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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.

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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.

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.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior In the present study, using the Generalized Integral Transform Technique (GITT), we derive a semi-analytical solution of the Navier-Stokes equation to obtain the mean wind profile in the atmospheric boundary layer. The technique combines series expansion and an integration employing an inverse-transform pair. The PBL is discretized into N sub-intervals in such manner that inside each sub-region the eddy diffusivity is the average value, this allows the use of realistic eddy diffusivity profiles, which depend on the physical characteristics of the energy-containing eddies. The nonlinear terms are written in terms of kinematical properties of the flow, such as divergence and vorticity, allowing the solutions to be interpreted in terms of large-scale synoptic conditions. The model results are compared to observed wind profiles obtained from the classical Wangara experiment. In addition, the results obtained by the proposed model are compared with the unidimensional model solved by the method of discretization, the model of two layers, with the logarithmic law and the Ekman model. The method used was efficient for the problem studied, since it has presented results consistent with those available in literature. No presente estudo, usando a Técnica da Transformada Integral Generalizada (GITT), deriva-se uma solução semianalítica para as Equações de Navier-Stokes aplicada à Camada Limite Planetária (CLP). A técnica combina uma expansão em série com uma integração por meio de um par de transformada-inversa. A CLP é discretizada em N subintervalos de maneira que, dentro de cada sub-região, os coeficientes de difusão assumam valores médios, o que nos permite utilizar perfis mais realísticos para o coeficiente de difusão e que dependem das características dos turbilhões mais energéticos. Os termos não-lineares são escritos em função das propriedades cinemáticas do escoamento, como divergência e vorticidade, permitindo que a solução seja interpretada em termos das condições sinóticas de grande escala. O desempenho do modelo estudado foi comparado com dados experimentais de vento medidos durante os experimentos de Wangara. Adicionalmente, os resultados obtidos através do modelo proposto são comparados com o modelo unidimensional resolvido pelo método de discretização, com o modelo de duas camadas, com a Lei Logarítmica e com o modelo de Ekman. O método empregado mostrou-se eficiente para o problema estudado, uma vez que apresentou resultados coerentes com os disponíveis na literatura.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior The PBL is the region on the troposphere characterized by existence of turbulence (BUSINGER, 1981). Turbulent flow is that when the fluctuations of the variables that describe the flow are amplified in time and space (LANDAU; LIFSHITZ, 1959). The study of the planetary boundary layer (PBL) through the computational fluid dynamics, particularly the large eddie simulation (LES) is an important tool and driven by constant improvement of computing resources. The use of numerical simulations has some advantages over other techniques because it gives a full description of the vertical extent of the PBL. However, it also shows its limitations by simplifications in the equations solved and approximations of numerical methods. The technique employed in the construction of LES models utilizes the volumeavarege to solve the equations of motion for a particle of fluid. With this procedure is expects to solve these equations for large eddies, in which it is believed to be the most turbulent kinetic energy. We solved this scale. Therefore, we solve the scales associated to the large eddies. The rest of the turbulent scales, that is, the smaller scales are approximated by a subfilter or subgrid model. The separation between the scales resolved and subfilter is made by a process of filtering. The width of this filter is directly related to resolution of the grid computing. In this work we establish a comparison between the results obtained from the Moeng s LES model (MOENG, 1984) with experimental data obtained in the PBL. In addition, are accomplished comparisons with results from other models. Futhermore, were generated turbulent statisticals, which describe the flow in approch based on the turbulent statistical theory. To perform this task, were used for initial conditions and forcing the surface to a good weather day at the experimental site of Candiota. The performance of the LES model to reproduce the experimental data was considered satisfactory. However, the model was less effective in simulating the turbulent night. For this period is necessary a higher resolution grid. A CLP é a região da troposfera caracterizada pela existência da turbulência (BUSINGER, 1981). Um escoamento turbulento é aquele no qual as flutuações das variáveis que descrevem o escoamento são amplificadas no tempo e no espaço (LANDAU; LIFSHITZ, 1959). O estudo da camada limite planetária (CLP) através da dinâmica de fluidos computacional, sobretudo a simulação dos grandes turbilhões (LES), é uma ferramenta bastante empregada e impulsionada pelo constante aprimoramento dos recursos computacionais. O uso de simulações numéricas apresenta algumas vantagens em relação a outras técnicas pois fornece uma descrição completa da extensão vertical da CLP. No entanto, também apresenta suas limitações através de simplificações nas equações resolvidas e aproximações dos métodos numéricos. A técnica empregada na construção do modelo LES consiste na utilização de médias de volume para resolver as equações de movimento para uma partícula de fluido. Com isto espera-se resolver estas equações para os grandes turbilhões, nos quais acredita-se estar a maior parte da energia cinética turbulenta. Chamamos esta escala de resolvida. O restante das escalas, ou seja, as menores escalas do escoamento são aproximadas por um modelo de subfiltro ou subgrade. A separação entre as escalas resolvidas e de subfiltro é realizada por um processo de filtragem. A largura deste filtro está diretamente relacionada a resolução da grade computacional. Neste trabalho propõem-se uma comparação entre os resultados obtidos a partir do modelo LES de Moeng (MOENG, 1984) com dados experimentais obtidos na CLP. Além disto, são realizadas comparações com resultados de outros modelos. Adicionalmente, foram geradas estatísticas turbulentas, que descrevem o escoamento em uma aproximação baseada na teoria estatística da turbulência. Para isso foram utilizadas condições iniciais e forçantes de superfície para um dia de bom tempo do sítio experimental de Candiota. O desempenho do modelo LES em reproduzir os dados experimentais foi considerado satisfatório. Entretanto o modelo se mostrou menos eficaz em simular a turbulência noturna. Para tal período se faz necessária uma maior resolução de grade.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico This work presents a comparative study between precipitation and air temperature measurement observed at a wether station, located in Veranópolis RS, with data obtained from the BRAMS (Brazilian Regional Atmospheric Modeling System)atmospheric model with different spatial resolutions (5, 10 and 20 kilometers). The data used in this study collected in northeastern Rio Grande do Sul are the precipitation and temperatures (maximum, minimum and average). The period of data were analyzed six months, three in winter (June, July and August, 2007) and three months in summer (December 2007 and January and February 2008). The results show that the numerical model gets the best results of precipitation in the grid of 20 km, and the temperature is well reproduced in three grid. Este trabalho apresenta um estudo comparativo entre os dados de precipitação e temperatura do ar observados em uma estação demonitoramento do clima, localizada em Veranópolis- RS, com os dados obtidos a partir do modelo atmosférico BRAMS (Brazilian Regional Atmospheric Modeling System), com diferentes resoluções espaciais (5, 10 e 20 quilômetros). Os dados utilizados neste estudo coletados no nordeste do Rio Grande do Sul são a precipitação e temperaturas (máxima, média e mínima). O período de dados analisados foram seis meses, três no inverno (junho, julho e agosto de 2007) e três no verão (dezembro de 2007 e janeiro e fevereiro de 2008). Os resultados obtidos mostram que o modelo numérico obtém melhores resultados de precipitação na grade de 20 km, e a temperatura é bem reproduzida nas três grades.

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Amazonas The LBA (Large Scale Biosphere-Atmosphere in Amazônia) project has been using the eddy covariance technique since 1998 to continuously monitor the surface fluxes of energy, water vapor and carbon over Amazônia. The results obtained up to now indicate high level of uncertainties, especially regarding the role of the Amazonian ecosystem to the global carbon budget. Besides the problems related with the Eddy measure system (systematic error and nighttime stable conditions), there is an important factor associated with the averaging time scale or time window used by the scientific community to determine the surface fluxes. This work focuses on the determination of the nocturnal turbulence time scale for long term surface fluxes (carbon, energy and water) over the Amazon rainforest. We used the multi-resolution decomposition technique to project the signal into several time scales and determine when the spectral and co-spectral gap occurred. This technique permitted evaluating and separating the real contribution from turbulent and mesoscale fluxes to the total nocturnal surface fluxes. Our results indicate that the nighttime turbulence time scale is near 100 seconds. It suggests that the time averaging commonly used to calculate nocturnal surface fluxes (30 minutes), needs to be revised. Besides, our results show that, when the mesoscale flux contributions were included, the total nocturnal surface flux was generally underestimated. Desde 1998 o projeto LBA (Large Scale Biosphere-Atmosphere in Amazônia) vem monitorando continuamente os fluxos de energia, água e carbono na Amazônia utilizando o sistema de Covariância dos Vórtices (CV). Os resultados obtidos até agora apresentam um alto grau de incerteza, especialmente no que diz respeito ao papel do ecossistema amazônico no ciclo global do carbono. Além desses problemas relacionados com as medidas do sistema CV (erros sistemáticos e durante condições estáveis), um outro fator extremamente importante está relacionado com a escala de tempo janela de tempo usada pela comunidade científica para determinar os fluxos de superfície. Este trabalho consiste no esforço inicial em determinar essas escalas para as transferências noturnas (carbono, energia e água) para séries de longo prazo sobre a floresta Amazônica. Nós utilizamos a técnica de multiresolução para projetar o sinal em várias escalas de tempo e determinar quando ocorre a falha coespectral. Esta técnica permite avaliar a real contribuição da turbulência, bem como da mesoescala para o fluxo noturno total. Nossos resultados indicam que a escala de turbulência noturna (comprimento da falha) foi em media 100 s. isto sugere que a escala comumente empregada, que é de 30 min, deve ser revisitada, sobretudo para o sítio estudado. Além disso, os resultados mostram que quando adicionamos a contribuição de mesoescala ao fluxo total, em geral, isto provoca subestimativa das transferências noturnas.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES In this study the characteristics of the atmospheric turbulence were investigated in two sites of distinct topographies in the south of Brazil. In complex topography (Nova Roma do Sul), the data were measured by fast response sensors of 10Hz, in the months of June and July of 2002 and installed in a micrometeorological tower of 15m that if locates in the top of a valley of approximately 400m. For this site, was made a detailed description of the turbulence from the analysis intensity of turbulence of velocity wind and temperature normalized, fluxes superficial and spectra of Fourier of the wind speed in terms of the TSMO and separated second direction (parallel, transversal to the tower axis and transversal to the valley axis) and velocity wind (U < 1m/s and U > 1m/s)... Neste trabalho foram investigadas as características da turbulência atmosférica, em dois sítios de topografias distintas no sul do Brasil. Em topografia complexa (Nova Roma do Sul), os dados foram medidos por sensores de resposta rápida 10Hz, nos meses de junho e julho de 2002, e instalados em uma torre micrometeorológica de 15m que se localiza no topo de um vale de aproximadamente 400m. Para este sítio, foi feita uma descrição detalhada da turbulência a partir da análise dos parâmetros de intensidade da turbulência de velocidade do vento e temperatura, fluxos superficiais e espectros de Fourier de velocidade, parametrizados em termos da Teoria de Similaridade de Monin-Obukhov (TSMO) e separados de acordo com a velocidade (U < 1m/s e U > 1m/s) e direção do vento (paralela transversal ao eixo do vale e transversal ao eixo da torre)...

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Throughout this paper a spectral analysis is conducted on the superficial limit layer in complex terrains. The data used were collected in the central part of the state of Rio Grande do Sul, in the Valley of Jacuí River. A 15-meter tower, with fast-response sensors and slowresponse ones, collected data at frequencies of 10 Hz and 1 Hz, in July and August 2000, respectively. The time series were numeric analyzed through a piece of program developed in Fortran. The calculated spectra were classified according to stability class, intensity and direction of the wind speed. The spectra of the wind speed vertical component have a well-defined peak for all the analyzed conditions, except for the night series in which the wind direction is transverse to the valley axis. This same spectrum is in accordance with -5/3 Kolmogorov s law, with the beginning of the inertial sub-range in f ≈ 2 for winds that are parallel to the valley axis and any wind intensity. For winds transverse to the valley, the beginning of the inertial sub-range is in f ≈ 3. The frequencies associated with the spectral maxima are inferior to those observed in the Kansas experiment. Being superior in stable conditions when compared to convective ones in parallel conditions. In transverse conditions there is higher frequencies scattering for stable conditions. For parallel winds in stable conditions, the maximum no dimensional spectra are approximately 0.4 independently of z / L , and for convective conditions these maximum vary from 0.4 to 0.6. For transversal mean winds in stable conditions the high frequency vary from 0.4 to 0.5 and for convective conditions they are approximately 0.7. The spectra of the lateral components of velocity higher than 1m/s under stable conditions showed a cut frequency of ≈ 0.06 as initial number of this frequency, for all the cases in the low-frequency region. In the high-frequency region, the aliasing for all the parallel conditions starts at ≈ 5.0 and for transversal cases the starting point was at ≈ 10.0 . The consequences of the mesoescala movements are more important in the nocturnal boundary layer. The average time of ≈ 30 minutes renders contaminations in the computed flux measurements, since it captures mesoescala movements. The lateral spectra for convective conditions show an only spectral peak, highlighting that the importance of the thermal and mechanical effects have the same magnitude. In the region of low frequencies there is a scattering of data that could be explained by the factors associated with topographical influences. In the region of high frequencies the spectrum is in accordance with Kolmogorov s law, indicating, still under not homogeneous conditions, the presence of isotropic eddies. In convective and stable conditions with winds slower than 1m/s, the Kolmogorov s law is not applicable to most of the series; therefore such conditions were not analyzed in this study. For the different classes of z / L it is shown that the reason between vertical and horizontal spectra w u S / S fast increases until it reaches its isotropic number. For the parallel condition, we have a frequency of about f ≅ 2 and for the transverse case, about f ≅ 3. Neste trabalho faz-se uma análise espectral da turbulência na camada limite superficial em terrenos complexos. Os dados usados neste trabalho foram coletados no centro do estado do RS, no Vale do Rio Jacuí. Uma torre de 15 metros com sensores de resposta rápida e resposta lenta coletou dados com freqüências de 10 Hz e 1 Hz, respectivamente em julho e agosto de 2000. As séries temporais foram submetidas a um tratamento numérico a partir de um programa desenvolvido em Fortran. Os espectros calculados foram então classificados, conforme a classe de estabilidade, intensidade e direção da velocidade do vento. Os espectros da componente vertical da velocidade do vento, possuem um pico bem definido para todas as condições analisadas, excetuando-se as séries noturnas nas quais a direção do vento é transversal ao eixo do vale. Este mesmo espectro obedece a lei de -5/3 de Kolmogorov, com o início do sub intervalo inercial em f ≈ 2 para ventos paralelos ao eixo do vale e qualquer intensidade do vento. Para ventos transversais ao vale o início do subintervalo inercial ocorre em f ≈ 3. As freqüências associadas com os máximos espectrais são inferiores aquelas observadas no experimento e Kansas. E são maiores em condições estáveis do que em condições convectivas para condições paralelas. Para condições transversais existe um maior espalhamento nas freqüências para as condições estáveis. Para ventos paralelos em condições estáveis, os máximos espectrais adimensionais, são aproximadamente iguais a 0,4 independente de z / L , e para condições convectivas, estes máximos variam de 0,4 a 0,6. Para ventos médios transversais em condições estáveis, os máximos variam entre 0,4 e 0,5 e para condições convectivas, são de aproximadamente 0,7. Os espectros das componentes laterais da velocidade com ventos maiores que 1 m/s sobre condições estáveis mostraram uma freqüência de corte de ≈ 0,06 como valor de início desta freqüência para todos os casos na região de baixas freqüências. Na região de altas freqüências, o aliasing , para o caso de condições paralelas tem início em ≈ 5,0 e para os casos transversais o início foi em ≈ 10,0 . A conseqüência dos movimentos de mesoescala são mais importantes na camada limite noturna. O tempo de média de ≈ 30 minutos leva à contaminações do fluxo computado por capturar movimentos de mesoescala. Os espectros laterais para condições convectivas mostraram um único pico espectral, evidenciando-se que a importância dos efeitos térmicos e mecânicos são de mesma magnitude. Na região de baixas freqüências existe espalhamento de pontos que são explicáveis por fatores associados às influências topográficas. Na região de altas freqüências o espectro segue a lei de Kolmogorov indicando, ainda sobre condições de inomogeneidade, a presença de vórtices isotrópicos. Para condições convectivas e estáveis com ventos médios menores que 1 m/s, a lei de Kolmogorov não é verificada para a maioria das séries, e por esta razão não foi analisada neste estudo. Para as diferentes classes de z / L mostra-se que a razão entre os espectros vertical e horizontal w u S / S cresce rapidamente até atingir seu valor isotrópico. Para a condição paralela, temos uma freqüência em torno de f ≅ 2 e para o caso transversal, em torno de f ≅ 3.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior In this dissertation, it was estimated contaminants concentration in different stability conditions of the Planetary Boundary Layer. In order to do this, it was used the Lagrangian stochastic model. The experiments by Copenhagen and Prairie Grass were simulated, and to the last one it was used only experiments in which the wind speed was higher than 6m/s. In these simulations it was adopted the turbulence parameterization by Hanna (1982). The results were compared with the concentration field measured and simulated by Timm (2007), who used the turbulence parameterization achieved by Degrazia et al. (2000). The analysis of the results shows a better performance by the Lagrangian particles model when it is implemented the parameterization proposed by Degrazia et al. (2000). Nesta dissertação, estimou-se a concentração de contaminantes em diferentes condições de estabilidade da Camada Limite Planetária. Para tanto, utilizou-se um modelo de partículas estocástico Lagrangeano. Os experimentos de Copenhagen e Prairie Grass foram simulados, de modo que para o último usou-se apenas experimentos em que a velocidade do vento foi maior que 6m/s. Nestas simulações foi utilizada a parametrização da turbulência proposta por Hanna (1982). Os resultados foram comparados com o campo de concentração medido e simulado por Timm (2007), a qual utilizou a parametrização da turbulência obtida por Degrazia et al. (2000). A análise dos resultados mostra um melhor desempenho do modelo de partículas Lagrangeano quando utilizada a parametrização proposta por Degrazia et al. (2000).

Three observational campaigns have been conducted in the region of Nova Roma do Sul, southern Brazil. In the last one of them, a micrometeorological tower was deployed above the river surface, at the bottom of the Prata river valley. The purpose was to characterize the exchange between the river surface and the atmosphere. The micrometeorological parameters measured at this tower were analyzed and compared to the synoptic meteorological variables. The comparisons showed a connection between the large-scale flow and the local circulations. Differently than usually observed, the vertical turbulent sensible and latent heat fluxes were directed towards the surface at daytime. The physical processes responsible for this behavior are analyzed, using a large eddy simulation model. Seven simulations were performed, to understand how the exchange is affected by the topography, and by the magnitude and direction of the large scale flow. The results show that the vertical fluxes are directed towards the surface, independently of the existence of slopes besides the river. Large scale wind direction has a stronger effect on the flux magnitude than does its magnitude. Two additional simulations were performed, to understand how the fluxes at the valley bottom are affected by the river width. For these simulations, rivers twice and for times as wide as in the previous runs were considered. The results show that, even when the river occupied as much as one third of the total horizontal domain, it still remains with a passive behavior, with the exchange above its surface being controlled by the characteristics of the air that is transported from above the land portion of the domain. The river, in this case is a heat and moisture sink, at daytime. Furthermore, the horizontal fluxes, that converge from the slopes towards the air above the river have a fundamental role on the exchange process between the river and local atmosphere. A campanha experimental de 2005, realizada em Nova Roma do Sul RS, contou com a instalação de uma torre micrometeorológica em lugar inédito. Os sensores foram posicionados sobre a superfície da água, no fundo do vale do rio da Prata, com objetivo de caracterizar as transferências entre a superfície do rio e a atmosfera. Todos os parâmetros micrometeorológicos medidos por essa torre foram avaliados e comparados com variáveis meteorológicas de escala sinótica. As comparações apontaram para uma conexão entre o escoamento de grande escala e as circulações locais. Diferentemente do que normalmente ocorre, os fluxos turbulentos verticais de calor sensível e latente apresentaram sinal negativo durante o dia. Os processos físicos responsáveis por essa conduta são estudados com o uso de um modelo LES. Sete simulações foram utilizadas para testar a contribuição da topografia e da direção e velocidade do escoamento sinótico sobre as trocas verticais. Notou-se que os fluxos verticais são negativos independentemente da presença das encostas e que a magnitude desses fluxos é mais influenciada pela direção do que pela velocidade do vento sinótico. O ambiente no fundo do vale foi modificado numericamente através de mais duas rodadas do LES. A conduta dos fluxos verticais de calor e umidade entre o ar e o rio foram testadas com o nível do rio mais elevado, em 19,8 e 86 metros, transformando a largura da área alagada de 80 para 160 metros e de 80 para 320 metros, respectivamente. Percebeu-se que com o rio ocupando até 1/3 do domínio do modelo, este ainda permanece com papel passivo, ou seja, atuando como sumidouro de calor e umidade. Percebeu-se também que os fluxos horizontais, convergindo das encostas para cima do rio, possuem papel fundamental no processo de trocas verticais entre o rio e a atmosfera local.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico Serial mesoscale convective system (MCS) events with lifetimes over 18 h and up to nearly 70 h are routinely observed over southeastern South America from infrared satellite imagery during the spring and summer. These events begin over the southern La Plata River basin, with individual convective systems generally moving eastward with the cloud-layer mean wind. However, an important and common subset of these serial MCS events shows individual MCSs moving to the east or southeast, yet the region of convective development as a whole shifts upstream to the north or northwest. Analyses of the composite mean environments from 10 of these upstream-propagating serial MCS events using NCEP/NCAR reanalysis data events indicates that the synoptic conditions resemble those found in mesoscale convective complex environments over the United States. The serial MCS events form within an environment of strong low-level warm advection and strong moisture advection between the surface and 700 hPa from the Amazonas region southward. One feature that appears to particularly influence the lowlevel flow pattern at early times is a strong surface anticyclone located just off the coast of Brazil. At upper-levels, the MCSs develop on the anticyclonic side of the entrance region to an upperlevel jet. Mean soundings show that the atmosphere is moist from the surface to near 500 hPa, with values of convective available potential energy above 1200 J kg-1 at the time of system initiation. System dissipation and continued upstream propagation to the north and northwest occurs in tandem with a surface high pressure system that crosses the Andes Mountains from the west. The 72 h simulated idealized numerical experiment reproduces the main conditions synoptic patterns in a upstream propagating mesoscale convective system, and generates a unique 18 h Upstream propagating MCS, which produces a significant precipitation event with more than 80mm/18h in some regions, it represents about 50% of the total monthly summer precipitation.A transient anticyclone drives the large scale low level circulaton at the early times, it produces moisture an war advection from Amazonia southward. A low thermal pressure system close to 22oS is observed and its interaction between with the south Atlantic anticyclone circulaton produces a moisture corridor transport promoted into a northerly-enhanced Low Level Jet. The numerical experiment evidences the importance of local storms to the development and triggering in the mesoscale convective environments, since it forms the first convective cluster what becomes organized and grow in size. After the MCS becomes mesoscale organized, its outflows dominates the convective environment interacting with the gravity waves pre-existing region, but the gravity waves propagation upstream still exerting a important hole since it generate new convective areas ahead of the outflow boundary. During the MCS life two main characteristics can be observed: Gravity waves propagate out ahead of the line and may initiate new convective development upstream of the existing convection. Once this new convection develops downdrafts, the density-current mechanism again dominates its evolution. Sistemas convectivos de mesoescala (SCM) com tempos de vida superiores a 18 h e alguns com ate 70 h são rotineiramente observados sobre a região sul da América do Sul através de imagens de satélite principalmente durante o período de primavera e verão. Estes eventos iniciam sobre o sul da Bacia do Rio da Prata, com sistemas convectivos geralmente movendo-se para leste ou sudoeste, mas a região convectiva principal propaga-se contra o escoamento no sentido norte ou noroeste. A análise de compostos médios de dados de reanálise para 10 destes SCM com propagação serial contra o escoamento indica que as condições sinóticas assemelham-se àquelas encontradas nos ambientes de desenvolvimento de complexos convectivos e mesoescala sobre os Estados Unidos.SCMs com propagação serial ocorrem em ambientes de forte advecção quente em baixos níveis e forte advecção úmida na camada entre a superfície e 700 hPa. Esta advecção transporta calor e umidade da região Amazônica em direção ao sul da América do Sul. Um padrão que particularmente influencia o escoamento em baixos níveis é um forte anticiclone localizado na costa do Brasil que atua principalmente nos momentos que antecedem o SCM. Em níveis superiores, o SCM se desenvolve no lado anticiclônico da região de entrado do jato de altos níveis. Sondagens médias mostram que a atmosfera é umedecida desde a superfície até aproximadamente 500 hPa, com valores de CAPE > 1200 J kg-1 no momento de iniciação do sistema. A dissipação do sistema e a continuada propagação para norte e noroeste ocorre em fase com um sistema de alta pressão que cruza os Andes vindo de oeste. O experimento de simulação numérica de 72h reproduz os principais padrões sinóticos observados nos dados de reanálise e gera um SCM com propagação contra o escoamento de 18 h de vida, o qual produz um significante volume de precipitação com que chegam a mais de 80mm/18h em algumas regiões, isto representa aproximadamente 50% do total de um mês de verão. Um anticiclone transiente governa o escoamento de larga escala nos momentos iniciais da simulação, produzindo advecção quente e úmida do Equador em direção ao Pólo Sul. Uma baixa térmica próxima de 22oS interage com a Alta do Atlântico Sul e produz um corredor de umidade associado à um jato de baixos níveis. O experimento numérico evidencia a importância de tempestades locais no desenvolvimento e iniciação de sistemas convectivos de mesoescala, uma vez que elas tornam-se organizadas em aglomerados convectivos de mesoescala que dão origem aos SCM. A atividade de ondas de gravidade nos momentos inicial do sistema dá suporte para a iniciação convectiva, após o SCM tornar-se organizado e produzir os primeiros outflows , correntes de densidade dominam o ambiente convectivo interagindo com as ondas de gravidade pré-existentes e com o jato em baixos níveis. Durante a vida do SCM duas características principais de sua evolução podem ser observadas: Num primeiro momento, ondas de gravidade propagam-se em bandas gerando e organizando a convecção. Uma vez que a convecção torna-se organizada e produz os primeiros downdrafts , correntes de densidade tornam-se o principal mecanismo no desenvolvimento convectivo.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This thesis quantifies the net change of CO2 (NEE) in an irrigated rice crop cultivation in RS (Brazil). The research is part of the project CT-HIDRO, which presents as main purpose the description of surface conditions for different ecosystems in the country. Data were gathered during the cultivation period, from October 2003 to March 2004. During this time, the average air temperature and the incident radiation were suitable for the development of the culture in such an area. The turbulent flows, calculated by the eddy covariance method, overestimated the NEE value, probably due to the low estimate of breathing tax, because, during some night-times, sensor registered little turbulence. Moreover, other factor could have interfered in the result of the flows, for instance, the time in which the flows are calculated. The Webb correction was applied in the curve of NEE, and a value smaller than 1% was found. Such result didn't modify the previous result significantly. The behavior of CO2 flow during the whole analyzed period showed a maximum of -0,47mgCO2 m−2 s −1 in January 2004, what demonstrates the largest absorption of CO2 from the atmosphere by the plant during the day and a smaller liberation at night, due to the development phase in which the plant is. In this case, the Webb correction was also little emphasized, not interfering in the obtained result. The curves that demonstrate the three phases of development of the rice presented a larger absorption of CO 2 during the reproductive phase. The behavior of the flow of CO 2 showed a negative flow during the day, when the plant absorbs CO2 from the atmosphere, and a positive flow during the night, when the inverse process occurs, what was waited for. The latent heat flow presented larger diary average values from January to February, always with positive values, consequence of the rice crop irrigation. Two days with high values of flow of latent heat were obtained, what motivated the analysis of the energy balance. The closing of the energy balance was not reached in both days. A possible reason for that could be the low estimate of flows when the eddy covariance method was applied. Este trabalho quantifica a troca líquida de CO2 (NEE) em uma área de cultivo de arroz irrigado no RS, como parte do projeto CT-HIDRO, projeto este que tem como finalidade descrever condições de superfície para diferentes ecossistemas do país. Os dados utilizados foram coletados durante o período de cultivo, entre outubro de 2003 e março de 2004. Neste período a temperatura média do ar e a radiação incidente são adequadas para o desenvolvimento da cultura nesta região. Os fluxos turbulentos, calculados pelo método de covariância de vórtices (eddy covariance), superestimaram o valor da NEE, provavelmente devido, a subestimativa da taxa de respiração, pois em alguns períodos noturnos os sensores registraram pouca turbulência. Além disso, outro fator que pode interferir no resultado dos fluxos, como por exemplo, o intervalo em que os fluxos são calculados. Foi aplicada a correção de Webb na curva de NEE e encontrou-se um valor menor que 1%, fato este que não modificou significativamente o resultado encontrado. O comportamento do fluxo de CO 2 durante todo o período analisado, mostrou um pico de -0,47mgCO2 m−2 s −1 , em janeiro de 2004, o que demonstra a maior captura de CO2 da atmosfera pela planta durante o dia e uma menor liberação à noite, devido a fase de desenvolvimento em que a planta se encontra. Neste caso, a correção de Webb também foi pouco acentuada, não interferindo no resultado obtido. As curvas que demonstram as três fases de desenvolvimento do arroz mostraram claramente uma maior absorção de CO 2 durante a fase reprodutiva. O comportamento do fluxo de CO 2 mostra um fluxo negativo durante à dia, quando a planta absorve CO2 da atmosfera e um fluxo positivo durante à noite quando ocorre o processo inverso, o que era esperado. O fluxo de calor latente apresentou maiores valores médios diários entre os meses de janeiro e fevereiro, apresentando sempre valores positivos, conseqüência da irrigação do campo de arroz. Obtivemos dois dias com valores elevados de fluxo de calor latente, o que fez com que analisássemos o balanço de energia. O fechamento do balanço de energia não foi alcançado em ambos os dias. Uma possível razão para isto pode ser o devido à subestimativa dos fluxos quando aplicado o método de covariância de vórtices.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior In this work, the Lagrangian stochastic particle model LAMBDA is utilized to simulate the dispersion and the transport of contaminants under different atmospheric conditions. The analysis employs three different field experiments of atmospheric diffusion: the Copenhagen experiment, which was accomplished in unstable conditions, the Prairie Grass experiment in which was considered only neutral stability cases (mean wind velocity higher than 6ms-1) and the INEL experiment occurring in low wind stable conditions and presenting wind meandering phenomenon. LAMBDA is a tridimensional model to simulate the pollutants dispersion over flat terrain. The model solves the generalized form the Langevin Equation and it can use the higher moments of Eulerian probability density function of the wind velocity fluctuations. The main aim of this work is to test a new parameterization for the parameters p and q which represent the frequency associated to the meandering phenomenon. The new parameterization is expressed in terms of m , a non-dimensional quantity that controls the meandering oscillation frequency, and T , a time scale associated to the coherent structures in a fully developed turbulence. The simulations show that the LAMBDA model incorporating this new parameterization reproduces correctly the enhanced diffusion of passive scalars in a low wind speed stable atmospheric boundary layer. Neste trabalho é utilizado o modelo de partículas estocástico Lagrangeano LAMBDA para simular a dispersão e o transporte de contaminantes sob diferentes condições atmosféricas. A análise emprega três diferentes experimentos de difusão atmosférica: o experimento de Copenhagen, que foi realizado sob condições convectivas, o experimento de Prairie Grass, em que foram considerados somente os casos de estabilidade neutra (velocidades do vento médio maiores que 6m/s) e o experimento de INEL realizado em condições estáveis com velocidade do vento fraco e apresentando o fenômeno de meandro do vento. LAMBDA é um modelo tridimensional para simular a dispersão de poluentes sobre terreno plano. O modelo resolve a forma generalizada da Equação de Langevin e pode usar os momentos de ordem superior da função densidade de probabilidade Euleriana das flutuações da velocidade do vento. O principal objetivo deste trabalho é testar uma nova parametrização dos parâmetros p e q que representam as frequências associadas ao fenômeno de meandro do vento. Esta nova parametrização é descrita em termos de m , uma quantidade adimensional que controla a frequência de oscilação do meandro e T , uma escala de tempo associada às estruturas coerentes em uma turbulência bem desenvolvida. As simulações demonstram que o modelo LAMBDA incorporando esta nova parametrização reproduz corretamente a difusão de escalares passivos em uma camada limite atmosférica estável com velocidade do vento fraco.

In this thesis, I discuss the results of radio polarization observations of selected Compact Steep Spectrum sources made with the Very Long Baseline Array using selected frequencies in the 18 cm, 21 cm, 13 cm and 6 cm observing bands. An analysis of the polarized emission for 3C216, C147, 3C119 and 3C43 allowed us to conclude that they show a hook-shaped structure suggesting that it may be colliding with a dense environment since both jet brightness and fractional polarization increases at the hook. The average rotation measures in the hook are about 30% higher than the values seen in superluminal knots nearest to the core component with rotation measures exceeding 1500 ± 200 rad m2. The polarized flux suggests that although the average Faraday depth < neBd > increases towards the core within the first 80 pc of the jet, it becomes higher as the jet bends. The source components which are nearest to the cores are generally unpolarized even at such short wavelength, suggesting that the spread in the λ2 polarization spectra is much narrower than in extended sources and that the wavelengths at which the fractional polarization falls by a half of the value at zero depolarization may be in the submillimeter wavelengts. The properties of the Faraday depolarization and rotatation seen in the selected objects sources are briefly discussed, as well as hypothesis to interpret them. Nesta tese, discuto resultados de observações em polarização de radiofontes compactas selecionadas do grupo CSS, feitas com o Very Long Baseline Array em freqüências selecionadas nas bandas de observação em 18 cm, 21 cm, 13 cm e 6 cm. Uma análise da emissão polarizada para os quasares 3C216, 3C147, 3C119 e 3C43 permite concluir que todos mostram um perfil em forma de gancho, o que sugere que podem estar colidindo com um meio ambiente denso, o que explicaria a distribuição de brilho do jato e o aumento da polarização fracional na direção da curva do gancho. As medidas de rotação nas curvas são aproximadamente 30% mais altas que os valores vistos nas regiões dos nós superluminais mais próximas às componentes nucleres, onde a medida de rotação excede 1500 ± 200 rad m2. Uma análise da despolarização < neBd > que aumenta na direção do núcleo dentro dos primeiros 80 pc dos jatos torna-se mais alta à medida que o jatos tornan-se curvos. As componentes das radiofontes que são mais distantes aos núcleos são geralmente despolarizadas, em relação às componentes mais próximas, mesmo em curtos comprimentos de onda, sugerindo que a dispersão no espectro de polarização com λ2 é bem mais estreita que em radiofontes estendidas e que os comprimentos de onda nos quais a polarização fracional cai pela metade do valor esperado em despolarização nula podem estar localizados nas bandas submilimétricas. Essas componentes, portanto, sofrem despolarização com a distância. As propriedades da despolarização e da rotação de Faraday, vistas nessa seleção de radiofontes, são discutidas brevemente, assim como as hipótese para interpretá-las.

This work is about to verify the performance of the boundary layer budgeting method as alternative for measuring the surface turbulent fluxes in conditions that allow the validation of the measurements with data taken from a tower equipped with sensors, which were processed through the eddy correlation method. A research is made on the knowledge generated to the present, which reveals the limitations of the eddy correlation method and the promises of the boundary layer budgeting in relation to measuring the surface turbulent fluxes. This work describes its theoretical underpinnings, regarding the energy budget in the atmosphere and the role of turbulence in the transport phenomena and in energy exchanges. These concepts are interpreted physically and described in the form of ruling equations and hypotheses used for the analysis of the behavior of such phenomena. The eddy correlation is described as a method that directly measures the sensible heat and latent heat fluxes in function of the data picked up by the sensors. The boundary layer budgeting method, by its turn, is described from the general formulation of scalar accumulation, on which are taken the hypotheses of elimination of the horizontal advection and of any sources or drains in the atmosphere. The context of the measuring work is described in the following, from the presentation of the project, its places, and its campaigns and to the day and times in which the measurements took place. The instruments used for data acquisition are also described, as well as the processing systematics of the raw data. The obtained results reveal significant differences in the sensible heat flux estimates, which increase with the progress of the night and smaller differences in the latent heat flux, which remain constant in the time. Este trabalho trata de verificar o desempenho do método de balanço da camada limite como alternativa para a medição dos fluxos turbulentos superficiais em condições que permitem a validação das medidas com dados tomados a partir de uma torre equipada com sensores, os quais foram processados com o método de correlação de vórtices. É feita uma pesquisa do conhecimento gerado até o presente, que revela as limitações da sistemática de medição por correlação de vórtices e as promessas do método de balanço em relação à medição dos fluxos turbulentos. É descrita neste trabalho a fundamentação teórica necessária, a respeito do balanço energético na atmosfera e do papel da turbulência nos fenômenos de transporte e de troca de energia. Tais conceitos são interpretados fisicamente e descritos na forma de equações governantes e hipóteses utilizadas para a análise do comportamento de tais fenômenos. A correlação de vórtices é descrita como um método que mede diretamente os fluxos de calor sensível e de calor latente em função dos dados recolhidos pelos sensores. O método de balanço da camada limite, por sua vez é descrito a partir da formulação geral de acumulação de escalares, sobre a qual são tomadas as hipóteses de eliminação da advecção horizontal e de quaisquer fontes ou sumidouros na atmosfera. O contexto das medições é descrito a seguir, a partir da apresentação do projeto, dos locais, das campanhas e do dia e dos horários em que as medições foram realizadas. A instrumentação utilizada para a aquisição dos dados é também descrita, assim como a sistemática de processamento dos dados brutos. Os resultados obtidos revelam diferenças significativas na estimativa do fluxo de calor sensível, que aumentam com o avanço da noite e diferenças menores no fluxo de calor latente, que permanecem praticamente constantes no tempo.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico According to the Kolmogorov's fully developed turbulence theory established in 1941, there is an equilibrium range in which phenomenological quantities associated to the turbulence flow are described by laws of universal character. The main objection to this theory was given by Landau, who critized the universality of these laws arguing that an universal statistical equilibrium state would not be reached since there is a dependence on energy transference between the eddies belonging to the inertial range with the largest ones, which are external to this interval, thus non-universal. From the discussion between Kolmogorov and Landau, emerged in 1962 a theory proposed to be a correction to the 1941's theory. Following the new ideas, an intermittent energy cascade should exist in the inertial range thus, as a consequence, corrections to the scaling laws prediced by 1941's theory should to be taken in account. Since that, intermittency has became the central problem in fully developed turbulence. Another question which still remains from the discussion between Kolmogorov and Landau is that concerning to the universality of the second order structure constant, known as the Kolmogorov constant. Some theoreticians claim that this constant should be Reynolds' number dependent, however experimental evidences contradict themselves. 14 In this work, based on structure function of several orders of velocity, temperature and a passive scalar, anisotropy is related to a strange behavior of velocity odd-order structure functions. The Kolmogorov constant is determined in diferent flows and appear to be universal with the Reynolds' number. In addiction, the scatter and the dependence with the Reynolds' number found in the literature are explained as a consequence of anisotropy in the intertial subrange and imprecise determination of the dissipation rate. On other hand, experimental verification of intemittency in inertial subrange through the correlation of the rate dissipation R²,²(r) is explained to be an undesired efect of anisotropy on the equations whose derivation is based on the isotropy assumption. The existence of intermittency correction coeficent μ of the second order structure funtion GR2 is attributed to be a consequence of an arbitrary choice of the inertial subrange, nite Reynolds' number efect and another singularities. These conclusions lead to the idea that the classical theory of 1941 is correct in its original form and the discrepancies observed are due the nonexistence of a real fully developed turbulence state. A teoria de turbulência completamenta desenvolvida de Kolmogorov, elaborada em 1941, prevê a existência de um intervalo de equilíbrio, onde leis de caráter universal descrevem as quantidades fenomenológicas associadas ao escoamento turbulento. Entretanto Landau criticou a universalidade destas leis alegando que um equilíbrio estatístico universal não seria alcançado, desde que há uma dependência na transferência de energia entre os turbilhões que pertencem ao intervalo de equilíbrio e os turbilhões externos a este intervalo. Desta discussão entre Kolmogorov e Landau, surgiu em 1962 uma teoria de correção à de 1941. Esta teoria prevê a existência de uma cascata de energia intermitente entre os turbilhões pertencentes ao intervalo inercial de equilíbrio. Desde então intermitência tornou-se o centro das pesquisas em turbulência bem desenvolvida. Outra questão que ainda é motivo de discussão é a universalidade da constante da função estrutura de segunda ordem prevista por Kolmogorov. Alguns teóricos argumentam que esta constante seria dependente do número de Reynolds do escoamento, entretanto as evidências experimentais são contraditórias. Na presente análise, baseado em funções estrutura de diversas ordens de velocidade, temperatura e um escalar passivo, a anisotropia é relacionada à um estranho comportamento das funções estrutura de velocidade de ordem ímpar. Além do 12 mais, o estudo aponta que a constante de Kolmogorov, determinada em diferentes escoamentos, apresenta um comportamento universal com o número de Reynolds. Adicionalmente, o espalhamento desta constante em torno das médias e a dependência com o número de Reynolds obtidos nos trabalhos encontrados na literatura são explicados como um efeito devido à anisotropia no sub-intervalo inercial e a determina ção imprecisa da taxa de dissipação. Por outro lado, a verificação experimental da intermitência no sub-intervalo inercial através da correlação da taxa de dissipação R²,²(r) é explicada ser um efeito indesejado de anisotropia nas equações baseadas na hipótese de isotropia. A existência de um valor significativo para o coeficiente de correção de intermitência μ da função estrutura de segunda ordem GR2 é atribuído à uma escolha arbitrária do sub-intervalo inercial e a efeitos de número de Reynolds bonito e outras singularidades. Desta forma conclui-se que a teoria clássica de 1941 está correta na sua forma original e as discrepâncias observadas originalmente são devido a não existência de um estado de turbulência completamente desenvolvida.

We report on three campaigns to measure the structure of the nocturnal boundary layer in cleared and forested areas near Santarém, PA, in 2001 and 2003. The aim was to describe the temporal evolution of wind and thermodynamic profiles in the stable surface layer and to use the accumulation of scalars, such as CO2 in the layer as a way to infer surface fluxes. This was deemed necessary because the frequent very calm conditions limited the validity of eddy covariance flux CO2 measurements at these sites at night. In 2001, tethered balloon observations were made at a pasture site. In 2003, this study was repeated, with a special balloon sonde deployed to measure CO2, temperature, humidity, and pressure. During the convective period just after sunrise, both the eddy covariance and accumulation flux estimation methods are valid and were compared. At night the key is to determine the thickness of the atmospheric layer to which nocturnal respiratory CO2 accumulates. In the forest at night the CO2 accumulation layer was basically constant and had a height of 32 m. The mean CO2 night flux (Fc) was estimated as 0.09(±0.02) mgCO2/m2s. The average CO2 accumulation rate was constant into de forest, decreased linearly with height form canopy height to 100-140 m high. These results are in agreement with the average profiles measured from forest flux towers. Over plowed field we found a larger CO2 accumulation layer at 60-80 m, reaching more then 100 m on some nights. The mean CO2 night flux was estimated Fc=0.20(±0.2) mgCO2/m2s. We found two shape of CO2 accumulation rate near the ground. Two nights the accumulation rate was basically constant with height, other four nights it decreased linearly with height, from the surface to 30-50 m high. The level what the accumulation rate is zero vary from 80 m to 135 m high. Três campanhas de medidas da estrutura da camada limite noturna em área limpa e de floresta próximo de Santarém, PA, realizadas em 2001 e 2003 são apresentadas neste trabalho. O objetivo principal foi descrever a evolução temporal dos perfis de vento e termodinâmicos na camada limite estável para usar o método de acúmulo de escalares, como o CO2, nesta camada, como meio de estimar os fluxos superficiais. Isso se torna necessário porque freqüentemente condições de ventos calmos sobre estes sítios ocorrem durante o período noturno limitando a confiança das estimativas do fluxo de CO2 realizadas pelo método de covariância de vórtices turbulentos. Em 2001, usando balão cativo as observações foram realizadas no sítio de pastagem. Em 2003, estas observações foram repetidas com uma sonda especialmente desenvolvida para medir a concentração de CO2, temperatura, umidade e pressão do ar. Durante os primeiros estágios da convecção, logo após o nascer do sol, ambos métodos de covariância de vórtices e acumulação são validos e foram comparados. Durante a noite o principal é determinar a profundidade da camada atmosférica dentro da qual o CO2 acumula. Na floresta, à noite a camada de acumulação de CO2 basicamente foi constante e a altura foi de 32 m. O fluxo médio de CO2 à noite (Fc) foi estimado igual a 0.09(±0.03) mgCO2/m2s. Na média a taxa de acumulação de CO2 se manteve constante dentro da floresta, decrescendo até aproximadamente zero até níveis que variaram desde 100 m até 140 m. Estes resultados estão de acordo com as observações das torres de fluxo na região de estudo dos dados de longo termo do perfil do gás. Sobre o sítio com o solo arado a camada de acumulação de CO2 à noite em média varia entre 60-80 m, atingindo mais de 100 m em algumas noites. O fluxo noturno médio de CO2 foi estimado em Fc=0.20(±0.2) mgCO2/m2s. A variação vertical da taxa de acumulação apresentou dois padrões distintos próximo a superfície. Duas noites a variação vertical da taxa de acumulação foi aproximadamente constante, em outras quatro noites decresceu rapidamente com a altura, desde a superfície até 30-50 metros de altura. O nível a partir do qual a taxa de acumulação é nula variou desde 80 m a 135 m.

In the study of the dispersion of contaminants in the atmosphere by computational simulations, the Eulerian approach, based in the diffusionadvection equation, is largely employed. In these simulations, concentration values are calculated at each point of a fixed grid in space and time and for this to be done it is necessary to determine an appropriated eddy diffusivity to the planetary boundary layer under consideration. The aim of this work is to describe the decay of turbulence in the residual layer and to derive the corresponding eddy diffusivity for the case of a homogeneous (in the horizontal plane) and isotropic turbulent flow neglecting mechanical and thermal production effects. The decay of turbulence is described as a process in which eddies of a certain size loss their energy by the effect of an eddy viscosity associated with the smallest eddies through a cascade of interactions of local character in the sense of Heisenberg s model. The eddy diffusivities are calculated by considering the dispersive effects of the energy-containing eddies on the basis of Taylor s statistical diffusion model. Considering the hypothesis that the law of decay of the energy spectral density function associated with the ith axis of the reference system is similar to the law of decay of the tridimensional energy spectral density function, the corresponding variance of the turbulent part of the velocity and the corresponding eddy diffusivity are calculated. These quantities, in particular for the vertical axis, are compared with results of large eddy simulations (LES) showing very good agreement. Finally, incorporating the calculated eddy diffusivity in a Eulerian model, the effect of turbulence in the vertical dispersion of an passive scalar contaminant in the residual layer is described for the special case of a instantaneous bidimensional emission source (area source) at a certain height over land and zero mean wind velocity. No estudo da difusão de um contaminante na atmosfera por meio de simulações computacionais é bastante utilizada a perspectiva euleriana, baseada na equação da difusão-advecção. Nessas simulações, os valores de concentração são calculados em cada ponto de um retículo fixo no espaço e no tempo e para que isso possa ser feito, é necessário determinar a difusividade turbulenta (coeficiente de difusão turbulento) para o tipo de camada limite planetária em questão. O objetivo desse trabalho é descrever o decaimento da turbulência na camada residual e derivar a correspondente difusividade turbulenta no caso de um escoamento turbulento homogêneo (no plano horizontal) e isotrópico, desprezando os efeitos mecânicos de cisalhamento e térmicos das correntes de convecção. O decaimento da turbulência é descrito como um processo em que os turbilhões de certo tamanho perdem energia por efeito de uma viscosidade cinemática turbulenta associada aos turbilhões menores através de interações em cascata de caráter local nos moldes do modelo de Heisenberg. A difusividade turbulenta é calculada pelos efeitos dispersivos dos turbilhões energéticos com base no modelo estatístico de Taylor. Com a hipótese de que o decaimento da função densidade espectral de energia unidimensional associada ao i-ésimo eixo do sistema de referência é similar à lei de decaimento da função densidade espectral tridimensional, calcula-se a correspondente variância da componente turbulenta da velocidade e a correspondente difusividade turbulenta e essas grandezas associadas ao eixo vertical, em particular, são comparadas com resultados obtidos por simulação numérica de grandes turbilhões (LES) mostrando uma concordância muito boa. Finalmente, incorporando a difusividade turbulenta calculada num modelo euleriano, descreve-se o efeito da turbulência na dispersão vertical de um contaminante escalar passivo na camada residual no caso especial de uma fonte bidimensional (fonte área) com emissão instantânea situada a uma certa altura acima do solo e na ausência de vento.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This dissertation presents a study of the atmospheric turbulence decay on the surface layer during the evening transition. This is done through the analysis of the spectral densities temporal evolutions of the three wind components, observed at a micrometeorological site in the central region of Rio Grande do Sul state, Brazil. From the observed spectra, the shapes and types of turbulent decay are determined. The decay happens as a consequence of the decrease in the two types of forcings that are responsible for turbulence production: mechanical (vertical wind shear) and thermal (surface sensible heat flux). Results show that surface layer turbulence decay does not follow an organized pattern, due to the existence of the different forcings, specially the mechanical one. The convection-related spectral peak tends to vanish as the transition goes on, but the mechanical peak remains important if the surface winds are appreciable. The temporal evolutions of the spectral components are also employed for a comparison with the model from Goulart et al. (2002) for the decay of a homogeneous turbulence. This is done through the comparison of the three-dimensional observed spectra to those generated by the theoretical model. The three-dimensional observational spectra are obtained by the employment of Kristensen et al. (1989) model. This model provides a method for the determination of the three-dimensional spectrum from the one-dimensional components, for homogeneous turbulence. The comparison shows that a reasonable adjust only happens in the case of a surface layer completely controlled by the thermal forcings. If a mechanical production of turbulence exists, the model is not capable of reproducing the observations. Neste trabalho é apresentado um estudo do decaimento da turbulência atmosférica na Camada Limite Superficial, durante o período de transição dia-noite. Isto é feito a partir da análise das evoluções temporais das densidades espectrais das três componentes do vento medidas observacionalmente em um sítio micrometeorológico na região central do Rio Grande do Sul, Brasil. Através destes espectros são determinadas as formas e os tipos de decaiments, que se dão por conseqüência do declínio dos forçantes geradores de turbulência: o forçante térmico (Fluxo de Calor Sensível) e o mecânico (cisalhamento do vento médio), durante o período de transição. Os resultados mostram que o decaimento na turbulência na camada superficial não segue um padrão bem organizado, em função da existência dos diferentes forçantes, especialmente o de origem mecânica. O pico espectral relativo ao movimento convectivo tende a desaparecer conforme a transição ocorre, mas o pico relativo ao forçante mecânico permanece existindo em casos de vento forte em superfície. As evoluções temporais das componentes espectrais também são empregadas em uma comparação com o modelo de Goulart et al., (2002) para o decaimento de uma turbulência homogênea. Está comparação é feita através do confronto dos espectros tridimensionais observados com os espectros tridimensionais teóricos, gerados pelo modelo de Goulart et al.. Estes espectros tridimensionais são obtidos através do modelo de Kristensen et al. (1989), que fornece um método para a construção do espectro tridimensional a partir das componentes espectrais unidimensionais u, v, e w, para uma turbulência homogênea. A comparação mostra que um ajuste razoável ocorre apenas no caso de uma turbulência na camada supeficial completamente dominada pelos forçantes térmicos. No caso da existência de forçante mecânico em superfície, o modelo não é capaz de reproduzir as observações.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Techniques for estimating unknown terms - such as eddy diffusivity and counter-gradient - in atmospheric flow are presented in this study. The methos is also used to identify the source term in atmospheric pollution. The scheme adopted is based on inverse problem methodology. The inverse problem is formulated as a non-linear optimization problem, where the objective function is defined as the square difference between observational data and data from a transport mathematical model. For estimating the properties of the atmospheric flux, an implicit strategy was used, and an Eulerian model was used as forward model. The estimation of the pollutant source term was tested employing a source-repector technique. In the pollutant dispersion simulation, a Lagrangian model was applied. For some inversions, regularized solutions should be searched. The Tikhonov and entropy regularizations were considered. Three different optimization methods were used: Levenberg-Marquardt, quasi-Newton (deterministic) e simulated annealing (stochastic). The results show a good performance of the proposed methodology in many tested situations. Neste estudo apresentam-se técnicas para estimar termos desconhecidos em fluxos atmosféricos, tais como coeficiente de difusão turbulento e termo de contra-gradiente. O método é também usado para a estimação de termos de fonte em poluição atmosférica. O esquema adotado é baseado na metodologia de problema inverso. O problema inverso é formulado como um problema de otimização não linear, onde a função objetivo é definida como a diferença quadrática entre dados experimentais e dados obtidos através de um modelo matemático de transporte. Para a estimação de propriedades de fluxo atmosféricos, uma estratégia de inversão implícita foi utilizada, onde um modelo eureliano foi empregado como modelo matemático. Para a estimação do termo de fonte de poluição, um procedimento de inversão empregando a técnica fonte-receptor foi testado em diversos cenários físicos. Para simulação da dispersão de poluentes na atmosfera foi empregado um modelo lagrangeano. Em alguns casos tornou-se necessário aplicar técnicas de regularização na obtenção da solução inversa. Regularização de Tikhonov e em entrópicas foram empregadas, quando necessário. Três diferentes métodos de otimização são utilizados: Levenberg-Marquardt e quase-Newton (determinísticos) e recozimento simulado (estocástico). Os resultados comprovam a robustez do método de inversão nas diversas situações testadas.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico This work describes a model for contaminant dispersion under different atmospheric stability conditions. It can be used to simulate the concentration of contaminants released from sources located at different heights in the PBL. Eddy diffusivities are derived for a convective and mechanical turbulence. These eddy diffusivities are introduced into an Eulerian air pollution model to simulate observed concentration data from the Copenhagen, Prairie Grass and Kinkaid experiments. The simulated concentrations are compared to the observed data to validate the above-mentioned model. A set of statistical indices is applied to the data and they are compared with data from a gaussian model and with data from CALPUFF model. These comparisons lead to the conclusion that the Eulerian air pollution model yields the best results for the Copenhagen and Prairie Grass experiments, because the physical parameters that describe the turbulent field varies with height (the height of the PBL is discretized in N subintervals). Furthermore, the model can also be used in inhomogeneous turbulence conditions, whereas the gaussian models can be used only in homogeneous and stationary turbulence conditions. Neste trabalho apresenta-se um modelo que descreve a dispersão de poluentes em diferentes condições de estabilidade atmosférica e que pode ser utilizado para modelar a concentração de contaminantes liberados por fontes pontuais contínuas localizadas em diferentes alturas na CLP. Derivam-se coeficientes de difusão turbulentos para uma turbulência gerada por efeitos térmicos e mecânicos. Estes coeficientes são empregados no modelo de dispersão Euleriano semi-analítico de poluição do ar para simular as concentrações dos experimentos de Copenhagen, Prairie Grass e Kinkaid. As concentrações simuladas são comparadas com as concentrações observadas nos experimentos para efetuar a validação do referido modelo. Um conjunto de índices estatísticos é aplicado aos dados, os quais são comparados com os de um modelo gaussiano e com os de um modelo de puff gaussiano CALPUFF. Com base nestas comparações, pode-se concluir que o modelo de dispersão Euleriano semi-analítico de poluição do ar fornece os melhores resultados para os experimentos de Copenhagen e Prairie Grass porque os parâmetros físicos que descrevem o campo turbulento variam com a altura (a altura da CLP é discretizada em N subintervalos). Dessa forma, o modelo também pode ser usado em condições de inhomogeneidade da turbulência, enquanto que os modelos gaussianos valem somente para condições homogêneas e estacionárias da turbulência.

At this work we present two models to describe de growth dynamics of interacting plants. The first system that we have used describes de water dynamics, and then relates it with the cations in the ground and with the biomass dynamics. The interaction between plants that this model describes is via light competition. The second model describes the evolution of the biomass through processes of transport, resistance and allocation of nutrients at the vegetal tissue. At this model we realized two extensions in order to describe the interaction, both based in the phosphorous exchange between the radicular systems. These exchanges are promoted by micorriza fungi, which the roots perform a mutualism process. The extensions, or interaction way, are based on the form in which the phosphorous is transported, in the sense of occurrence or not of the mass conservation. In all the simulations realized, the results are the temporal evolutions of the vegetal biomasses, which are divided in belowground biomass and aboveground biomass. Our simulations were done by sets of two or three plants of different species, where each specie was calculated at the first moment in a non coupled form. This way we could compare the results obtained with and without interactions. The parameterizations were done based at existing models that are utilized in each extension. Our results were good enough, when compared to another phenomenological results in the literature. Neste trabalho, apresentamos dois modelos para descrever a dinâmica do crescimento de plantas interagentes. O primeiro sistema utilizado descreve a dinâmica da água, relacionando-a com a dinâmica dos cátions no solo e com a dinâmica da biomassa. A interação entre plantas, que este modelo trata, é sob a forma de competição por luz. O segundo modelo descreve a evolução da biomassa através de processos de transporte, resistência e alocação de nutrientes no tecido vegetal. Neste modelo, nós realizamos duas extensões para a descrição da interação, ambas baseadas na troca de fósforo entre os sistemas radiculares. Estas trocas são promovidas por fungos do tipo micorrizas, com os quais as raízes realizam um processo de mutualismo. Cada extensão, ou forma de interação, está baseada na forma em que o fósforo é transportado, no sentido de ocorrer ou não a conservação das massas. Em todas as simulações realizadas, os resultados são as evoluções temporais das biomassas vegetais, que são divididas em biomassas aéreas e inferiores. As nossas simulações foram realizadas em conjuntos de duas e três plantas de espécies diferentes, onde cada espécie inicialmente foi simulada de maneira isolada, para podermos então compararmos os resultados obtidos com e sem interações. As parametrizações foram feitas tendo como base os modelos existentes utilizados em cada extensão. Os resultados por nós obtidos foram satisfatórios, quando comparados aos resultados fenomenológicos encontrados na literatura.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior As assimetrias na depolarização e nos índices espectrais de radiofontes com grande potência de emissão em rádio frequências tem sido explicada em termos de um efeito de orientação associado à ação do meio externo às fontes, o qual tem sido usualmente designado por efeito Laing-Garrington. Neste trabalho foram investigadas as ações deste meio através de imageamento em alta resolução com o VLA, sob 6 e 3.6 cm, do que deduziu-se diferenças mínimas entre a depolarização do jato e a do contra-jato. Confirmou-se, entretanto, a assimetria no índice espectral. Também consideramos um modelo simples de halos depolarizantes de raio X, de modo a estimar o efeito do meio magnetoiônico nas cercanias das fontes. Os resultados encontrados levam a conclusão de que as dimensões estimadas para os halos que provocam estes efeitos é bem superior as dimensões das fontes vistas em imagens rádio.