TIGGE: Comparison of the prediction of northern hemisphere extratropical cyclones by different ensemble prediction systems

The Observing System Research and Predictability Experiment (THORPEX) Interactive Grand Global Ensemble (TIGGE) is a World Weather Research Programme project. One of its main objectives is to enhance collaboration on the development of ensemble prediction between operational centers and universities by increasing the availability of ensemble prediction system (EPS) data for research. This study analyzes the prediction of Northern Hemisphere extratropical cyclones by nine different EPSs archived as part of the TIGGE project for the 6-month time period of 1 February 2008–31 July 2008, which included a sample of 774 cyclones. An objective feature tracking method has been used to identify and track the cyclones along the forecast trajectories. Forecast verification statistics have then been produced [using the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) operational analysis as the truth] for cyclone position, intensity, and propagation speed, showing large differences between the different EPSs. The results show that the ECMWF ensemble mean and control have the highest level of skill for all cyclone properties. The Japanese Meteorological Administration (JMA), the National Centers for Environmental Prediction (NCEP), the Met Office (UKMO), and the Canadian Meteorological Centre (CMC) have 1 day less skill for the position of cyclones throughout the forecast range. The relative performance of the different EPSs remains the same for cyclone intensity except for NCEP, which has larger errors than for position. NCEP, the Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos (CPTEC), and the Australian Bureau of Meteorology (BoM) all have faster intensity error growth in the earlier part of the forecast. They are also very underdispersive and significantly underpredict intensities, perhaps due to the comparatively low spatial resolutions of these EPSs not being able to accurately model the tilted structure essential to cyclone growth and decay. There is very little difference between the levels of skill of the ensemble mean and control for cyclone position, but the ensemble mean provides an advantage over the control for all EPSs except CPTEC in cyclone intensity and there is an advantage for propagation speed for all EPSs. ECMWF and JMA have an excellent spread–skill relationship for cyclone position. The EPSs are all much more underdispersive for cyclone intensity and propagation speed than for position, with ECMWF and CMC performing best for intensity and CMC performing best for propagation speed. ECMWF is the only EPS to consistently overpredict cyclone intensity, although the bias is small. BoM, NCEP, UKMO, and CPTEC significantly underpredict intensity and, interestingly, all the EPSs underpredict the propagation speed, that is, the cyclones move too slowly on average in all EPSs.

Estimativa da precipitação através de técnicas de sensoriamento remoto : estudo de caso para o estado do Rio Grande do Sul

A quantificação da precipitação é dificultada pela extrema aleatoriedade do fenômeno na natureza. Os métodos convencionais para mensuração da precipitação atuam no sentido de espacializar a precipitação mensurada pontualmente em postos pluviométricos para toda a área de interesse e, desta forma, uma rede com elevado número de postos bem distribuídos em toda a área de interesse é necessária para um resultado satisfatório. No entanto, é notória a escassez de postos pluviométricos e a má distribuição espacial dos poucos existentes, não somente no Brasil, mas em vastas áreas do globo. Neste contexto, as estimativas da precipitação com técnicas de sensoriamento remoto e geoprocessamento pretendem potencializar a utilização dos postos pluviométricos existentes através de uma espacialização baseada em critérios físicos. Além disto, o sensoriamento remoto é a ferramenta mais capaz para gerar estimativas de precipitação nos oceanos e nas vastas áreas continentais desprovidas de qualquer tipo de informação pluviométrica. Neste trabalho investigou-se o emprego de técnicas de sensoriamento remoto e geoprocessamento para estimativas de precipitação no sul do Brasil. Três algoritmos computadorizados foram testados, sendo utilizadas as imagens dos canais 1, 3 e 4 (visível, vapor d’água e infravermelho) do satélite GOES 8 (Geostacionary Operational Environmental Satellite – 8) fornecidas pelo Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais. A área de estudo compreendeu todo o estado do Rio Grande do Sul, onde se utilizaram os dados pluviométricos diários derivados de 142 postos no ano de 1998. Os algoritmos citados buscam identificar as nuvens precipitáveis para construir modelos estatísticos que correlacionem as precipitações diária e decendial observadas em solo com determinadas características físicas das nuvens acumuladas durante o mesmo período de tempo e na mesma posição geográfica de cada pluviômetro considerado. Os critérios de decisão que norteiam os algoritmos foram baseados na temperatura do topo das nuvens (através do infravermelho termal), reflectância no canal visível, características de vizinhança e no plano de temperatura x gradiente de temperatura Os resultados obtidos pelos modelos estatísticos são expressos na forma de mapas de precipitação por intervalo de tempo que podem ser comparados com mapas de precipitação obtidas por meios convencionais.

Aplicação do modelo de Rams para o estudo de um vórtice ciclônico que atingiu o município de Viamão

A partir de dados do CPTEC, utilizou-se o modelo numérico Regional Atmospheric Modeling System (RAMS) para simular as condições ambientais que originaram a formação e evolução de um ciclone no dia 11 de outubro de 2000, no município de Viamão, no estado do Rio Grande do Sul. Utilizou-se três grades aninhadas, com resolução progressivamente mais refinada e de forma simultânea. O modelo simulou com bastante precisão os campos de vento, pressão, umidade relativa e temperatura potencial. As simulações foram analisadas e comparadas à dados de superfície, imagens de satélite, cartas sinóticas e radiossondagens. A topografia e a brisa marítima exerceram forte influencia no sentido de intensificar o sistema convectivo que se formou sobre o Estado do Rio grande do Sul, bem como os altos valores de umidade relativa e o intenso cisalhamento vertical. Com estes procedimentos foi possível analisar e caracterizar o perfil atmosférico do sistema estudado e definir parâmetros meteorológicos que justificaram a formação de um tornado.

Ciclos deposionais evaporíticos da bacia de santos uma análise cicloestratigráfica a partir de dados de 2 poços e de traços de sísmica

A seqüência evaporítica Aptiana da Bacia de Santos constitui-se num dos maiores depósitos salíferos antigos conhecidos no mundo, tanto em área como em espessura. Esta última chega a atingir 2.500 m em alguns locais com baixa deformação. Devido à intensa halocinese ocorrida a partir do Albiano, sua estratificação deposicional ficou preservada em poucos locais. O Platô de São Paulo, feição fisiográfica que se estende até as águas profundas da Bacia de Santos, teve papel importante na preservação do acamadamento original. Dois poços e traços de uma seção sísmica, localizados nesta área, foram utilizados para o estudo cicloestratigráfico do pacote evaporítico. A correlação dos dois poços, a partir de seus perfis geofísicos, permitiu a identificação de um ciclo evaporítico principal com grande continuidade lateral e de espessura variável. Este ciclo deposicional foi classificado como do tipo brining upward/downward, e caracteriza-se pela precipitação rítmica de anidrita, halita, sais complexos, halita e, novamente, anidrita, no final de um ciclo e início do seguinte. Esta ordem de deposição foi interpretada como função da variação da espessura da lâmina de água e da concentração da salmoura. A análise cicloestratigráfica dos perfis geofísicos dos dois poços (raios gama, velocidade e densidade) e dos dois traços sísmicos resultou na correlação do principal ciclo identificado com o ciclo orbital de Milankovich de precessão longa, com 22 ka. Um outro ciclo secundário, com maior espessura, foi interpretado como resultado de variações climáticas em função do ciclo de obliqüidade, com um período de 39 ka. As taxas de deposição de cada ciclo são bastante variáveis em função da quantidade de cada tipo de evaporito. Através das análises cicloestratigráficas e do estudo das proporções em que cada sal ocorre, chegou-se a uma taxa de deposição da halita entre 10 e 11,5 m/ka, e de 0,61 a 0,64 m/ka para a anidrita. Esta diferença entre as taxas de deposição da halita e da anidrita explica a grande variação de espessura do ciclo principal, especialmente entre o depocentro e a borda da bacia. A menor concentração da salmoura nas proximidades da borda justifica uma menor espessura do ciclo e uma proporção bem maior de anidrita, quando se compara com uma deposição próxima ao depocentro. A cicloestratigrafia aplicada aos traços sísmicos apresentou resultados similares aos encontrados nos dois poços. A grande variação das propriedades físicas entre os diferentes tipos de evaporitos, especialmente entre a anidrita e os sais complexos, permite a intercalação de refletores com grande amplitude e continuidade. Foram contabilizados 22 ciclos nos dois traços analisados, os quais somados com o nível superior não analisado, mais rico em anidrita, totalizam 573 ka para a idade da seqüência evaporítica. Este resultado, mais os encontrados nos dois poços, permite uma previsão de tempo para a deposição de toda a seqüência entre 400 e 600 ka. Como um modelo mais provável para a deposição de toda a seqüência evaporítica, defende-se, neste trabalho, a hipótese de uma bacia profunda com lâmina de água também profunda. Os ciclos teriam se depositados a partir de mudanças de concentração da salmoura originadas pela variação de uma lâmina de água de cerca de 1000 m, na deposição da anidrita, para menos de 200 na deposição dos sais complexos, na parte mais profunda da bacia. Corroboram para este modelo, a grande continuidade, do depocentro até as bordas, das camadas de cada ciclo, a declividade, mesmo que bastante baixa, da bacia e a impossibilidade de valores de taxas de subsidência similares aos de deposição do ciclo evaporítico.

Recuperação de perfis atmosféricos a partir de ocultação GPS: fundamentos, implementação e análise de resultados

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Desenvolvimento de hardware e software para tratamento e visualização de dados de descargas atmosféricas aplicados à segurança da navegação hidroviária

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Posicionamento GPS utilizando o conceito de estação virtual

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

Iniciação de tempestades convectivas em um ambiente tropical úmido

Pós-graduação em Agronomia (Energia na Agricultura) - FCA

Sobre o sinal de um downscaling dinâmico às oscilações intrassazonais de precipitação no setor norte do Nordeste do Brasil

Oscilações intrassazonais são fatores controladores da variabilidade pluviométrica interanual de áreas tropicais. O conhecimento de como os modelos numéricos reproduzem suas variabilidades é importante para entender melhor suas atuações e subsidiar operações de previsão de tempo e clima. Neste artigo investiga-se a sensibilidade de um modelo de downscaling dinâmico de precipitação na reprodução das oscilações intrassazonais observadas no setor norte do Nordeste do Brasil (SNNEB - 45ºW-37ºW e 2ºS-12ºS) no período de 1974 a 2000. Os resultados mostraram que a precipitação simulada sobre o SNNEB explicou aproximadamente 70% da variabilidade da precipitação observada no trimestre fevereiro a abril nesta região. Estatísticas de médias, desvios normalizados e percentuais neste trimestre, nessa região, em anos de contrastes climáticos nos Oceanos Pacífico e Atlântico Tropicais, também foram bem capturadas pela precipitação simulada através do downscaling. Análises espectrais com uso de ondeletas mostraram que o downscaling dinâmico tem potencial para reproduzir picos espectrais de precipitação observada no SNNEB nas escalas acima de 8 dias, e nas escalas entre 64 e 128 dias para o período de 01 de janeiro a 30 de junho.

Estudo e desenvolvimento do índice potencial de impacto de descargas atmosféricas em linhas de transmissão

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEG

Aplicações das Cadeias de Markov para o Ensino Médio

Pós-graduação em Matemática em Rede Nacional - IBILCE

Heat island simulations in Londrina city, Brazil

This work aims to study the urban heat island on North region of Parana state, Brazil and the influence of land use and urban settlements on the intensity and frequency of occurrence of these events. Through atmospheric modeling whith WRF/Chem model two simulations were made with different land and use files, one with the original land use another obtained from a composition of MODIS-Landsat imagery. The simulations showed good skills compared to observed data. Urban areas presented higher temperatures. Landsat land use has represented better urban heat islands (UHI), the gradient between urban and rural areas was well demonstrated and the correlation coefficient was above 0.92. The model underestimated the maximum values and overestimated the minimum compared with observed data in both simulations.

Air quality simulations for Londrina region, Brazil

The objective of this work were apply and provide a preliminary evaluation of the Weather Research and Forecasting model coupled with Chemistry (WRF-Chem) performance, for Londrina region. We performed comparison with measurements obtained in meteorological stations. The model was configured to run with three domains with 27,9 and 3 km of grid resolution, using the ndown program and also was realized a simulation with the model configured to run with a single domain using a land use file based in a classified image for region of MODIS sensor. The emission files to supply the chemistry run were generated based in the work of Martins et al., 2012. RADM2 chemical mechanism and MADE/SORGAM modal aerosol models were used in the simulations. The results demonstrated that model was able to represent coherently the formation and dispersion of the pollution in Metropolitan Region of Londrina and also the importance of using the appropriate land use file for the region.

Estudo do balanço de umidade por meio de modelos regionais para o clima do passado e do futuro sobre a América do Sul

In the context of climate change over South America (SA) has been observed that the combination of high temperatures and rain more temperatures less rainfall, cause different impacts such as extreme precipitation events, favorable conditions for fires and droughts. As a result, these regions face growing threat of water shortage, local or generalized. Thus, the water availability in Brazil depends largely on the weather and its variations in different time scales. In this sense, the main objective of this research is to study the moisture budget through regional climate models (RCM) from Project Regional Climate Change Assessments for La Plata Basin (CLARIS-LPB) and combine these RCM through two statistical techniques in an attempt to improve prediction on three areas of AS: Amazon (AMZ), Northeast Brazil (NEB) and the Plata Basin (LPB) in past climates (1961-1990) and future (2071-2100). The moisture transport on AS was investigated through the moisture fluxes vertically integrated. The main results showed that the average fluxes of water vapor in the tropics (AMZ and NEB) are higher across the eastern and northern edges, thus indicating that the contributions of the trade winds of the North Atlantic and South are equally important for the entry moisture during the months of JJA and DJF. This configuration was observed in all the models and climates. In comparison climates, it was found that the convergence of the flow of moisture in the past weather was smaller in the future in various regions and seasons. Similarly, the majority of the SPC simulates the future climate, reduced precipitation in tropical regions (AMZ and NEB), and an increase in the LPB region. The second phase of this research was to carry out combination of RCM in more accurately predict precipitation, through the multiple regression techniques for components Main (C.RPC) and convex combination (C.EQM), and then analyze and compare combinations of RCM (ensemble). The results indicated that the combination was better in RPC represent precipitation observed in both climates. Since, in addition to showing values be close to those observed, the technique obtained coefficient of correlation of moderate to strong magnitude in almost every month in different climates and regions, also lower dispersion of data (RMSE). A significant advantage of the combination of methods was the ability to capture extreme events (outliers) for the study regions. In general, it was observed that the wet C.EQM captures more extreme, while C.RPC can capture more extreme dry climates and in the three regions studied.

Study of different atmospheric environments associated to storms development in the Madeira Island

The study aims to improve the understanding about different atmospheric environments leading to the development of storms associated with heavy precipitation in Madeira Island. For this purpose, four main goals have been considered: 1) To document the synoptic and mesoscale environments associated with heavy precipitation. 2) To characterize surface precipitation patterns that affected the island during some periods of significant accumulated precipitation using numerical modelling. 3) To study the relationship between surface precipitation patterns and mesoscale environments. 4) To highlight how the PhD findings obtained in the first three goals can be translated into an operational forecast context. Concerning the large scale environment, precipitation over the island was favoured by weather systems (e.g, mesoscale convective systems and low pressure systems), as well as by the meridional transport of high amount of moisture from a structure denominated as “Atmospheric River”. The tropical origin of this moisture is underscored, however, their impact on the precipitation in Madeira was not so high during the 10 winter seasons [2002 – 2012] studied. The main factor triggering heavy precipitation events over the island is related to the local orography. The steep terrain favours orographically-induced stationary precipitation over the highlands, although maximum of precipitation at coastal region may be produced by localized blocking effect. These orographic precipitating systems presented different structures, associated with shallow and deep convection. Essentially, the study shows that the combination of airflow dynamics, moist content, and orography is the major mechanism that produces precipitation over the island. These factors together with the event duration act to define the regions of excessive precipitation. Finally, the study highlights two useful points for the operational sector, regarding the meridional water vapour transport and local effects causing significant precipitation over the Island; RESUMO: O estudo procura melhorar o entendimento sobre os diferentes ambientes atmosféricos que favorecem o desenvolvimento de tempestades associadas com precipitação intensa na ilha da Madeira. Nesse sentido foram definidos quatro objetivos: 1) Documentar os ambientes sinópticos e de mesoescala associados com precipitação intensa; 2) Caracterizar padrões de precipitação na superfície, em eventos de elevada precipitação acumulada, utilizando modelação numérica; 3) Estudar as relações entre os padrões de precipitação e ambientes de mesoescala; 4) Mostrar como tais resultados podem ser utilizados num contexto operacional de previsão do tempo. Em relação a ambientes de larga escala, verificou-se que a ocorrência de eventos de precipitação intensa sobre a ilha foi favorecida por sistemas meteorológicos, assim como pelo transporte meridional de humidade por meio de estruturas atualmente denominadas Rios atmosféricos. Neste último caso é de destacar a origem tropical de humidade, no entanto, o seu impacto na precipitação sobre a Madeira durante os 10 invernos estudados [2002-2012] não foi tão elevada. O principal fator que favorece os eventos de precipitação intensa está relacionado com a orografia local. O terreno complexo da ilha favorece a ocorrência de precipitação estacionária induzida orograficamente sobre as terras mais altas, embora a precipitação nas zonas costeiras possa ser produzida por um efeito localizado de bloqueio. Estes sistemas orográficos precipitantes apresentaram diferentes estruturas, associados a convecção pouco profunda e profunda. O estudo mostra que a combinação entre as características do escoamento, a quantidade de humidade, e a orografia são os condimentos essenciais para o desenvolvimento da precipitação sobre a ilha, atuando de maneira a definir as regiões de precipitação excessiva. Por fim, o estudo destaca dois pontos que podem ser úteis na previsão do tempo operacional, ligados a larga escala e aos efeitos locais, os quais podem levar ao desenvolvimento de tempestades e precipitação intensa sobre a ilha.