mais utilizado pela comunidade micrometeorológica para quantificar esse transporte pela turbulência está associado à determinação da covariância entre duas variáveis. Sabe-se que a determinação de quantidades estatísticas para janelas temporais muito longas resulta em uma grande incerteza nos valores dos fluxos obtidos através desse método. Ao mesmo tempo, a teoria indica que o procedimento de associar fluxos a covariâncias estatísticas só vale para séries temporalmente estacionárias. O objetivo deste trabalho é testar a hipótese de que a incerteza das estimativas esteja relacionada diretamente com a não-estacionariedade das séries temporais. Para entendermos melhor isso, usamos uma metodologia baseada em um conjunto de testes estatísticos paramétricos e não-paramétricos de hipótese nula. Os testes considerados são o teste-T, teste-F, teste da mediana, teste-U e o teste das interações. Os resultados dos testes são ainda comparados com os obtidos com dois métodos de decomposição de sinais: a análise de multiresolução e a Decomposição Empírica de Modos. Os resultados sugerem que a variabilidade dos fluxos nas grandes escalas temporais está associada diretamente com a presença de tendências e componentes de baixa frequência nas séries analisadas, e que este fato está mais ligado à limitação observacional em que a análise é realizada do que propriamente com a não-estacionariedade, já que esta última é uma propriedade de ensemble e não de apenas uma realização. Esta limitação sugere a definição de um conceito mais prático de estacionariedade de primeira ordem, que seja associado à presença de tendências ou componentes de baixa frequência com energias da ordem ou maiores que a energia das escalas turbulentas. Por esse motivo podemos afirmar que na análise de dados atmosféricos o teste das interações mostrou-se, entre todos os considerados, o mais sensível à presença de tendências, permitindo inclusive a obtenção de uma escala temporal na qual os eventos de meso/submesoescala ganham importância.

The planetary boundary layer (PBL) is a physical system presenting a variety of complex states characterized by the turbulence phenomenon. An understanding of the turbulence patterns and its structural details is of fundamental importance in large and small meteorological scales and atmospheric dispersion. From the numerical point of view, the PBL turbulence has been investigated employing LES models. In LES, only the energy-containing eddies of the degrees of freedom of the turbulent field are explicitly resolved and the effect of the smaller, more isotropic eddies, needs to be parameterized. Modeling these residual turbulent motions, which are also termed subfilter-scale motions, is in large part a phenomenological procedure based on heuristic arguments. These movements are called subfiltro or subgrade and the description of its effects is a major problem in the formulation models of large eddy simulation. Therefore, the derivation of subfilter viscosities expressed in terms of a cutoff wave number is a fundamental procedure in LES methodology. The purpose of the present study is to derive a new turbulent subfilter viscosity based on the energy at cutoff from the Taylor statistical diffusion theory. As an additional purpose, this new viscosity is used in a LES model to obtain a new profile of the vertical velocity skewness in the convective boundary layer (CBL). A comparison between the results of the skewness generated by the LES simulation with the observed skewness values in surface shows that the calculated numerically values are consistent with those observed. Vertical profiles of the simulated skewness by the LES is employed in a Lagrangian stochastic diffusion model to reproduce the contaminants concentrations measured during the Prairie Grass experiment. This new profile simulated from the LES can be used in diffusion models to reproduce the observed contaminants concentrations. A camada limite planetária (CLP) é um sistema físico que apresenta uma variedade de estados complexos caracterizados pelo fenômeno da turbulência. O entendimento dos padrões de turbulência e os seus detalhes estruturais é de fundamental importância nas grandes e pequenas escalas meteorológicas e na dispersão atmosférica. Do ponto de vista numérico, a turbulência na CLP tem sido investigada empregando Large Eddy Simulation Models (LES). Nos modelos de Simulação dos Grandes Turbilhões, os graus de liberdade contendo a energia principal do campo turbulento são resolvidos explicitamente, enquanto o efeito dos menores e mais isotrópicos é parametrizado. A modelagem destes movimentos turbulentos menores e residuais é normalmente baseada em argumentos heurísticos. Tais movimentos são também chamados de subfiltro ou subgrade e a descrição dos seus efeitos constitui um problema fundamental na construção de modelos de Simulação dos Grandes Turbilhões. Desta forma, a derivação de viscosidades de subfiltro expressa em termos do número de onda de corte é um procedimento fundamental na metodologia LES. O objetivo do presente estudo é derivar uma nova viscosidade turbulenta de subfiltro baseada teoria de difusão estatística de Taylor. Como um objetivo adicional, esta nova viscosidade será empregada em um modelo LES para se obter um novo perfil do skewness da velocidade vertical turbulenta na camada limite convectiva (CBL). Uma comparação entre os resultados do skewness gerado pela simulação LES com dados observados do skewness na superfície mostra que os valores modelados estão de acordo com os observados. O perfil vertical do skewness simulado pelo LES é empregado em um modelo estocástico de difusão Lagrangiano para reproduzir as concentrações de contaminantes medidas durante o experimento de Prairie Grass. Este novo perfil de skewness simulado a partir do LES pode ser usado em modelos de difusão para reproduzir concentrações observadas de contaminantes.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico This study employed different autocorrelation functions and Maclaurin series expansions in the derivation of expressions describing the dissipation rate of turbulent kinetic energy. These expressions have the same functional form, but are described in terms of different numerical coefficients. The values obtained for the numerical coefficients were used in a Lagrangian stochastic dispersion model to simulate the dispersion of contaminants in the Planetary Boundary Layer (PBL). The simulation results were compared with concentration data observed in the Copenhagen experiment. The good performance of the parameterization and analysis through statistical indices showed that the mathematical relationships that describe the turbulent dissipation rate present an uncertainty. The analysis developed in this study indicates that there is no a universal functional form describing the dissipation rate of turbulent energy. Neste estudo foram empregadas diferentes funções de autocorrelação e expansões em série de Maclaurin na derivação de expressões que descrevem a taxa de dissipação da energia cinética turbulenta. Estas expressões apresentam a mesma forma funcional, porém são descritas em termos de diferentes coeficientes numéricos. Os valores obtidos para os coeficientes numéricos foram empregados em um modelo de dispersão estocástico Lagrangiano para simular a dispersão de contaminantes na Camada Limite Planetária (CLP). Os resultados das simulações foram comparados com dados de concentração do experimento de Copenhagen. O bom desempenho da parametrização e a análise através de índices estatísticos permitiram concluir que as relações matemáticas que descrevem a taxa de dissipação da turbulenta, apresentam uma incerteza. A análise desenvolvida nesse estudo permite concluir que não existe uma forma funcional universal descrevendo a taxa de dissipação de energia turbulenta.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior In this paper we present a spectral model to describe the decay of turbulent kinetic energy in the Convective Boundary Layer (CLC) of the earth s surface, where the physical processes that occur generate turbulence of convective origin and mechanics in the air. Using the equations of conservation of time, which describe the dynamics of an element of fluid in a flow, you get an equation for the spectrum of kinetic energy in a homogeneous turbulent flow, but not isotropic. The spectrum of energy is expressed in terms of number of wave vector kappa and time. Each term in this equation of energy balance, describing different physical processes that generate the turbulence. The terms of production or loss of energy by the effect of heat and friction, are written according to the number of Richardson, which is a dimensionless quantity that expresses a relationship between potential energy and kinetic energy of a fluid. The term transfer of kinetic energy by inertial effect between eddies of different wave numbers is parameterized from the Heisenberg model which, based on intuitive arguments, assume that the transfer of energy between eddies with small number of wave for the large number of wavelength is similar to conversion of mechanical energy into heat energy, the effect of molecular viscosity. The number of eddies with wave absorbing higher energy of eddies of wave number with lower. The dynamic equation for the three-dimensional spectrum of kinetic energy obtained was solved by the Adomian decomposition method for the analytical solution of ordinary differential equations or partial, linear or nonlinear, deterministic or stochastic. This technique is to decompose a given equation into a linear part and one non-linear, isolating the operator linear, easily inverted of higher order. The nonlinear term is written as a sum of a special class of polynomials called Adomian polynomials of, and unknown function as a series whose terms are calculated on recursively. The application of the Adomian decomposition method for the solution of differential equation integrated non linear due to the spectrum of kinetic energy, has an analytical solution without linearization, commonly used for simplicity, in problems where processes are highly nonlinear. Moreover, due to rapid convergence of the solution in terms of the Adomian polynomials, the spectrum of kinetic energy was obtained without a large computational effort. From the calculation of the energy spectrum could be determined the variation of turbulent kinetic energy in the CLC and compared with results of numerical simulation in the literature. No presente trabalho é apresentado um modelo espectral para descrever o decaimento da energia cinética turbulenta na Camada Limite Convectiva (CLC) da superfície terrestre, onde acontecem os processos físicos que geram turbulência de origem mecânica e convectiva no ar. Partindo das equações de conservação de momento, que descrevem a dinâmica de um elemento de fluído em um escoamento, se obtém uma equação para o espectro de energia cinética em um escoamento turbulento homogêneo, mas não isotrópico. O espectro de energia é expresso em termos do vetor número de onda κ e do tempo. Cada termo, nesta equaçaão de balanço de energia, descreve processos físicos distintos que geram a turbulência. Os termos de produção ou perda de energia por efeito térmico e por atrito, são escritos em função do número de Richardson, que é uma grandeza adimensional que expressa uma relação entre a energia potencial e a energia cinética de um fluído. O termo de transferência de energia cinética por efeito inercial entre os turbilhões de diferentes números de onda é parametrizado a partir do modelo de Heisenberg que, baseando-se em argumentos intuitivos, assume que o processo de transferência de energia entre turbilhões com pequeno número de onda para os de número de onda grande, é similar a conversão de energia mecânica em energia térmica, por efeito de uma viscosidade molecular. Os turbilhões com número de onda maior absorvem energia dos turbilhões com número de onda menor. A equação dinâmica para o espectro de energia cinética tridimensional obtida foi resolvida pelo método da decomposição de Adomian para solução analítica de equações diferenciais ordinárias ou parciais, lineares ou não lineares, determinísticas ou estocásticas. Esta técnica consiste em decompor uma dada equação em uma parte linear e outra não-linear, isolando o operador linear, facilmente inversível, de maior ordem. O termo não-linear é escrito como uma soma de uma classe especial de polinômios, denominados Polinômios de Adomian, e a função desconhecida como uma série, cujos termos são calculados de forma recursiva. A aplicação do método de decomposição de Adomian na solução da equação integro-diferencial não linear resultante para o espectro de energia cinética, permitiu uma solução analítica sem a linearização, comumente usada por simplicidade, em problemas onde se têm processos altamente não lineares. Além disso, devido a rápida convergência da solução expressa em termos dos polinômios de Adomian, o espectro de energia cinética foi obtido sem uma grande esforço computacional. A partir do cálculo do espectro de energia pôde-se determinar a variação da energia cinética turbulenta na CLC e comparar com os resultados de simulação numérica existentes na literatura.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior In this study, using the Method of Characteristics and numeric resources, presents a solution to the equation Spectral Density Evolution of Turbulent Kinetic Energy for a Convective Boundary Layer (CBL) in the morning. It presents three models for the evolution of spectral energy density. The first model, based on the assumption of a system of isotropic turbulence, considering only terms of energy transfer inertial and viscous dissipation. The second model adds the term energy production due to the onset of action of the parameter of heat flux on the surface, but consider it a term of energy transfer inertial anisotropy. The third model employs a mixed configuration of the two previous models, assuming thus distinct regions of operation to inertial transfer terms. The results shaped the evolution of the CLC. In this case, the growth of the energy spectrum is modeled by inserting energy in the region of low wave numbers, a region in which the term of anisotropic energy transfer can not transfer the energy introduced by the energy production term. It is observed that in a region of wave number higher there is a stabilization of the parameter variation temporal on the plane characteristics curves (PCC), indicating that the variation of wave number govern the evolution of the energy spectrum. This fact establishes a kind of criterion for stationarity of turbulent flow regimes. No presente trabalho, utilizando o Método das Característica e recursos numéricos, apresenta-se uma solução para a Equação de Evolução Espectral de Densidade de Energia Cinética Turbulenta para uma Camada Limite Convectiva (CLC) no período da manhã. Apresenta-se três modelos para a evolução espectral da densidade de energia. O primeiro modelo, baseado na suposição de um regime de turbulência isotrópica, considera apenas termos de transferência de energia inercial e de dissipação viscosa. O segundo modelo adiciona o termo de produção de energia devido o início da ação do parâmetro de fluxo de calor na superfície, porém considerá-se um termo de transferência de energia inercial anisotrópico. O terceiro modelo emprega uma configuração mista dos dois modelos anteriores, admitindo, desta forma, regiões distintas de atuação para os termos de transferência inercial. Os resultados obtidos modelaram a evolução da CLC. Neste caso, o crescimento do espectro de energia modelado se deu pela inserção de energia na região de baixos números de onda, região em que o termo de transferência de energia anisotrópico não consegue transferir a energia inserida pelo termo de produção de energia. Observa-se que em uma região de número de onda mais alto existe uma estabilização da variação do parâmetro temporal sobre as curvas características planas (CCP), indicando que a variação do número de onda governará a evolução do espectro de energia. Fato que estabelece um tipo de critério de estacionariedade para de regimes de escoamento turbulento.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico In this thesis, we presents a development and validation of a 3D numerical model for the advection-diffusion equation. Models of this kind has been developed for scientific investigations and to support atmospheric emissions control and environmental policy decisions. To develop this model, we used the computational implementation of an explicit numerical scheme for the discretization of the envolved equations. During this procedures, exaustive tests were performed to ensure that the used implementations agrees to the stability, consistence and convergence criterias. As a way for minimizing one of the main deficiences found in almost the major atmospheric dispersion models, i.e. imprecisions in the meteorological input data for initializing this models, we used a realistic atmospheric flow field generated by mesoscale circulation model. As the mesoscale model gives information at scale larger than the necessary for description of a plume trajectory, a weighted linear average proper interpolation was developed for intermediate these distances. Our model considers the assumption that atmospheric turbulence is not isotropic, where diffusion coefficients are variables in time and space and are different for lateral and vertical directions. In our model we estimate this coefficients by the atmospheric boudary layer parameterizations proposed byMoraes (2000). For validation of themodel, we used experimental datasets from field experiment carried near a thermoelectric power plant presidente Médici, in the city of Candiota/RS. These datasets contains surface SO2 concentrations, surface wind velocity measured in meteorological towers as well as turbulence data measured in micrometeorological towers. The results of the validation indicates that the model works well, at least for the source and the terrain were it is located. i.e. continuous emission and homogeneous topography. Nesta tese, apresentamos o processo de desenvolvimento e validação de um modelo numérico 3D para a equação de difusão-advecção. Modelos como este têm sido desenvolvidos objetivando a investigação científica para dar suporte ao controle de emissões de poluentes atmosféricos e à tomada de decisões no desenvolvimento de políticas ambientais. Para a elaboração deste modelo utilizamos a implementação de um esquema numérico explícito na discretização das equações envolvidas. Durante este processo, exaustivos testes foram realizados para que a implementação garantisse estabilidade, consistência e convergência. Como forma de minimizar uma das principais deficiências encontradas na maioria dos modelos de dispersão atmosféricos (MDA), qual seja, a imprecisão da entrada de dados meteorológicos para a inicialização destes modelos, utilizamos um campo de vento realístico gerado por um modelo numérico de circulação de mesoescala. No entanto, como este modelo de mesoescala fornece informações com uma escala maior do que a necessária para a descrição da trajetória de uma pluma, foi preciso desenvolver um método de interpolação apropriado para intermediar estas distâncias. Nosso modelo contempla, ainda, a hipótese da turbulência atmosférica não ser isotrópica, onde os coeficientes de difusão turbulenta são variáveis no tempo e espaço e, ainda, diferentes nas direções lateral e vertical. Em nosso modelo, estes coeficientes foram estimados utilizando a parametrização de camada limite proposta por Moraes (2000). Para a validação do modelo, utilizamos dados experimentais obtidos em um experimento realizado próximo à usina termelétrica Presidente Médici, no município de Candiota/RS. Estes dados compreendem medidas de concentração superficial de SO2, velocidade do vento em superfície medidos em torres meteorológicas, bem como dados de turbulência medido em torre micrometeorológica. Os resultados da validação mostraram que o modelo funciona bem, ao menos para o tipo de fonte e topografia onde está localizada, ou seja, emissão contínua e topografia homogênea.