Modelagem neutrosférica sobre a América do Sul baseada em PNT e assimilação de dados locais e robusta avaliação utilizando observações GNSS

Pós-graduação em Ciências Cartográficas - FCT

Clima e turismo no município de Botucatu-SP

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Estimativas do IWV utilizando receptores GPS em bases terrestres no Brasil: sinergia entre a geodésia e a meteorologia

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Modelo OLAM (ocean-land-atmosphere-model): descrição, aplicações, e perspectivas

O modelo OLAM foi desenvolvido com objetivo de estender a capacidade de representar os fenômenos de escala global e regional simultaneamente. Este modelo apresenta inovações quanto aos processos dinâmicos, configuração de grade, estrutura de memória e técnicas de solução numérica das equações prognósticas. As equações de Navier-Stokes são resolvidas através da técnica de volumes finitos que conservam massa, momento e energia. No presente trabalho, apresenta-se uma descrição sucinta do OLAM e alguns resultados de sua aplicação em simulações climáticas da precipitação mensal para a região norte da América do Sul, bem como em rodadas para previsão numérica de tempo regional. Os resultados mostram que o modelo consegue representar bem os aspectos meteorológicos de grande escala. Em geral, seu desempenho melhora quando são adotadas grades de maior resolução espacial, nas quais se verificam melhorias significativas tanto na estimativa da precipitação mensal regional, quanto na previsão numérica de tempo.

Análise de modelos troposféricos no posicionamento baseado em redes usando o conceito de VRS

In the past few years several GPS (Global Position System) positioning techniques have been develope and/or improved with the goal of obtaining high accuracy and productivity in real time. The reference station network concept besides to enabling quality and reliability in positioning for scientific and civil GPS community, allows studies concerning tropospheric refraction modeling in the network region. Moreover, among the network corrections transmission methods available to users, there is the VRS (Virtual Reference Station) concept. In this method, the data of a virtual station are generated near the rover receiver (user). This provides a short baseline and the user has the possibility of using a single frequency receiver to accomplish the relative positioning. In this paper, the methodology applied to generate VRS data, using different tropospheric models is described. Thus, comparative tests were conducted in the four seasons with the NWP/INPE (Numerical Weather Prediction/National Institute for Space Research) and Hopfield tropospheric models. In order to analyse the VRS data quality, it was used the Precise Point Positioning (PPP) method, where satisfactory results were found. Mean differences between PNT/INPE and Hopfield models of 9.75% and 24.2% for the hydrostatic and wet days, respectively were obtained.

First results from an airborne GPS radio occultation system for atmospheric profiling

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

AVALIAÇÃO ROBUSTA DA MODELAGEM NEUTROSFÉRICA SOBRE O TERRITÓRIO BRASILEIRO BASEADA EM MODELOS DE PREVISÃO NUMÉRICA DE TEMPO DA AMÉRICA DO SUL

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Potential impacts of polar fronts on sedimentation processes at Abrolhos coral reef (South-West Atlantic Ocean/Brazil)

Several reefs of the world have undergone changes in community due to sedimentation processes. It has been suggested that Abrolhos reefs (Brazil/South-West Atlantic) are subjected to a steady coastal influence, although there is still little information regarding this assumption. In this work, we have analyzed a set of environmental parameters concerning sedimentation characteristics at the Abrolhos reefs, near 18 degrees S-39 degrees W. The analysis included remote sensing, model and in situ data to provide a three-dimensional quantitative description of the processes that influence sediment apportionment to the reefs. Mineralogy and natural radioactivity of sediment trapped at three reef sites in a transect perpendicular to the coastline were used in conjunction with numerical weather prediction model and remote sensing databases. We have observed an increase of around 100% of sediment flux during the summer compared to the winter season. A comparison of regional rainfall regime, sediment plume dynamics and a year-around monitoring of polar fronts trajectories and surface wind showed that the wind-driven resedimentation due to polar front activity is the major contributor to the intensification of sedimentation processes at the offshore area of Abrolhos reefs, despite river runoff from mainland. (C) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Description of atmospheric conditions at the Pierre Auger Observatory using the Global Data Assimilation System (GDAS)

Atmospheric conditions at the site of a cosmic ray observatory must be known for reconstructing observed extensive air showers. The Global Data Assimilation System (GDAS) is a global atmospheric model predicated on meteorological measurements and numerical weather predictions. GDAS provides altitude-dependent profiles of the main state variables of the atmosphere like temperature, pressure, and humidity. The original data and their application to the air shower reconstruction of the Pierre Auger Observatory are described. By comparisons with radiosonde and weather station measurements obtained on-site in Malargue and averaged monthly models, the utility of the GDAS data is shown. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Dynamical aspects of atmospheric data assimilation in the tropics

A faithful depiction of the tropical atmosphere requires three-dimensional sets of observations. Despite the increasing amount of observations presently available, these will hardly ever encompass the entire atmosphere and, in addition, observations have errors. Additional (background) information will always be required to complete the picture. Valuable added information comes from the physical laws governing the flow, usually mediated via a numerical weather prediction (NWP) model. These models are, however, never going to be error-free, why a reliable estimate of their errors poses a real challenge since the whole truth will never be within our grasp. The present thesis addresses the question of improving the analysis procedures for NWP in the tropics. Improvements are sought by addressing the following issues: - the efficiency of the internal model adjustment, - the potential of the reliable background-error information, as compared to observations, - the impact of a new, space-borne line-of-sight wind measurements, and - the usefulness of multivariate relationships for data assimilation in the tropics. Most NWP assimilation schemes are effectively univariate near the equator. In this thesis, a multivariate formulation of the variational data assimilation in the tropics has been developed. The proposed background-error model supports the mass-wind coupling based on convectively-coupled equatorial waves. The resulting assimilation model produces balanced analysis increments and hereby increases the efficiency of all types of observations. Idealized adjustment and multivariate analysis experiments highlight the importance of direct wind measurements in the tropics. In particular, the presented results confirm the superiority of wind observations compared to mass data, in spite of the exact multivariate relationships available from the background information. The internal model adjustment is also more efficient for wind observations than for mass data. In accordance with these findings, new satellite wind observations are expected to contribute towards the improvement of NWP and climate modeling in the tropics. Although incomplete, the new wind-field information has the potential to reduce uncertainties in the tropical dynamical fields, if used together with the existing satellite mass-field measurements. The results obtained by applying the new background-error representation to the tropical short-range forecast errors of a state-of-art NWP model suggest that achieving useful tropical multivariate relationships may be feasible within an operational NWP environment.

Estudio y análisis de las necesidades computacionales de un parque eólico

[ES] La energía eólica es una de las fuentes de energía renovable más importante hoy día con un continuo crecimiento a nivel mundial. España también ha apostado por las renovables y más concretamente por la energía eólica, materializándose con importantes instalaciones en gran parte de las comunidades autónomas entre ellas, Canarias. Con la realización de este trabajo se pretende estudiar el potencial eólico disponible en la zona donde se pretenda instalar o mantener un parque eólico, empleando para ello la ayuda de un supercomputador, el cual se encargará, por medio de un software de predicción meteorológica, que ayudarán en la decisión de dónde ubicar un parque eólico y, posteriormente, en la fase de explotación, predecir la potencia que un parque eólico inyectará en la red eléctrica con la antelación suficiente para que permita planificar las centrales de reserva de generación de energía tradicional u otras acciones que se consideren de interés. Durante el desarrollo del trabajo emplearemos el software “WRF” de predicción meteorológica. Esto generará un alto coste computacional y es por lo que proponemos realizar los cálculos empleando la ayuda de un supercomputador. Para concluir el trabajo mostraremos las características del supercomputador Atlante, situado en Las Palmas de Gran Canaria, y analizaremos el coste que le supondría a una empresa, la compra o el alquiler de un supercomputador.

A dynamical system approach to data assimilation in chaotic models

The Assimilation in the Unstable Subspace (AUS) was introduced by Trevisan and Uboldi in 2004, and developed by Trevisan, Uboldi and Carrassi, to minimize the analysis and forecast errors by exploiting the flow-dependent instabilities of the forecast-analysis cycle system, which may be thought of as a system forced by observations. In the AUS scheme the assimilation is obtained by confining the analysis increment in the unstable subspace of the forecast-analysis cycle system so that it will have the same structure of the dominant instabilities of the system. The unstable subspace is estimated by Breeding on the Data Assimilation System (BDAS). AUS- BDAS has already been tested in realistic models and observational configurations, including a Quasi-Geostrophicmodel and a high dimensional, primitive equation ocean model; the experiments include both fixed and“adaptive”observations. In these contexts, the AUS-BDAS approach greatly reduces the analysis error, with reasonable computational costs for data assimilation with respect, for example, to a prohibitive full Extended Kalman Filter. This is a follow-up study in which we revisit the AUS-BDAS approach in the more basic, highly nonlinear Lorenz 1963 convective model. We run observation system simulation experiments in a perfect model setting, and with two types of model error as well: random and systematic. In the different configurations examined, and in a perfect model setting, AUS once again shows better efficiency than other advanced data assimilation schemes. In the present study, we develop an iterative scheme that leads to a significant improvement of the overall assimilation performance with respect also to standard AUS. In particular, it boosts the efficiency of regime’s changes tracking, with a low computational cost. Other data assimilation schemes need estimates of ad hoc parameters, which have to be tuned for the specific model at hand. In Numerical Weather Prediction models, tuning of parameters — and in particular an estimate of the model error covariance matrix — may turn out to be quite difficult. Our proposed approach, instead, may be easier to implement in operational models.

Verifikation der Niederschlagsvorhersage für Deutschland von 2001 - 2004

Die Verifikation numerischer Modelle ist für die Verbesserung der Quantitativen Niederschlagsvorhersage (QNV) unverzichtbar. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung von neuen Methoden zur Verifikation der Niederschlagsvorhersagen aus dem regionalen Modell der MeteoSchweiz (COSMO-aLMo) und des Globalmodells des Europäischen Zentrums für Mittelfristvorhersage (engl.: ECMWF). Zu diesem Zweck wurde ein neuartiger Beobachtungsdatensatz für Deutschland mit stündlicher Auflösung erzeugt und angewandt. Für die Bewertung der Modellvorhersagen wurde das neue Qualitätsmaß „SAL“ entwickelt. Der neuartige, zeitlich und räumlich hoch-aufgelöste Beobachtungsdatensatz für Deutschland wird mit der während MAP (engl.: Mesoscale Alpine Program) entwickelten Disaggregierungsmethode erstellt. Die Idee dabei ist, die zeitlich hohe Auflösung der Radardaten (stündlich) mit der Genauigkeit der Niederschlagsmenge aus Stationsmessungen (im Rahmen der Messfehler) zu kombinieren. Dieser disaggregierte Datensatz bietet neue Möglichkeiten für die quantitative Verifikation der Niederschlagsvorhersage. Erstmalig wurde eine flächendeckende Analyse des Tagesgangs des Niederschlags durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass im Winter kein Tagesgang existiert und dies vom COSMO-aLMo gut wiedergegeben wird. Im Sommer dagegen findet sich sowohl im disaggregierten Datensatz als auch im COSMO-aLMo ein deutlicher Tagesgang, wobei der maximale Niederschlag im COSMO-aLMo zu früh zwischen 11-14 UTC im Vergleich zu 15-20 UTC in den Beobachtungen einsetzt und deutlich um das 1.5-fache überschätzt wird. Ein neues Qualitätsmaß wurde entwickelt, da herkömmliche, gitterpunkt-basierte Fehlermaße nicht mehr der Modellentwicklung Rechnung tragen. SAL besteht aus drei unabhängigen Komponenten und basiert auf der Identifikation von Niederschlagsobjekten (schwellwertabhängig) innerhalb eines Gebietes (z.B. eines Flusseinzugsgebietes). Berechnet werden Unterschiede der Niederschlagsfelder zwischen Modell und Beobachtungen hinsichtlich Struktur (S), Amplitude (A) und Ort (L) im Gebiet. SAL wurde anhand idealisierter und realer Beispiele ausführlich getestet. SAL erkennt und bestätigt bekannte Modelldefizite wie das Tagesgang-Problem oder die Simulation zu vieler relativ schwacher Niederschlagsereignisse. Es bietet zusätzlichen Einblick in die Charakteristiken der Fehler, z.B. ob es sich mehr um Fehler in der Amplitude, der Verschiebung eines Niederschlagsfeldes oder der Struktur (z.B. stratiform oder kleinskalig konvektiv) handelt. Mit SAL wurden Tages- und Stundensummen des COSMO-aLMo und des ECMWF-Modells verifiziert. SAL zeigt im statistischen Sinne speziell für stärkere (und damit für die Gesellschaft relevante Niederschlagsereignisse) eine im Vergleich zu schwachen Niederschlägen gute Qualität der Vorhersagen des COSMO-aLMo. Im Vergleich der beiden Modelle konnte gezeigt werden, dass im Globalmodell flächigere Niederschläge und damit größere Objekte vorhergesagt werden. Das COSMO-aLMo zeigt deutlich realistischere Niederschlagsstrukturen. Diese Tatsache ist aufgrund der Auflösung der Modelle nicht überraschend, konnte allerdings nicht mit herkömmlichen Fehlermaßen gezeigt werden. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Methoden sind sehr nützlich für die Verifikation der QNV zeitlich und räumlich hoch-aufgelöster Modelle. Die Verwendung des disaggregierten Datensatzes aus Beobachtungen sowie SAL als Qualitätsmaß liefern neue Einblicke in die QNV und lassen angemessenere Aussagen über die Qualität von Niederschlagsvorhersagen zu. Zukünftige Anwendungsmöglichkeiten für SAL gibt es hinsichtlich der Verifikation der neuen Generation von numerischen Wettervorhersagemodellen, die den Lebenszyklus hochreichender konvektiver Zellen explizit simulieren.

Radar based improvements and diagnosis of the convective capabilities of the cosmo-2 model

In the last few years the resolution of numerical weather prediction (nwp) became higher and higher with the progresses of technology and knowledge. As a consequence, a great number of initial data became fundamental for a correct initialization of the models. The potential of radar observations has long been recognized for improving the initial conditions of high-resolution nwp models, while operational application becomes more frequent. The fact that many nwp centres have recently taken into operations convection-permitting forecast models, many of which assimilate radar data, emphasizes the need for an approach to providing quality information which is needed in order to avoid that radar errors degrade the model's initial conditions and, therefore, its forecasts. Environmental risks can can be related with various causes: meteorological, seismical, hydrological/hydraulic. Flash floods have horizontal dimension of 1-20 Km and can be inserted in mesoscale gamma subscale, this scale can be modeled only with nwp model with the highest resolution as the COSMO-2 model. One of the problems of modeling extreme convective events is related with the atmospheric initial conditions, in fact the scale dimension for the assimilation of atmospheric condition in an high resolution model is about 10 Km, a value too high for a correct representation of convection initial conditions. Assimilation of radar data with his resolution of about of Km every 5 or 10 minutes can be a solution for this problem. In this contribution a pragmatic and empirical approach to deriving a radar data quality description is proposed to be used in radar data assimilation and more specifically for the latent heat nudging (lhn) scheme. Later the the nvective capabilities of the cosmo-2 model are investigated through some case studies. Finally, this work shows some preliminary experiments of coupling of a high resolution meteorological model with an Hydrological one.

Merkmalsbezogene Verifikation hochaufgelöster Niederschlagsvorhersagen für Deutschland

Die Verifikation bewertet die Güte von quantitativen Niederschlagsvorhersagen(QNV) gegenüber Beobachtungen und liefert Hinweise auf systematische Modellfehler. Mit Hilfe der merkmals-bezogenen Technik SAL werden simulierte Niederschlagsverteilungen hinsichtlich (S)truktur, (A)mplitude und (L)ocation analysiert. Seit einigen Jahren werden numerische Wettervorhersagemodelle benutzt, mit Gitterpunktabständen, die es erlauben, hochreichende Konvektion ohne Parametrisierung zu simulieren. Es stellt sich jetzt die Frage, ob diese Modelle bessere Vorhersagen liefern. Der hoch aufgelöste stündliche Beobachtungsdatensatz, der in dieser Arbeit verwendet wird, ist eine Kombination von Radar- und Stationsmessungen. Zum einem wird damit am Beispiel der deutschen COSMO-Modelle gezeigt, dass die Modelle der neuesten Generation eine bessere Simulation des mittleren Tagesgangs aufweisen, wenn auch mit zu geringen Maximum und etwas zu spätem Auftreten. Im Gegensatz dazu liefern die Modelle der alten Generation ein zu starkes Maximum, welches erheblich zu früh auftritt. Zum anderen wird mit dem neuartigen Modell eine bessere Simulation der räumlichen Verteilung des Niederschlags, durch eine deutliche Minimierung der Luv-/Lee Proble-matik, erreicht. Um diese subjektiven Bewertungen zu quantifizieren, wurden tägliche QNVs von vier Modellen für Deutschland in einem Achtjahreszeitraum durch SAL sowie klassischen Maßen untersucht. Die höher aufgelösten Modelle simulieren realistischere Niederschlagsverteilungen(besser in S), aber bei den anderen Komponenten tritt kaum ein Unterschied auf. Ein weiterer Aspekt ist, dass das Modell mit der gröbsten Auf-lösung(ECMWF) durch den RMSE deutlich am besten bewertet wird. Darin zeigt sich das Problem des ‚Double Penalty’. Die Zusammenfassung der drei Komponenten von SAL liefert das Resultat, dass vor allem im Sommer das am feinsten aufgelöste Modell (COSMO-DE) am besten abschneidet. Hauptsächlich kommt das durch eine realistischere Struktur zustande, so dass SAL hilfreiche Informationen liefert und die subjektive Bewertung bestätigt. rnIm Jahr 2007 fanden die Projekte COPS und MAP D-PHASE statt und boten die Möglich-keit, 19 Modelle aus drei Modellkategorien hinsichtlich ihrer Vorhersageleistung in Südwestdeutschland für Akkumulationszeiträume von 6 und 12 Stunden miteinander zu vergleichen. Als Ergebnisse besonders hervorzuheben sind, dass (i) je kleiner der Gitter-punktabstand der Modelle ist, desto realistischer sind die simulierten Niederschlags-verteilungen; (ii) bei der Niederschlagsmenge wird in den hoch aufgelösten Modellen weniger Niederschlag, d.h. meist zu wenig, simuliert und (iii) die Ortskomponente wird von allen Modellen am schlechtesten simuliert. Die Analyse der Vorhersageleistung dieser Modelltypen für konvektive Situationen zeigt deutliche Unterschiede. Bei Hochdrucklagen sind die Modelle ohne Konvektionsparametrisierung nicht in der Lage diese zu simulieren, wohingegen die Modelle mit Konvektionsparametrisierung die richtige Menge, aber zu flächige Strukturen realisieren. Für konvektive Ereignisse im Zusammenhang mit Fronten sind beide Modelltypen in der Lage die Niederschlagsverteilung zu simulieren, wobei die hoch aufgelösten Modelle realistischere Felder liefern. Diese wetterlagenbezogene Unter-suchung wird noch systematischer unter Verwendung der konvektiven Zeitskala durchge-führt. Eine erstmalig für Deutschland erstellte Klimatologie zeigt einen einer Potenzfunktion folgenden Abfall der Häufigkeit dieser Zeitskala zu größeren Werten hin auf. Die SAL Ergebnisse sind für beide Bereiche dramatisch unterschiedlich. Für kleine Werte der konvektiven Zeitskala sind sie gut, dagegen werden bei großen Werten die Struktur sowie die Amplitude deutlich überschätzt. rnFür zeitlich sehr hoch aufgelöste Niederschlagsvorhersagen gewinnt der Einfluss der zeitlichen Fehler immer mehr an Bedeutung. Durch die Optimierung/Minimierung der L Komponente von SAL innerhalb eines Zeitfensters(+/-3h) mit dem Beobachtungszeit-punkt im Zentrum ist es möglich diese zu bestimmen. Es wird gezeigt, dass bei optimalem Zeitversatz die Struktur und Amplitude der QNVs für das COSMO-DE besser werden und damit die grundsätzliche Fähigkeit des Modells die Niederschlagsverteilung realistischer zu simulieren, besser gezeigt werden kann.