Characterization of ozone transport among metropolitan regions

The aim of this work is to determine the interaction in terms of ozone transport between two metropolitan regions of São Paulo State: The Metropolitan Region of Campinas (MRC) and Metropolitan Region of São Paulo (MRSP), with different characteristics and dimensions. In order to describe the interaction between both regions, 3-D Eulerian photochemical CIT model was used with a new approach for São Paulo regions since most previous studies deal with individual areas considering the contribution of other areas only as boundary conditions. The results from the photochemical simulations showed that the ozone concentration in the MRC is associated to local emissions and the transport of ozone and its precursors from the MRSP, demonstrating the significant impact of a megacity in its neighborhood and the importance of meteorological and topography conditions in the transport of air pollutants from the local source to distant regions.

Avaliação da influência de condições meteorológicas na ocorrência e manutenção de um episódio prolongado com altas concentrações de ozônio sobre a região metropolitana de São Paulo

Na Região Metropolitana de São Paulo, a rede de monitoramento da qualidade do ar registra frequentemente valores de concentração de ozônio superiores aos estabelecidos pela legislação em vigor no Brasil. Em algumas ocasiões, condições meteorológicas favoráveis ao processo de formação de ozônio possibilitam a ocorrência de altas concentrações de ozônio durante diversos dias consecutivos na região. A influência de condições meteorológicas no episódio de poluição, registrado entre os dias de 24 de fevereiro e 05 de março de 2003, foi avaliada através de simulações numéricas com o modelo SPM-BRAMS. Estudos observacionais mostram que a ocorrência de ventos fracos, principalmente, durante o período noturno e durante as manhãs, favorece a formação de altas concentrações de ozônio sobre a região. O horário de entrada e a atuação da brisa marítima são fundamentais para o transporte do ozônio e de seus precursores. Essas condições foram bem simuladas pelo modelo. Para os dias mais críticos, quando diversas estações de monitoramento registraram a ocorrência de violações ao padrão nacional de qualidade do ar, o modelo simulou adequadamente as condições atmosféricas determinantes para a manutenção de valores elevados nas concentrações de ozônio, sem a necessidade de nenhum procedimento artificial ao longo das integrações.

Aplicação de parâmetros convectivos para um caso de linha de instabilidade

Este trabalho visa avaliar a aplicação de parâmetros convectivos (PC) para um caso de linha de instabilidade (LI) ocorrida sobre a Região Metropolitana de São Paulo (RMSP), com o intuito de demonstrar como o uso da modelagem numérica, utilizando o modelo BRAMS (Brazilian developments on the Regional Atmospheric Modeling System), pode contribuir principalmente com a obtenção de perfis atmosféricos, necessários para uma boa previsão das tempestades.

The aplication of land use and nighttime lights on the development of high-resolution emission inventories for South America

In this paper, nighttime light data are suggested as a proxy for spatial distribution of vehicles running in urban and nearby areas. Nighttime lights focus on human activities, in contrast to traditional Earth observing systems that focus on natural systems. It is the human activity being visible in the form of brightness of nocturnal lights. Two available nighttime lights dataset were used in this work. The first one was provided by the U.S. Air Force Defense Meteorological Satellite Program (DMSP) Operational Linescan System (OLS), henceforth, DMSO-OLS. The second one is the NASA-NOAA Suomi National Polar-orbiting Polar-orbiting Partnership (NPP) satellite, henceforth, Suomi-NPP. To validate the new proposed methodology, hundreds of urban areas of South America were analyzed in a high degree of resolution. The results of this study showed that night-time lights are very well correlated with vehicle fleet, population, and impervious surfaces but with strong spatial variability. The results of this study suggest a better understanding of the human activities in the context of a vehicular-based city conception.

Impacto da temperatura da superfície do mar na simulação da Zona de Convergência do Atlântico Sul

Durante o verão austral, diversas regiões do Brasil são afetadas por precipitação intensa, geralmente associada à Zona de Convergência do Atlântico Sul (ZCAS). O objetivo geral deste trabalho foi investigar a influência da resolução espacial e temporal dos dados de temperatura da superfície do mar (TSM) na simulação da precipitação associada à ZCAS. Foram realizadas simulações com o modelo BRAMS (Brazilian developments on the Regional Atmospheric Modeling System) para dois eventos de ZCAS, ocorridos em 1998 (El Niño) e 1999 (La Niña). A quantidade de precipitação acumulada na parte oceânica da ZCAS foi maior nos experimentos com TSM mais quente. Índices estatísticos foram utilizados para verificação do desempenho do modelo na simulação de precipitação nas regiões que compõem a ZCAS (oceânica, costeira e amazônica), com diferentes dados de TSM. A resolução espaço-temporal dos dados de TSM influencia de forma pouco significativa na representação da ZCAS pelo modelo BRAMS. O modelo é mais eficiente em identificar a ocorrência/não ocorrência de chuva do que em localizar núcleos mais intensos e seu desempenho foi superior (inferior) na região amazônica (oceânica) da ZCAS.

Modelling the stable, nocturnal boundary layer: different approaches to turbulence closure problem

Il lavoro è dedicato all'analisi fisica e alla modellizzazione dello strato limite atmosferico in condizioni stabili. L'obiettivo principale è quello di migliorare i modelli di parametrizzazione della turbulenza attualmente utilizzati dai modelli meteorologici a grande scala. Questi modelli di parametrizzazione della turbolenza consistono nell' esprimere gli stress di Reynolds come funzioni dei campi medi (componenti orizzontali della velocità e temperatura potenziale) usando delle chiusure. La maggior parte delle chiusure sono state sviluppate per i casi quasi-neutrali, e la difficoltà è trattare l'effetto della stabilità in modo rigoroso. Studieremo in dettaglio due differenti modelli di chiusura della turbolenza per lo strato limite stabile basati su assunzioni diverse: uno schema TKE-l (Mellor-Yamada,1982), che è usato nel modello di previsione BOLAM (Bologna Limited Area Model), e uno schema sviluppato recentemente da Mauritsen et al. (2007). Le assunzioni delle chiusure dei due schemi sono analizzate con dati sperimentali provenienti dalla torre di Cabauw in Olanda e dal sito CIBA in Spagna. Questi schemi di parametrizzazione della turbolenza sono quindi inseriti all'interno di un modello colonnare dello strato limite atmosferico, per testare le loro predizioni senza influenze esterne. Il confronto tra i differenti schemi è effettuato su un caso ben documentato in letteratura, il "GABLS1". Per confermare la validità delle predizioni, un dataset tridimensionale è creato simulando lo stesso caso GABLS1 con una Large Eddy Simulation. ARPS (Advanced Regional Prediction System) è stato usato per questo scopo. La stratificazione stabile vincola il passo di griglia, poichè la LES deve essere ad una risoluzione abbastanza elevata affinchè le tipiche scale verticali di moto siano correttamente risolte. Il confronto di questo dataset tridimensionale con le predizioni degli schemi turbolenti permettono di proporre un insieme di nuove chiusure atte a migliorare il modello di turbolenza di BOLAM. Il lavoro è stato compiuto all' ISAC-CNR di Bologna e al LEGI di Grenoble.

Analisi meteorologica e modellistica dei due eventi alluvionali in liguria dell'autunno 2011: cinque terre - 25 ottobre genova - 4 novembre

Nell’autunno del 2011 due eventi meteorologici estremi caratterizzati da intense precipitazioni hanno interessato la Liguria. Nella giornata del 25 ottobre si è verificato sul Levante ligure un evento alluvionale di rilevante entità, determinato dalla formazione di un intenso sistema convettivo che ha coinvolto l’area compresa tra il Tigullio, le Cinque Terre ed il bacino del Magra. Un altro episodio di forte maltempo si è verificato tra il 3 e il 9 novembre 2011, e in particolare il forte sistema convettivo che ha interessato Genova la mattina del 4 novembre, in cui avvenne l’esondazione in alcuni punti del torrente Bisagno e del rio Fereggiano. Tuttavia, nel corso del lungo periodo perturbato si sono registrati vari episodi di esondazione, localizzati principalmente in zone golenali agricole, anche sui versanti padani della regione, oltre a numerosi casi di smottamenti e frane. I casi sopra citati sono stati studiati facendo innanzitutto un’accurata analisi meteorologica a scala sinottica e alla mesoscala, esaminando in particolar modo i meccanismi che hanno portato l’innesco dei due sistemi temporaleschi. In secondo luogo, utilizzando anche dati osservativi disponibili, si è voluto mettere in evidenza la reale e significativa evoluzione nel tempo e nello spazio dei dati pluviometrici delle stazioni al suolo, e dei parametri fisici più importanti, come ad esempio la direzione e l’intensità del vento. Infine, utilizzando simulazioni numeriche dei modelli sviluppati all’ISAC-CNR di Bologna (BOLAM e MOLOCH), ci si è posti l’obiettivo di verificare la loro sensibilità alla risoluzione e ad altri aspetti numerici e fisici, in particolare per quanto riguarda i dati relativi alla precipitazione. I modelli, oltre a riprodurre la dinamica degli eventi in maniera fisicamente coerente anche se non del tutto accurata, sono stati utilizzati, previo confronto con le osservazioni, per verificare alcune ipotesi formulate relative ai processi fisici responsabili dell’intensità della precipitazione, come ad esempio la presenza del flusso (outflow) di aria fredda proveniente dalla cold pool in relazione con le correnti caldo-umide negli strati più bassi (Low Level Jet, LLJ), e la formazione di una zona di convergenza nella quale è più alta la probabilità che si sviluppino sistemi convettivi organizzati.

Studio della relazione tra concentrazione di ozono e temperatura dell'aria per l'elaborazione di scenari futuri

Questo lavoro nasce dall’intento di dare un’indicazione sul legame esistente tra la temperatura e la concentrazione di ozono. La correlazione, rintracciata sui dati osservati, è stata poi utilizzata allo scopo di elaborare proiezioni di evoluzioni future. Lo studio si è concentrato su un’area piuttosto ristretta della provincia di Parma, selezionata per la buona disponibilità di dati, sia di temperatura che di ozono, ma anche per la sua rappresentatività, dimostrata, delle caratteristiche dell’Emilia Romagna. Sulla base della scelta della stazione di misura di ozono sono state individuate tre località nelle vicinanze per avere dati di temperatura sia osservati sia provenienti da downscaling statistico. Proprio per quest’ultimo dataset sono stati elaborati scenari di temperatura per il periodo 2021-2050, rispetto al trentennio climatologico di riferimento 1961-1990, applicando il metodo di regionalizzazione statistica a cinque modelli globali. Le anomalie stagionali sono poi state date in ingresso a un generatore climatico in grado di produrre serie sintetiche giornaliere per il punto in esame. Un modello appositamente creato, ispirato al metodo di campionamento casuale stratificato, ha sfruttato sia queste informazioni sul futuro andamento della temperatura, sia la relazione trovata su dati osservati, per la costruzione di un set di concentrazioni di ozono previste per lo stesso trentennio futuro. Confrontando dal punto di vista statistico queste distribuzioni con quelle ricostruite per i periodi 1961-1990 e 2001-2012 si è valutato l’andamento della concentrazione di ozono. La conclusione più evidente a cui si giunge è la conferma del fatto che la situazione attuale dell’inquinamento da ozono nell’area di studio è decisamente più critica rispetto a quella che il modello ha ricostruito per il trentennio passato. La distribuzione dei valori di concentrazione di ozono degli ultimi dodici anni è invece molto più simile ormai al set di proiezioni previste per il futuro. Quello che potrà succedere a livello dell’inquinamento da ozono nel prossimo trentennio climatologico in Emilia Romagna dipende da quale modello si rivelerà più veritiero riguardo alla proiezione futura di temperatura: è infatti possibile che tutto rimanga molto simile alla situazione attuale o che si verificherà un ulteriore aumento, aggravando una situazione già critica.

Analisi satellitare della struttura fisica di un ciclone di tipo tropicale sul mediterraneo

Negli ultimi decenni sono stati studiati sul mar Mediterraneo dei fenomeni con caratteristiche comuni a quelle dei cicloni tropicali, chiamati medicane. L'obiettivo principale di questa tesi è quello di migliorare le attuali conoscenze sui medicane utilizzando un approccio di tipo satellitare per ottenere un algoritmo di detection. Per tale ragione sono stati integrati dati di diverse tipologie di sensori satellitari e del modello numerico WRF. Il sensore SEVIRI ha fornito misure di TB a 10.8μm e informazioni sulla distribuzione del vapor d’acqua atmosferico attraverso i due canali a 6.2 e 7.3 μm. I sensori AMSU–B/MHS hanno fornito informazioni sulle proprietà delle nubi e sulla distribuzione verticale del vapor d’acqua atmosferico attraverso le frequenze nelle microonde nell’intervallo 90-190 GHz. I canali a 183.31 GHz, sono stati utilizzati per alimentare gli algoritmi 183-WSL, per la stima delle precipitazioni, e MWCC, per la classificazione del tipo di nubi. Infine, le simulazioni tramite modello WRF hanno fornito i dati necessari per l’analisi dei campi di vento e di vorticità nella zona interessata dal ciclone. Lo schema computazione a soglie di sensibilità dell’algoritmo di detection è stato realizzato basandosi sui dati del medicane “Rolf” che, nel novembre 2011, ha interessato la zona del Mediterraneo occidentale. Sono stati, inoltre, utilizzati i dati di fulminazione della rete WWLLN, allo scopo di identificare meglio la fase di innesco del ciclone da quella matura. La validità dell’algoritmo è stata successivamente verificata su due casi studio: un medicane che nel settembre 2006 ha interessato la Puglia e un MCS sviluppatosi sulla Sicilia orientale nell'ottobre 2009. I risultati di questo lavoro di tesi da un lato hanno apportato un miglioramento delle conoscenze scientifiche sui cicloni mediterranei simil-tropicali, mentre dall’altro hanno prodotto una solida base fisica per il futuro sviluppo di un algoritmo automatico di riconoscimento per sistemi di tipo medicane.

Studio di sistemi precipitanti con radar polarimetrico in banda c e disdrometro a microonde

In questo lavoro di tesi si studiano quattro sistemi precipitanti di carattere principalmente convettivo che hanno interessato la regione Emilia-Romagna tra la primavera 2012 e l'inverno 2013. Si fornisce una trattazione che prevede l'utilizzo di due strumenti basati sulla tecnologia radar: il pluviometro disdrometro a microonde PLUDIX e il radar polarimetrico in banda C di San Pietro Capofiume (SPC). Gli strumenti sono posizionati ad una distanza di circa 30 km in linea d'aria. PLUDIX, situato al Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) di Bologna, rileva le idrometeore al suolo e fornisce informazioni pluviometriche e disdrometriche sulla precipitazione in corso. Il radar SPC analizza echi provenienti dall'atmosfera circostante, fino alla distanza di 112.5 km e all'elevazione di 13° rispetto a terra. Si confrontano i profili temporali di intensità di precipitazione ottenuti da PLUDIX con quelli ricavati dalle variabili polarimetriche radar, che permettono di meglio interpretare l'evoluzione temporale degli eventi. Si procede, inoltre, alla classificazione delle idrometeore in atmosfera. A tal fine si implementa un algoritmo di classificazione polarimetrico basato sul lavoro di Park et al. (2009) e modificato in funzione della letteratura scientifica al riguardo. La classificazione di idrometeore che più interessa è quella relativa alle quote radar sulla verticale del CNR, che può essere messa a confronto con le evidenze disdrometriche da PLUDIX al suolo. I risultati sono soddisfacenti e mostrano che i due strumenti vedono gli stessi fenomeni da due punti di vista. L'analisi combinata dei dati eterogenei da PLUDIX e dal radar SPC permette di ricavare importanti informazioni sui processi fisici in nube e sull'evoluzione temporale e spaziale dei sistemi precipitanti.

The atmospheric stable boundary layer: Data analysis and comparison with similarity theories

The objective of this dissertation is to study the structure and behavior of the Atmospheric Boundary Layer (ABL) in stable conditions. This type of boundary layer is not completely well understood yet, although it is very important for many practical uses, from forecast modeling to atmospheric dispersion of pollutants. We analyzed data from the SABLES98 experiment (Stable Atmospheric Boundary Layer Experiment in Spain, 1998), and compared the behaviour of this data using Monin-Obukhov's similarity functions for wind speed and potential temperature. Analyzing the vertical profiles of various variables, in particular the thermal and momentum fluxes, we identified two main contrasting structures describing two different states of the SBL, a traditional and an upside-down boundary layer. We were able to determine the main features of these two states of the boundary layer in terms of vertical profiles of potential temperature and wind speed, turbulent kinetic energy and fluxes, studying the time series and vertical structure of the atmosphere for two separate nights in the dataset, taken as case studies. We also developed an original classification of the SBL, in order to separate the influence of mesoscale phenomena from turbulent behavior, using as parameters the wind speed and the gradient Richardson number. We then compared these two formulations, using the SABLES98 dataset, verifying their validity for different variables (wind speed and potential temperature, and their difference, at different heights) and with different stability parameters (zita or Rg). Despite these two classifications having completely different physical origins, we were able to find some common behavior, in particular under weak stability conditions.

Turbulence models in the atmospheric boundary layer under convective conditions

In this work a modelization of the turbulence in the atmospheric boundary layer, under convective condition, is made. For this aim, the equations that describe the atmospheric motion are expressed through Reynolds averages and, then, they need closures. This work consists in modifying the TKE-l closure used in the BOLAM (Bologna Limited Area Model) forecast model. In particular, the single column model extracted from BOLAM is used, which is modified to obtain other three different closure schemes: a non-local term is added to the flux- gradient relations used to close the second order moments present in the evolution equation of the turbulent kinetic energy, so that the flux-gradient relations become more suitable for simulating an unstable boundary layer. Furthermore, a comparison among the results obtained from the single column model, the ones obtained from the three new schemes and the observations provided by the known case in literature ”GABLS2” is made.

Strategie di osservazione, metodo di analisi e qualità dei prodotti per un esperimento mipas di seconda generazione.

In questo elaborato viene studiato un nuovo strumento satellitare chiamato MIPAS2k: uno spettrometro a trasformata di Fourier, in grado di misurare gli spettri di emissione dei gas atmosferici attraverso la tecnica di misure al lembo. Lo scopo di MIPAS2k è quello di determinare la distribuzione spaziale di quantità atmosferiche tra cui il VMR delle specie chimiche: ozono, acqua, acido nitrico e protossido di azoto. La necessità di idearne un successore è nata dopo la perdita di contatto con lo strumento MIPAS da cui MIPAS2k, pur preservandone alcune caratteristiche, presenta differenze fondamentali quali: i parametri osservazionali, il tipo di detector utilizzato per eseguire le scansioni al lembo e la logica attraverso cui vengono ricavate le distribuzioni dei parametri atmosferici. L’algoritmo attraverso cui viene effettuata l’inversione dei dati di MIPAS2k, chiamato FULL2D, usa la stessa logica di base di quello utilizzato per MIPAS chiamato Geo-Fit. La differenza fondamentale tra i due metodi risiede nel modo in cui i parametri sono rappresentati. Il Geo-Fit ricostruisce il campo atmosferico delle quantità da determinare tramite profili verticali mentre il FULL2D rappresenta i valori del campo atmosferico all’interno degli elementi della discretizzazione bidimensionale dell’atmosfera. Non avendo a disposizione misure del nuovo strumento si è dovuto valutarne le performance attraverso l’analisi su osservati simulati creati ricorrendo al modello diretto del trasferimento radiativo e utilizzando un’atmosfera di riferimento ad alta risoluzione. Le distribuzioni bidimensionali delle quantità atmosferiche di interesse sono state quindi ricavate usando il modello di inversione dei dati FULL2D applicato agli osservati simulati di MIPAS2k. I valori dei parametri ricavati sono stati confrontati con i valori dell’atmosfera di riferimento e analizzati utilizzando mappe e quantificatori. Con i risultati di queste analisi e' stato possibile determinare la risoluzione spaziale e la precisione dei prodotti di MIPAS2k per due diverse risoluzioni spettrali.

Climatological characterization and dynamics of barrier winds in the italian region

Il vento di barriera (VB) è un fenomeno meteorologico a mesoscala che interessa il flusso nei bassi strati atmosferici ed è dovuto all'interazione con l'orografia. Se il numero di Froude upstream è sufficientemente piccolo si genera una deviazione orizzontale del flusso incidente. Si può raggiungere uno stato quasi-stazionario, nel quale un intenso vento soffia parallelo all'orografia nei bassi strati. Nel presente lavoro si è innanzitutto sviluppata una climatologia degli eventi di VB nella regione italiana su un periodo biennale. Gli eventi sono stati classificati per la velocità del flusso incidente e la velocità e direzione del VB a 950 hPa, e per il numero di Froude upstream. Si è poi studiata la distribuzione degli eventi rispetto al numero di Froude. La climatologia è risultata in buon accordo con la teoria idealizzata dei flussi sopra l'orografia. Tre casi di studio sono stati successivamente simulati utilizzando i modelli BOLAM e MOLOCH dell'istituto CNR-ISAC di Bologna. Per ciascun evento sono stati calcolati il numero di Froude upstream e i parametri principali, quali velocità, estensione, temperatura ecc. Per uno dei casi, riguardante le Alpi orientali, le simulazioni sono state confrontate con dati osservati di vento, pressione, temperatura e precipitazione. Sono poi stati condotti dei sensitivity tests con orografia diminuita su ognuno degli eventi. È stata così verificata l'importanza dell'effetto orografico e l'intensità del fenomeno del VB è stata associata al numero di Froude. Un indice, denominato Barrier Wind Index (BWI) è stato ideato a tale scopo. Le simulazioni hanno mostrato un buon accordo con la teoria, indicandone i limiti di applicabilità all'atmosfera reale. In particolare, il Barrier Wind Index tende ad aumentare linearmente al diminuire del numero di Froude. Le simulazioni hanno evidenziato l'elevata influenza del VB sulla circolazione atmosferica a mesoscala, sulla distribuzione e intensità della precipitazione e sull'avvezione di temperatura e umidità.