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Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Informática, The procedural generation of geometry within the space of computer graphics has been a topic of study for quite some time, benefiting from a more unpredictable brand of randomness. Similarly, the exploration of lighting as a phenomenon within virtual space has been a field of study of comparable age. Despite its age and early adoption, there is a surprising lack of research in emulating the phenomenon of lighting past its interactions with the world. Most implementations of procedurally generated lightning within video games are based on randomized data trees. When part of the skybox, 2D meshes or textures are randomly selected from a pre-made pool. There are, however, methods based entirely on the dielectric breakdown model, using approximations to solve a Laplacian equation. This dissertation aims to present an alternative approach to the randomized and procedural generation of lightning bolts based on the Space Colonization algorithm. While the algorithm was first conceived for use in botanical applications, modeling the growth of biological structures, the similarities between the results produced by the dielectric breakdown model and botanic modeling algorithms coupled with the visual likeness of a lightning bolt and certain trees, made for solid groundwork upon which to establish this unique approach. As such, this work largely aims to be a first step into this particular realm, showing Space Colonization as a suitable algorithm for this specific purpose. That being said, a large portion of time was spent iterating, modifying and experimenting with ideas that were either discarded or adapted, an effort primarily dedicated towards controlling and stifling the possible growth of branches in ways beyond the reduction of attractors. The original algorithm was altered, focus put especially on the creation of a singular channel at a time, mixing discoveries from previous research with the work done on manipulating Space Colonization. Instead of the venation patterns observed with the original work, the stifling of any growth means that each node has a chance, when created, of sprouting a branch and each branch is, in turn, a different, modified instance of the same underlying concept providing an additional level of control. Effort was equally placed on showcasing different properties inherent to a lightning strike, such as its iterative construction when descending from its origin. In the rendering section, along with recreating the bloom and glow effect seen in previous works, effort was put into recreating the strobing observed in capturing slow-motion footage of lightning bolts with special detail given to this. In addition, parameters were joined with a waypoint system to allow for a great degree of freedom when generating new bolts., A geração iterativa de geometria no contexto de computação gráfica é um tópico de estudo à já algum tempo apesar de usado em apenas contextos específicos, um ramo que benefícia de um tipo de aleatoriedade imprevisível. Similarmente, a exploração de relâmpagos como um fenómeno em espaço virtual é uma faceta de idade comparável. Apesar disto, o foco quando tratando relâmpagos tem caído marioritariamente nos seus efeitos após impacto. Estudos têm sido conduzidos no âmbito de mitigar o dano causado por estes em fuselagem de aeronaves e analizar o impacto de trovoada em estruturas críticas. No entanto, existe uma falta de investigação sobre a emulação deste fenómeno barra as suas interações com o mundo. A maioria das implementações iterativas em video jogos são baseadas em árvores de dados. Quando fazem parte do cenário, são marioritariamente meshes ou texturas 2D selecionas aleatoriamente de um conjunto. Existem, no entanto, métodos baseados num modelo de colapso elétrico usando apróximações a uma equação de Laplace. Esta dissertação tem como foco apresentar uma alternativa para a geração aleatória e iterativa de relâmpagos baseada no algoritmo de Space Colonization. Apesar deste algoritmo ter sido concebido para uso botânico, modelando o crescimento de estruturas biológicas, as similaridades entre os resultados obtidos pelo modelo de colapso elétrico e estes algoritmos de modelagem, quando considerados com a semelhança entre certos relâmpagos e árvores, constroem uma fundação sólida para o tópico. Neste âmbito, este trabalho é um primeiro passo que tem o intuito de mostrar a capacidade do algoritmo de Space Colonization em simular relâmpagos. Dito isto, uma grande porção do tempo de desenvolvimento dobrou-se sobre a iteração modificação e experimentação de ideias que foram discardadas ou adaptadas, um esforço primariamente dedicado em controlar o crescimento de ramos sem reduzir o número de atratores. O algoritmo original foi alterado, focando especialmente na criação de um único canal e fazendo uso de conhecimento prévio, oriundo de trabalho e investigação feita sobre manipulação de Space Colonization. Em vez de padrões de venação, observados no trabalho original, o impedimento de qualquer crescimento significa que cada nodo tem uma probabilidade, quando criado, de dar origem a um ramo e que cada ramo é uma instância diferente e modificada do mesmo conceito, algo que cria um nível de controlo mais profundo. Um esforço extra foi, também, realizado com o intuito de mostrar todas as propriedades diferentes, inerentes a um relâmpago tal como a construção iterativa durante a sua travessia. Na parte de renderização, foram recriados efeitos de brilho e bloom vistos em trabalhos prévios. Foi também dada especial atenção à recriação do efeito estroboscópico observado durante a análise de imagens em câmera lenta, algo que se tornou no foco principal desta parte. Adicionalmente, a adição de parâmetros foi conjugada com um sistema de pontos que dá um grau superior de liberdade ao utilizador.

A Regiao Sudeste do Brasil anualmente e afetada por alta incidencia de relâmpagos produzida por nuvens de tempestades. Alem de concentrar um grande contingente populacional, a regiao sudeste tambem possui grandes centros industriais, distribuicao e comercializacao de energia eletrica e de telecomunicacoes. No entanto, estudos sobre a evolucao de relâmpagos intra-nuvem (IN) e nuvem-solo (NS) ao longo do ciclo de vida de tempestades atraves de uma longa base de dados ainda e ausente para essa regiao. Dessa maneira, esse presente estudo tem como objetivo avaliar as relacoes entre as propriedades fisicas dos Sistemas Convectivos de Mesoescala (SCM) e as propriedades dos relâmpagos IN, nuvem-solo positivo (+NS) e nuvem-solo negativo (-NS) da Regiao Sudeste. Nesse contexto foram utilizadas imagens do canal infravermelho (10,7 µm) do satelite geoestacionario Geostationary Operational Environmental Satellite -13 (GOES-13) e dados de relâmpagos da Earth Networks Total Lightning Network (ENTLN) compreendendo os anos de 2013 a 2017. As tempestades foram identificadas e rastreadas atraves do processamento do algoritmo Forecast and Tracking the Evolution of Cloud Clusters (ForTraCC). Foram identificados e avaliados 3578 SCM na regiao de estudo durante o periodo supracitado. Os SCM sem relâmpagos mostraram-se menos duradouros (em horas), menores (em km) e com maiores valores de temperatura de brilho (TB) do topo das nuvens. SCM com relâmpagos duram 42 minutos a mais em relacao aqueles que nao possuem relâmpagos. O numero total de relâmpagos (relâmpagos por SCM) tende a crescer em relacao a area das tempestades, porem a densidade de relâmpagos (eventos por km 2 ) e maior em SCM menores. Para ambos os tipos de relâmpagos, uma diminuicao na TB representou um aumento na quantidade de relâmpagos. Em termos de ciclo de vida, o maximo de relâmpagos IN, -NS e +NS ocorrem na iniciacao, estagio entre a iniciacao e maturacao e estagio entre a maturacao e dissipacao, respectivamente. Portanto, as tempestades eletrificadas se diferem em aspectos fisicos e dinâmicos em relacao aquelas que nao possuem relâmpagos. Estes resultados sao importantes para auxiliar a previsao de curtissimo prazo de tempo (nowcasting).

Ponencia presentada en: VI Simposio Nacional de Predicción, celebrado en los servicios centrales de AEMET, en Madrid, del 17 al 19 de septiembre de 2018. El Servei Meteorològic de Catalunya (SMC) ha desarrollado una versión de la herramienta del Lightning Jump que, basada en datos totales de descargas eléctricas, permite realizar avisos de tiempo severo (granizo de diámetro superior a 2 cm, vientos fuertes asociados a convección, tornados y/o reventones) con una antelación de entre 30 y 120 minutos. Este tiempo de antelación depende de la tipología de la tormenta, pero pretende ser un revulsivo a la hora de poder ayudar a Protección Civil a la hora de mejorar las alertas y, además, gestionar de manera más eficiente los equipos de emergencia, acotando las zonas a avisar. Después de un periodo inicial de análisis de episodios históricos (2006-2013), se puso en fase preoperativa la herramienta durante la campaña 2016. En la siguiente se analizó la casuística del tiempo real y, en la de 2018, se ha realizado un trabajo de gestión de la herramienta, con la realización de avisos a nivel interno. Las dos últimas campañas han permitido mejorar también la obtención de registros en superficie, hecho que ha facilitado la validación de la herramienta. Este último punto resulta clave a la hora de ayudar al predictor a entender el funcionamiento de la aplicación y cómo debe actuar en situaciones del tiempo real. Está previsto que durante la campaña 2019 ya se realicen avisos a nivel operativo.

Estima-se que cerca de 60-75 milhões de relâmpagos ocorram anualmente, sendo esses responsáveis pela morte de, em média, 132 pessoas todos os anos no Brasil. A região Nordeste do Brasil (NEB) concentra 18 % da totalidade de óbitos ocorrida em todo o território nacional, e se considerarmos a população das diferentes regiões, o estado do Piauí apresentou a maior taxa de mortalidade da região (1,8 mortes por milhão); sendo esse valor bastante superior à taxa nacional (0,8) e do próprio NEB (0,5). Estudos têm evidenciado que a formação dos relâmpagos está associada à colisão entre as partículas de gelo (cristal e graupel), na presença de água líquida super-resfriada em regiões com fortes correntes ascendentes. Nesse sentido, este trabalho busca avaliar a distribuição espaço-temporal dos relâmpagos no NEB, bem como investigar a relação dos relâmpagos com a microfísica das nuvens, compreendendo o período de 1998 a 2013. Dentro deste escopo, foram utilizados dados de duas plataformas orbitais: i) a partir do satélite Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) foram utilizados os dados dos sensores Lightning Imaging Sensor (LIS), TRMM Microwave Imager (TMI) e Precipitation Radar (PR), que fornecem informações sobre a ocorrência de relâmpagos totais (intranuvem e nuvem-solo) e conteúdo vertical da atmosfera (hidrometeoros, taxa de precipitação, tipo de chuva); ii) a partir da plataforma Terra, por meio do sensor Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) foram utilizados os dados de elevação do terreno, para verificarmos a influência do relevo na taxa de relâmpagos. Os dados foram analisados na forma de distribuição mensal, sazonal e geral. A distribuição geral foi trabalhada com base na análise de agrupamentos, além de auxiliar na identificação dos pontos de maior ocorrência de relâmpagos (hotspots). Por fim, os relâmpagos foram analisados de acordo com a técnica dos quantis, onde buscou-se a distinção em função das características microfísicas das nuvens. O NEB possui grande variabilidade espacial e temporal nas taxas de relâmpagos registradas em seu território, com média variando de 0 a 44,5 relâmpagos/km²*ano. As regiões onde foram registrados índices elevados de relâmpagos totaislocalizam-se nos estados do Piauí, Maranhão e parte oeste Bahia (compreendendo todos os 20 hotspots do NEB). A topografia da região parece agir como facilitador do processo convectivo propiciando a formação de intensas correntes ascendentes imprescindíveis para geração de cargas elétricas no interior das nuvens de tempestade. A análise de agrupamentos em conjunto com a investigação das características de cada um dos hostspots nos permitiu inferir que a Zona de Convergência Intertropical (ZCIT) e os Sistemas Convectivos de Mesoescala (SCM), são os principais sistemas associados aos relâmpagos no território do NEB, estando os hotspots de relâmpagos caracterizados como locais de ocorrências destes sistemas. Quanto aos parâmetros microfísicos da nuvem, foi observado que associado à ocorrência de relâmpagos, a atmosfera possui menores valores de água líquida na nuvem, quantidades elevadas de gelo, elevada taxa de precipitação convectiva, elevação na altura do nível de congelamento e alta probabilidade de precipitação (ou a ocorrência desta); estas informações permitiram a proposição de um modelo conceitual das características microfísicas presentes quando ocorrem relâmpagos no NEB. It is estimated that about 60-75 million lightning occur annually, killing an average of 132 people every year in Brazil. The Northeast region of Brazil (NEB) accounts for 18% of the total deaths in the national territory. Considering the population of all Brazilian regions, the state of Piauí presented the highest mortality rate (1.8 deaths per million); which is higher than the country’s total rate (0.8) and the NEB rate (0.5). Studies have shown that lightning formation is associated with the collision between ice particles (crystal and graupel) in the presence of supercooled water droplets in regions with strong updrafts. Therefore, the objective of this study is to evaluate lightning spatial and temporal distribution in NEB, as well as to investigate the relationship between lightning and cloud microphysics, during the period from 1998 to 2013. Data from two orbital plataforms were used: i) Lightning Imaging Sensor (LIS), TRMM Microwave Imager (TMI) and Precipitation Radar (PR) from the Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) satellite to provide information on the occurrence of total lightning (intracloud and cloud-to-ground) and vertical content of the atmosphere (hydrometeors, precipitation rate, rain type); ii) Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER), on board of Terra platform provide the ground elevation data, to verify the influence of topography on lightning rates. The analysis was performed monthly, seasonaly and general spatial distribution . The general spatial distribution was based on Cluster Analysis and aided the identification of the greatest points of lightning occurrence (hotspots). Finally, the lightning was analyzed according to the quantiles technique, finding the characterization according to the microphysical characteristics of clouds. In the NEB territory, it was registered great spatial and temporal variability in the lightning rates, with mean varying from 0 to 44.5 flashs.km-2 .year-1 . All the hotspots are located in Piauí, Maranhão states and west region of Bahia. The topography of NEB seems to act as a facilitator of the convective process, by the increases of intense updrafts formation, an essential factor for the generation of electric charges inside the thunderclouds. The cluster analysis together with the investigation of the characteristics of each of the hostspots allowed to infer that the Intertropical Convergence Zone (ITCZ) and Mesoscale Convective Systems (MCS) are the systems most associated with lightning in NEB territory, being the lightning hotspots characterized as occurrence sites of these systems. Regarding the microphysical parameters of the cloud, it was observed that when the lightning happens, the atmosphere has lower values of liquid water in the cloud, high amounts of ice water, high convective precipitation rate, lift of height freezing level and high probability of precipitation (or the occurrence of this); this information allowed the conceptual model proposition of the microphysical characteristics present when lightning occurs in the NEB.

Operational records of power outages of the electric energy distribution systems in eastern Amazonia presented a large number of events attributed to lightning strikes, during the 2006 to 2009 period. The regional electricity concessionary data were compared to actual lightning observations made by SIPAM's LDN system, over two areas where operational sub systems of transmission lines are installed. Statistical relations were drawn between the monthly lightning occurrence density and the number of power outages of the electric systems for both areas studied. The results showed that, although with some delays between these variables peaks, the number of power disruptions has a tendency to follow the behavior of the lightning occurrence densities variations. The numerical correlations were positive and may be useful to the transmission lines maintenance crews at least for the Belém-Castanhal electricity distribution sub system. Evidence was found, that the SST's over certain areas of the Pacific and Atlantic Oceans, influence convection over the area of interest, and may help to prognosticate the periods of intense electric storms, requiring repair readiness for the regional electric systems. Os registros de desligamentos dos sistemas de distribuição de energia elétrica, na Amazônia oriental, apresentaram um grande número de eventos atribuídos à incidência de raios, durante o período de 2006 a 2008. Dados da concessionária regional de energia foram comparados com observações de raios feitas pelo sistema de detecção do SIPAM sobre áreas que abrangem dois subsistemas de linhas de transmissão. Relações estatísticas, entre a densidade mensal de ocorrência de raios e o número de desligamentos dos sistemas elétricos, foram deduzidas para ambos os subsistemas estudados. Os resultados mostraram que apesar de alguns atrasos entre os picos dessas variáveis e o número de desligamentos de energia apresentam uma tendência de acompanhar as variações das densidades de eventos de raios. As correlações numéricas foram positivas e podem ser úteis às equipes de manutenção, pelo menos para o subsistema de Belém-Castanhal. Evidência foi encontrada de que anomalias de TSM, sobre certas áreas dos oceanos Pacífico e Atlântico, influenciam a convecção sobre a área de interesse, e consequentemente, podem ajudar a prognosticar os períodos de intensas tempestades, que necessitam de prontidão para reparos dos sistemas elétricos regionais.

Ingeniería industrial

Lightning is a natural hazard and one of the greatest local mysteries. Scientists have not fully understood the mechanism of lightning. It is one of the most beautiful displays in nature and one of the nature's most dangerous phenomenon known to man. Overvoltage due to lightning is a very important problem of LV systems. Some lightning flashes damage buildings and a few kill or injure people and animals, either directly or indirectly, by causing fire and explosions. The need for protection, the economic benefits of installing protection measures and the selection of adequate protection measures should be determined according to IEC 62305. IEC 62305 is standard provides the general principles to be followed in the protection against lightning .It based on scientifically proven theories and technical experimentation word-wide taking into account the international expertise in the matter. It includes 4 parts: general principles, risk management, physical damage and life hazards, and protection against electrical and electronic systems within structures. They lay down requirements for the design and installation of LPS for structures and buildings, the protection against lightning of services entering the buildings and the protection of electrical and electronic systems. On the basis of the standard IEC 62305 the current project presents the main conception of lightning and protection against it.