Exploring the links between urban stucture and air quality

A poluição atmosférica constitui actualmente um grave problema ambiental cujos efeitos se fazem sentir a diversas escalas, desde os efeitos imediatos e de longo termo na saúde humana e nos materiais, até fenómenos regionais, como a acificação, e fenómenos globais que durante este século poderão alterar as condições de vida no globo. Apesar da redução das emissões de poluentes atmosféricos, conseguida através do uso de combustíveis mais limpos e tecnologias mais eficientes, as áreas urbanas continuam a evidenciar sinais de degradação ambiental. Para ser bem sucedida a cidade deve enfrentar as três dimensões da sustentabilidade: social, económica e ambiental. O modo de utilização do solo numa zona urbana é uma característica fundamental da cidade, com influência directa no seu desempenho ambiental e na qualidade de vida que proporciona à população. O presente trabalho explora a ligação entre a estrutura urbana e a qualidade do ar, um dos muitos aspectos do desenvolvimento urbano sustentável. A perspectiva histórica sobre o desenvolvimento urbano, a poluição atmosférica e a sua interligação é abordada, bem como o trabalho de investigação que tem vindo a ser conduzido na área. A aplicação de um sistema de modelação atmosférico a um caso de estudo idealizado demonstra a importância da estrutura espacial da cidade na sustentabilidade urbana, mostrando que cidades compactas com usos do solo misturados promovem uma melhor qualidade do ar quando comparadas com cidades dispersas, com baixa densidade populacional. De modo a explorar a relação entre a estrutura urbana e a qualidade do ar numa zona urbana real, a região urbana do Porto é identificada como um caso de estudo adequado, e o processo de crescimento urbano nas últimas décadas é analisado, assim como os níveis de qualidade do ar da região. De modo a definir a configuração do sistema de modelação mais adequada para a região de estudo, são efectuados diversos testes de sensibilidade com o modelo meteorológico. Relativamente ao modelo de qualidade do ar, é descrito e implementado um conjunto de acções de modo a melhorar o desempenho do modelo para a simulação das concentrações de poluentes na atmosfera urbana, no contexto de alterações do uso do solo. Finalmente, são desenvolvidos e testados, através da aplicação do sistema de modelação, dois cenários alternativos de desenvolvimento urbano para a área de estudo. Estes cenários alternativos implicam diferentes emissões de poluentes e diferentes distribuições espaciais dessas emissões, e como consequência, diferentes níveis de qualidade do ar. O estudo permite concluir que alterações nos padrões de uso do solo em áreas urbanas conduzem a alterações na meteorologia, emissões e qualidade do ar. As áreas urbanas dispersas, quando comparadas com estruturas urbanas compactas são responsáveis por temperaturas mais elevadas, emissões de poluentes para a atmosfera mais elevadas e maiores concentrações de poluentes.

Clubes de ciências e o percurso escolar dos alunos

Os factores que levam os alunos, no final da escolaridade obrigatória, a escolher o seu percurso escolar são vários. Neste estudo procurou-se saber em que medida a frequência de Clubes na área das Ciências influenciam essa decisão e, ainda, estudar como potenciar a sua organização no sentido de que estes possam contribuir positivamente para as escolhas dos alunos por percursos escolares na área das Ciências. A investigação decorreu em duas fases. Na primeira fase, foi avaliada a influência dos Clubes de Ciências na decisão do percurso escolar dos alunos, no final da escolaridade básica. Nesta fase foram realizados os seguintes procedimentos: -Entrevista semi-estruturada realizada a sete professoras responsáveis de Clubes na área das Ciências Físicas e Naturais, de 7 Escolas Secundárias da região de Aveiro. -Administração de um questionário, construído com questões maioritariamente fechadas, a uma amostra de 106 alunos, do 10ºAno, provenientes de 11 Escolas Secundárias da região de Aveiro, que frequentaram Clubes na área das Ciências Físicas e Naturais, no 3º Ciclo. -Tratamento estatístico das questões do questionário, com recurso ao programa SPSS (Statistical Package for the Social Science) e análise de conteúdo das questões abertas do questionário e das entrevistas, recorrendose para o efeito à construção de categorias de resposta. Na segunda fase concebeu-se e implementou-se um Clube de Ciências. Nesta fase surgiu a criação do Clube: ”Educação para o Desenvolvimento Sustentável”, no qual foi desenvolvido o projecto: “Construção e dinamização de uma Estação Meteorológica”, numa Escola Básica do 2º e 3º Ciclos do Concelho de Aveiro. Os resultados obtidos na primeira fase do estudo são reveladores da importância que é atribuída às experiências vivenciadas pelos alunos nos Clubes de Ciências que frequentaram. Os temas/assuntos abordados foram essencialmente conteúdos ligados a áreas do conhecimento das disciplinas de Ciências. Predominaram as estratégias com base em trabalho de projecto e em actividades experimentais. Indicadores nacionais e internacionais têm evidenciado um decréscimo no número de jovens que, na sua escolaridade, optam por estudos nas áreas das Ciências e da Tecnologia. Este decréscimo tem sido um factor de preocupação ao nível das políticas educativas, nomeadamente europeias, tornando-se urgente, por um lado, compreender o porquê desse facto e, por outro, encontrar formas de o minimizar. Os Clubes na perspectiva das responsáveis entrevistadas: (a) Surgem como uma oportunidade para melhorar as competências dos alunos ao nível do saber fazer; (b) Permitem confirmar e reforçar a motivação e o gosto pelas Ciências; (c) Podem, também, dar-lhes orientações para o futuro, embora esta não tenha sido uma preocupação explícita; (d) São do agrado dos alunos devido a apresentarem actividades não meramente académicas e formais. Os Clubes, na perspectiva dos alunos respondentes: (a) Aumentaram a motivação para estudar Ciências; (b) Permitiram relacionar as Ciências com o dia-a-dia; (c) Ajudaram na escolha do curso que frequentam no Ensino Secundário; (d) Contribuíram para querer exercer uma profissão na área das Ciências. Na segunda fase do estudo, foi desenvolvido um trabalho de projecto que envolveu alunos do 3º Ciclo. O tema do projecto, proposto e implementado, coincidiu com os dois temas menos abordados, nos Clubes frequentados pelos respondentes da primeira fase do estudo, Meteorologia e Temáticas com Impacto Social. Por outro lado o Clube pretendeu contribuir para a Década da Educação para o Desenvolvimento Sustentado, instituída pelas Nações Unidas, para fazer frente à actual situação de emergência planetária. Uma estratégia privilegiada para formar cidadãos capazes de assumir atitudes e valores com vista ao desenvolvimento sustentável, passa pela Educação em todas as suas vertentes, nomeadamente a do ensino não formal, na qual se incluem os Clubes de Ciências. ABSTRACT: National and international indicators have showed a decrease in the number of youngsters that, during their school course make their choices in the study areas of Science and Technology. This decreasing tendency has been a motive of concern as far as the European educational policies are concerned. Thus, it is urgent to understand the reason behind that situation and find ways to minimize it. There are various factors that make students choose their study areas in the end of their school course. This study aimed to find out how the Science Clubs can influence their decisions as well as to study new ways to improve their organization in such a way that they may contribute positively to the students’ choices of their school careers in the area of Science. The investigation was divided in two parts: in the first part, it was evaluated the level of the influence of the Science Clubs in the students’ school careers at the end of the elementary education. At this stage it was adopted the following procedure: -A semi-structured interview was applied to 7 female teachers that are responsible for the Natural and Physics Science Clubs, in secondary schools, in the region of Aveiro; -A mainly close-question questionnaire was applied to a sample of 106 students, in the 10th grade, in 11 secondary schools, in the region of Aveiro. These students have attended some Natural and Physics Science Clubs, during the 7th, 8th and 9th grades; -Statistical work of the questionnaire was done with the help of the SPSS programme (Statistical Package for the Social Science) as well as the analysis of the contents of the open-questions of the questionnaire and the interviews by means of the answer-category method. In the second part, a Science Club was planned and implemented. At this stage, a club was created - “Education for the Sustainable Development” - within which the following project was developed – “Building and Development of a Meteorological Observatory”, at a 2nd and 3rd Ciclos (Stages) Elementary School, in Aveiro. The results of the first part of this study case have showed clearly the importance given to the experiences of the students while attending the Science Clubs. The themes/subjects studied were mainly science knowledgerelated contents. The strategies adopted were based on project work and experimental activities. A view of the Clubs by the people who are responsible for them: (a)The Clubs mean an opportunity for students to learn the know-how process; (b)They have provided the reinforcement of the motivation and preference for Science; (c)Although it was not the main concern with the clubs, the truth is that they can also give the students a sense of awareness for the future; (d)Students like to make part of the clubs because of their experimental character. A view of the Clubs by the students who make part of them: (a)The clubs have increased the level of motivation to study Science; (b)They have allowed a close perspective of the daily life reality; (c)They have helped with the choice of the Secondary School courses; (d)They have made students want a future professional career in the area of Science. In the second part of this study case, a project work was carried out involving 7th, 8th and 9th grade students. The subject of the project, considered and implemented, coincided with the two less boarded subjects, in the Clubs attended a course for the respondents of the first phase of the study, Meteorology and Thematic with Social Impact. The Club also aimed to contribute to the decade of the “Education for the Sustained Future” as settled by the United Nations in order to face the present emergency situation of the planet. The last but not the least, it is believed that, the best strategy to teach future citizens who are able to take the responsibility of their values and attitudes towards a sustainable future, is to provide them a type of Education that can teach them both the formal curriculum aspects and the informal ones, as it is the case of the Science Clubs.

Sistemas de recepção de imagens de satélite: implementação e aplicações

A presente dissertação pretende focalizar-se sobre algumas aplicações da detecção remota por satélite. Assim, será exposto neste trabalho o resultado do desenvolvimento de sistemas de recepção de imagens obtidas por satélites de órbita polar e geostacionária, assim como um conjunto de três aplicações implementadas: a detecção de focos de incêndio em Portugal com dados do MSG-1, o desenvolvimento de um conjunto de actividades de exploração da Detecção Remota no contexto do 1' Ciclo do Ensino Básico e a validação dos resultados de previsão do modelo de mesoescala MM5 com imagens de satélite. A análise destas imagens desempenha um papel crucial, por exemplo nos estudos sobre tempo e clima. É por essa razão que tanto os Estados Unidos como outros países têm vindo a desenvolver um esforço contínuo para que possam ser lançados novos satélites que permitam uma constante aquisição de conhecimentos sobre os fenómenos meteorológicos. Deste modo, a implementação de sistemas de recepção que possibilitem transformar as medidas disponibilizadas por instrumentos a bordo de satélites em informação constitui um empreendimento de extrema utilidade para as mais diversas áreas do saber (como as Geociências ou a Meteorologia), revestindo-se de inúmeras aplicações de interesse para a Sociedade, nomeadamente nos sectores agrícola, energético, dos transportes e da conservação do meio ambiente.

Cumulus momentum fluxes in cloud-resolving model simulations of toga-coare

O objectivo deste trabalho científico é o estudo do transporte vertical de momento linear horizontal (CMT) realizado por sistemas de nuvens de convecção profunda sobre o oceano tropical. Para realizar este estudo, foram utilizadas simulações tridimensionais produzidas por um modelo explícito de nuvens (CRM) para os quatro meses de duração da campanha observacional TOGA COARE que ocorreu sobre as águas quentes do Pacífico ocidental. O estudo foca essencialmente as características estatísticas e à escala da nuvem do CMT durante um episódio de fortes ventos de oeste e durante um período de tempo maior que incluí este evento de convecção profunda. As distribuições verticais e altitude-temporais de campos atmosféricos relacionados com o CMT são avaliadas relativamente aos campos observacionais disponíveis, mostrando um bom acordo com os resultados de estudos anteriores, confirmando assim a boa qualidade das primeiras e fornecendo a confiança necessária para continuar a investigação. A sensibilidade do CMT em relação do domínio espacial do model é analisada, utilizando dois tipos de simulações tridimensionais produzidas por domínios horizontais de diferente dimensão, sugerindo que o CMT não depende da dimensão do domínio espacial horizontal escolhido para simular esta variável. A capacidade da parameterização do comprimento de mistura simular o CMT é testada, destacando as regiões troposféricas onde os fluxos de momento linear horizontal são no sentido do gradiente ou contra o gradiente. Os fluxos no sentido do gradiente apresentam-se relacionados a uma fraca correlação entre os campos atmosféricos que caracterizam esta parameterização, sugerindo que as formulações dos fluxos de massa dentro da nuvem e o fenómeno de arrastamento do ar para dentro da nuvem devem ser revistos. A importância do ar saturado e não saturado para o CMT é estudada com o objectivo de alcançar um melhor entendimento acerca dos mecanismos físicos responsáveis pelo CMT. O ar não saturado e saturado na forma de correntes descendentes contribuem de forma determinante para o CMT e deverão ser considerados em futuras parameterizações do CMT e da convecção em nuvens cumulus. Métodos de agrupamento foram aplicados às contribuições do ar saturado e não saturado, analisando os campos da força de flutuação e da velocidade vertical da partícula de ar, concluindo-se a presença de ondas gravíticas internas como mecanismo responsável pelo ar não saturado. A força do gradiente de pressão dentro da nuvem é também avaliada, utilizando para este efeito a fórmula teórica proposta por Gregory et al. (1997). Uma boa correlação entre esta força e o produto entre efeito de cisalhamento do vento e a perturbação da velocidade vertical é registada, principalmente para as correntes ascendentes dentro da nuvem durante o episódio de convecção profunda. No entanto, o valor ideal para o coeficiente empírico c*, que caracteriza a influência da força do gradiente de pressão dentro da nuvem sobre a variação vertical da velocidade horizontal dentro da nuvem, não é satisfatoriamente alcançado. Bons resultados são alcançados através do teste feito à aproximação do fluxo de massa proposta por Kershaw e Gregory (1997) para o cálculo do CMT total, revelando mais uma vez a importância do ar não saturado para o CMT.

Reconstrução climática para Portugal através de downscaling dinâmico

Apresenta-se uma avaliação de vários métodos de downscaling dinâmico. Os métodos utilizados vão desde o método clássico de aninhar um modelo regional nos resultados de um modelo global, neste caso as reanálises do ECMWF, a métodos propostos mais recentemente, que consistem em utilizar métodos de relaxamento Newtoniano de forma a fazer tender os resultados do modelo regional aos pontos das reanálises que se encontram dentro do domínio deste. O método que apresenta melhores resultados envolve a utilização de um sistema variacional de assimilação de dados de forma a incorporar dados de observações com resultados do modelo regional. A climatologia de uma simulação de 5 anos usando esse método é testada contra observações existentes sobre Portugal Continental e sobre o oceano na área da Plataforma Continental Portuguesa, o que permite concluir que o método desenvolvido é apropriado para reconstrução climática de alta resolução para Portugal Continental.

Prevenção e detecção de incêndios

Os fogos florestais, embora possam ser encarados como um fenómeno natural, constituem igualmente uma ameaça com impactos negativos a vários níveis. A alteração dos regimes naturais do fogo por acção antrópica tem vindo a maximizar o potencial catastrófico do fenómeno em diferentes regiões do planeta, destacando-se, em particular, a Região Mediterrânica, onde o fogo constitui uma perturbação recorrente associada, por um lado, às características climáticas desta região e, por outro, às práticas tradicionais decorrentes da presença humana nessa área, numa extensão temporal de milhares de anos. Em Portugal, o problema dos fogos florestais assume uma expressividade de particular relevo, colocando-o entre os países do sul da Europa mais atingidos pelo fogo a cada Verão. Reconhecendo o papel das condições meteorológicas nas interacções envolvidas no processo de deflagração e propagação de incêndios, a identificação de condições meteorológicas propícias à ocorrência de incêndios, expressa sob a forma de índices de risco reveste-se de crucial importância para as operações de prevenção e combate aos incêndios, para além da mais-valia que constituem para os restantes sectores da sociedade. Adicionalmente, a detecção e monitorização de ocorrências de incêndios a partir de satélites tem vindo a assumir um papel preponderante, revelando-se fundamental enquanto fonte de alerta e pelas potencialidades que as bases de dados resultantes da observação contínua da Terra pelos satélites oferecem, no que às mais diversas áreas de investigação diz respeito. O presente trabalho explora, nas vertentes da prevenção de incêndios, a utilização de previsões de tempo de alta resolução espacial obtidas com o modelo WRF para a determinação das componentes do sistema FWI canadiano e sua disponibilização operacional. Os resultados apontam para um impacto positivo, em virtude do incremento da resolução espacial, da representação espacial do risco meteorológico de incêndio no território português. Paralelamente, apresentam-se os resultados do desenvolvimento de produtos de detecção de incêndios activos a partir da infra-estrutura de recepção de dados de satélite implementadas na Universidade de Aveiro, destacando a sua adequabilidade para a monitorização e identificação, em tempo quase-real, da ocorrência de fogos florestais em Portugal Continental.

Regional and urban air quality modelling under a climate change scenario

The better understanding of the interactions between climate change and air quality is an emerging priority for research and policy. Climate change will bring changes in the climate system, which will affect the concentration and dispersion of air pollutants. The main objective of the current study is to assess the impacts of climate change on air quality in 2050 over Portugal and Porto urban area. First, an evaluation and characterization of the air quality over mainland Portugal was performed for the period between 2002 and 2012. The results show that NO2, PM10 and O3 are the critical pollutants in Portugal. Also, the influence of meteorology on O3, NO2 and PM10 levels was investigate in the national main urban areas (Porto and Lisboa) and was verified that O3 has a statistically significant relationship with temperature in most of the components. The results also indicate that emission control strategies are primary regulators for NO2 and PM10 levels. After, understanding the national air quality problems and the influence that meteorology had in the historical air quality levels, the air quality modelling system WRF-CAMx was tested and the required inputs for the simulations were prepared to fulfil the main goal of this work. For the required air quality modelling inputs, an Emission Projections under RCP scenarios (EmiPro-RCP) model was developed to assist the estimation of future emission inventories for GHG and common air pollutants. Also, the current emissions were estimated for Portugal with a higher detailed disaggregation to improve the performance of the air quality simulations. The air quality modelling system WRF/CAMx was tested and evaluated over Portugal and Porto urban area and the results point out that is an adequate tool for the analysis of air quality under climate change. For this purpose, regional simulations of air quality during historical period and future (2045-2050) were conducted with CAMx version 6.0 to evaluate the impacts of simulated future climate and anthropogenic emission projections on air quality over the study area. The climate and the emission projections were produced under the RCP8.5 scenario. The results from the simulations point out, that if the anthropogenic emissions keep the same in 2050, the concentrations of NO2, PM10 and O3 will increase in Portugal. When, besides the climate change effects, is consider the projected anthropogenic emissions the annual mean concentrations of NO2 decrease significantly in Portugal and Porto urban area, and on the contrary the annual mean PM10 concentrations increases in Portugal and decrease in Porto urban area. The O3 results are mainly caused by the reduction of ozone precursors, getting the higher reductions in urban areas and increases in the surrounding areas. All the analysis performed for both simulations for Porto urban area support that, for PM10 and O3, there will be an increase in the occurrence of extreme values, surpassing the annual legislated parameters and having more daily exceedances. This study constitutes an innovative scientific tool to help in future air quality management in order to mitigate future climate change impacts on air quality.