Twin experiments with the equivalent weights particle filter and HadCM3

This paper investigates the use of a particle filter for data assimilation with a full scale coupled ocean–atmosphere general circulation model. Synthetic twin experiments are performed to assess the performance of the equivalent weights filter in such a high-dimensional system. Artificial 2-dimensional sea surface temperature fields are used as observational data every day. Results are presented for different values of the free parameters in the method. Measures of the performance of the filter are root mean square errors, trajectories of individual variables in the model and rank histograms. Filter degeneracy is not observed and the performance of the filter is shown to depend on the ability to keep maximum spread in the ensemble.

Representing the Arctic in global surface temperature time series of recent climate change

The Arctic is an important region in the study of climate change, but monitoring surface temperatures in this region is challenging, particularly in areas covered by sea ice. Here in situ, satellite and reanalysis data were utilised to investigate whether global warming over recent decades could be better estimated by changing the way the Arctic is treated in calculating global mean temperature. The degree of difference arising from using five different techniques, based on existing temperature anomaly dataset techniques, to estimate Arctic SAT anomalies over land and sea ice were investigated using reanalysis data as a testbed. Techniques which interpolated anomalies were found to result in smaller errors than non-interpolating techniques. Kriging techniques provided the smallest errors in anomaly estimates. Similar accuracies were found for anomalies estimated from in situ meteorological station SAT records using a kriging technique. Whether additional data sources, which are not currently utilised in temperature anomaly datasets, would improve estimates of Arctic surface air temperature anomalies was investigated within the reanalysis testbed and using in situ data. For the reanalysis study, the additional input anomalies were reanalysis data sampled at certain supplementary data source locations over Arctic land and sea ice areas. For the in situ data study, the additional input anomalies over sea ice were surface temperature anomalies derived from the Advanced Very High Resolution Radiometer satellite instruments. The use of additional data sources, particularly those located in the Arctic Ocean over sea ice or on islands in sparsely observed regions, can lead to substantial improvements in the accuracy of estimated anomalies. Decreases in Root Mean Square Error can be up to 0.2K for Arctic-average anomalies and more than 1K for spatially resolved anomalies. Further improvements in accuracy may be accomplished through the use of other data sources.

Optimised frequency grids for infrared radiative transfer simulations in cloudy conditions

This paper shows that radiometer channel radiances for cloudy atmospheric conditions can be simulated with an optimised frequency grid derived under clear-sky conditions. A new clear-sky optimised grid is derived for AVHRR channel 5 ð12 m m, 833 cm �1 Þ. For HIRS channel 11 ð7:33 m m, 1364 cm �1 Þ and AVHRR channel 5, radiative transfer simulations using an optimised frequency grid are compared with simulations using a reference grid, where the optimised grid has roughly 100–1000 times less frequencies than the full grid. The root mean square error between the optimised and the reference simulation is found to be less than 0.3 K for both comparisons, with the magnitude of the bias less than 0.03 K. The simulations have been carried out with the radiative transfer model Atmospheric Radiative Transfer Simulator (ARTS), version 2, using a backward Monte Carlo module for the treatment of clouds. With this module, the optimised simulations are more than 10 times faster than the reference simulations. Although the number of photons is the same, the smaller number of frequencies reduces the overhead for preparing the optical properties for each frequency. With deterministic scattering solvers, the relative decrease in runtime would be even more. The results allow for new radiative transfer applications, such as the development of new retrievals, because it becomes much quicker to carry out a large number of simulations. The conclusions are applicable to any downlooking infrared radiometer.

Uncertainties in tidally adjusted estimates of sea level rise flooding (bathtub model) for the Greater London

Sea-level rise (SLR) from global warming may have severe consequences for coastal cities, particularly when combined with predicted increases in the strength of tidal surges. Predicting the regional impact of SLR flooding is strongly dependent on the modelling approach and accuracy of topographic data. Here, the areas under risk of sea water flooding for London boroughs were quantified based on the projected SLR scenarios reported in Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) fifth assessment report (AR5) and UK climatic projections 2009 (UKCP09) using a tidally-adjusted bathtub modelling approach. Medium- to very high-resolution digital elevation models (DEMs) are used to evaluate inundation extents as well as uncertainties. Depending on the SLR scenario and DEMs used, it is estimated that 3%–8% of the area of Greater London could be inundated by 2100. The boroughs with the largest areas at risk of flooding are Newham, Southwark, and Greenwich. The differences in inundation areas estimated from a digital terrain model and a digital surface model are much greater than the root mean square error differences observed between the two data types, which may be attributed to processing levels. Flood models from SRTM data underestimate the inundation extent, so their results may not be reliable for constructing flood risk maps. This analysis provides a broad-scale estimate of the potential consequences of SLR and uncertainties in the DEM-based bathtub type flood inundation modelling for London boroughs.

Downwelling solar irradiance in the biomass burning region of the southern Amazon: Dependence on aerosol intensive optical properties and role of water vapor

The sensitivity of solar irradiance at the surface to the variability of aerosol intensive optical properties is investigated for a site (Alta Floresta) in the southern portion of the Amazon basin using detailed comparisons between measured and modeled irradiances. Apart from aerosol intensive optical properties, specifically single scattering albedo (omega(o lambda)) and asymmetry parameter (g(lambda)), which were assumed constant, all other relevant input to the model were prescribed based on observation. For clean conditions, the differences between observed and modeled irradiances were consistent with instrumental uncertainty. For polluted conditions, the agreement was significantly worse, with a root mean square difference three times larger (23.5 Wm(-2)). Analysis revealed a noteworthy correlation between the irradiance differences (observed minus modeled) and the column water vapor (CWV) for polluted conditions. Positive differences occurred mostly in wet conditions, while the differences became more negative as the atmosphere dried. To explore the hypothesis that the irradiance differences might be linked to the modulation of omega(o lambda) and g(lambda) by humidity, AERONET retrievals of aerosol properties and CWV over the same site were analyzed. The results highlight the potential role of humidity in modifying omega(o lambda) and g(lambda) and suggest that to explain the relationship seen between irradiances differences via aerosols properties the focus has to be on humidity-dependent processes that affect particles chemical composition. Undoubtedly, there is a need to better understand the role of humidity in modifying the properties of smoke aerosols in the southern portion of the Amazon basin.

Docking and molecular dynamics simulation of quinone compounds with trypanocidal activity

In this work, two different docking programs were used, AutoDock and FlexX, which use different types of scoring functions and searching methods. The docking poses of all quinone compounds studied stayed in the same region in the trypanothione reductase. This region is a hydrophobic pocket near to Phe396, Pro398 and Leu399 amino acid residues. The compounds studied displays a higher affinity in trypanothione reductase (TR) than glutathione reductase (GR), since only two out of 28 quinone compounds presented more favorable docking energy in the site of human enzyme. The interaction of quinone compounds with the TR enzyme is in agreement with other studies, which showed different binding sites from the ones formed by cysteines 52 and 58. To verify the results obtained by docking, we carried out a molecular dynamics simulation with the compounds that presented the highest and lowest docking energies. The results showed that the root mean square deviation (RMSD) between the initial and final pose were very small. In addition, the hydrogen bond pattern was conserved along the simulation. In the parasite enzyme, the amino acid residues Leu399, Met400 and Lys402 are replaced in the human enzyme by Met406, Tyr407 and Ala409, respectively. In view of the fact that Leu399 is an amino acid of the Z site, this difference could be explored to design selective inhibitors of TR.

Discrepancies in solar irradiation data for Stockholm and Athens

The aim of this study is to evaluate the variation of solar radiation data between different data sources that will be free and available at the Solar Energy Research Center (SERC). The comparison between data sources will be carried out for two locations: Stockholm, Sweden and Athens, Greece. For the desired locations, data is gathered for different tilt angles: 0°, 30°, 45°, 60° facing south. The full dataset is available in two excel files: “Stockholm annual irradiation” and “Athens annual irradiation”. The World Radiation Data Center (WRDC) is defined as a reference for the comparison with other dtaasets, because it has the highest time span recorded for Stockholm (1964–2010) and Athens (1964–1986), in form of average monthly irradiation, expressed in kWh/m2. The indicator defined for the data comparison is the estimated standard deviation. The mean biased error (MBE) and the root mean square error (RMSE) were also used as statistical indicators for the horizontal solar irradiation data. The variation in solar irradiation data is categorized in two categories: natural or inter-annual variability, due to different data sources and lastly due to different calculation models. The inter-annual variation for Stockholm is 140.4kWh/m2 or 14.4% and 124.3kWh/m2 or 8.0% for Athens. The estimated deviation for horizontal solar irradiation is 3.7% for Stockholm and 4.4% Athens. This estimated deviation is respectively equal to 4.5% and 3.6% for Stockholm and Athens at 30° tilt, 5.2% and 4.5% at 45° tilt, 5.9% and 7.0% at 60°. NASA’s SSE, SAM and RETScreen (respectively Satel-light) exhibited the highest deviation from WRDC’s data for Stockholm (respectively Athens). The essential source for variation is notably the difference in horizontal solar irradiation. The variation increases by 1-2% per degree of tilt, using different calculation models, as used in PVSYST and Meteonorm. The location and altitude of the data source did not directly influence the variation with the WRDC data. Further examination is suggested in order to improve the methodology of selecting the location; Examining the functional dependence of ground reflected radiation with ambient temperature; variation of ambient temperature and its impact on different solar energy systems; Im pact of variation in solar irradiation and ambient temperature on system output.

Influência da adaptação funcional nas relações torque-ângulo e torque-velocidade

O objetivo do presente estudo foi comparar as relações torque-ângulo (T-A) e torque-velocidade (T-V) de bailarinas clássicas (n=14) e atletas de voleibol (n=22). O torque máximo (Tmax) da musculatura flexora plantar (FP) do tornozelo foi avaliada durante contrações isométricas voluntárias máximas nos ângulos de -10°, 0°, 10°, 20°, 30°, 40° e 50° de FP, e durante contrações isocinéticas voluntárias máximas nas velocidades angulares de 60°/s, 120°/s, 180°/s, 240°/s, 300°/s, 360°/s e 420°/s. Além do Tmax, o torque produzido nos ângulos articulares de -10° (T-10°), 10° (T10°) e 30° (T30°) também foi avaliado nas mesmas velocidades angulares. A ativação elétrica dos músculos gastrocnêmio medial (GM) e sóleo (SOL) direitos de cada indivíduo foi monitorada com eletrodos de eletromiografia (EMG) de superfície em configuração bipolar. Uma relação linear foi observada entre o Tmax e o aumento dos ângulos de FP nas atletas de voleibol Um deslocamento dessa relação em direção a maiores ângulos de FP (menores comprimentos musculares) ocorreu no grupo das bailarinas, com o aparecimento de um platô em menores ângulos de FP (maiores comprimentos musculares). Durante as contrações isocinéticas, uma relação hiperbólica foi observada entre o Tmax, T-10° e T10° com o aumento da velocidade angular nos dois grupos. Entretanto, em T30° as atletas de voleibol produziram valores superiores de torque nas velocidades angulares mais elevadas. Os valores root mean square (RMS) dos músculos GM e SOL foram mais elevados nas bailarinas que nas atletas de voleibol, tanto nas contrações isométricas quanto nas isocinéticas. Uma diminuição na ativação do GM e do SOL ocorreu com a diminuição da FP nas atletas de voleibol, enquanto os valores RMS se mantiveram estáveis para as bailarinas ao longo de todos os ângulos testados. Os resultados apresentados nesse estudo suportam a hipótese de que a atividade física sistemática provoca alteração nas propriedades intrínsecas musculares e ativação muscular, modificando assim, as relações T-A e T-V.

The role of no-arbitrage on forecasting: lessons from a parametric term structure model

Parametric term structure models have been successfully applied to innumerous problems in fixed income markets, including pricing, hedging, managing risk, as well as studying monetary policy implications. On their turn, dynamic term structure models, equipped with stronger economic structure, have been mainly adopted to price derivatives and explain empirical stylized facts. In this paper, we combine flavors of those two classes of models to test if no-arbitrage affects forecasting. We construct cross section (allowing arbitrages) and arbitrage-free versions of a parametric polynomial model to analyze how well they predict out-of-sample interest rates. Based on U.S. Treasury yield data, we find that no-arbitrage restrictions significantly improve forecasts. Arbitrage-free versions achieve overall smaller biases and Root Mean Square Errors for most maturities and forecasting horizons. Furthermore, a decomposition of forecasts into forward-rates and holding return premia indicates that the superior performance of no-arbitrage versions is due to a better identification of bond risk premium.

Propriedades mecânicas e elétricas do músculo sóleo do gato e dos flexores plantares e dorsais de seres humanos após entorse e imobilização de tornozelo

A literatura tem mostrado, por intermédio de estudos com animais e seres humanos, que o uso reduzido da musculatura (como por exemplo, a imobilização de um segmento) produz uma série de alterações estruturais e funcionais no músculo esquelético. As principais alterações observadas no músculo após a redução do uso estão relacionadas com alterações nas propriedades bioquímicas, na composição de fibras musculares, atrofia muscular, redução na capacidade de produção de força, e redução na capacidade de ativação. Apesar de a maior parte dos estudos sobre o assunto ter sido realizada em modelos animais (os quais possibilitam o estudo invasivo dos mecanismos de adaptação), a incidência de lesões articulares em seres humanos tem motivado os pesquisadores a buscar métodos alternativos e nãoinvasivos para o diagnóstico e acompanhamento das lesões articulares. Tendo em vista que a mecanomiografia (MMG) é uma técnica não-invasiva que permite o estudo do comportamento mecânico e fisiológico do músculo, acredita-se que esta técnica, associada com a avaliação da capacidade de produção de força e com a eletromiografia (EMG), possa ser um método útil no diagnóstico das alterações produzidas por essas lesões e no acompanhamento de programas de reabilitação. O objetivo desse estudo foi avaliar as adaptações musculares após um período de imobilização de duas semanas. Três estudos foram desenvolvidos, sendo os dois primeiros com seres humanos e o terceiro em um modelo animal. O primeiro estudo avaliou as respostas eletromiográficas, mecanomiográficas e de torque dos músculos flexores plantares e dos flexores dorsais do tornozelo durante esforço voluntário. Foram avaliados 23 indivíduos que tiveram seus tornozelos imobilizados em função de um entorse de grau II, e 32 indivíduos saudáveis, que fizeram parte do grupo controle. O segundo estudo, por sua vez, investigou as alterações no comportamento mecânico dos mesmos grupos musculares do estudo 1, ao longo de um protocolo de contrações produzidas via estimulação elétrica, utilizando-se várias freqüências de estimulação (de 5 a 60 Hz). Nos dois estudos, os valores de torque dos flexores plantares e dos flexores dorsais no grupo imobilizado foram significativamente inferiores aos do grupo controle. Essa redução foi mais evidente nos flexores plantares do que nos flexores dorsais. Os valores root mean square (RMS) do sinal EMG, durante a CVM (estudo 1), foram significativamente menores nos músculos gastrocnêmio medial (GM), sóleo (SOL) e tibial anterior (TA) do grupo que foi imobilizado quando comparado ao grupo controle. A mediana da freqüência (MDF) do sinal EMG, durante a CVM, no estudo 1, não apresentou diferença significativa entre os dois grupos da amostra, em nenhum dos três músculos estudados (GM, SOL e TA). Os valores RMS e a MDF do sinal MMG dos músculos GM, SOL e TA não apresentaram diferenças significativas entre os dois grupos da amostra, em nenhum dos dois estudos, indicando que a técnica da MMG não foi capaz de revelar as alterações musculares produzidas por um período de imobilização. O terceiro estudo avaliou as alterações das propriedades mecânicas devido a alterações no comprimento muscular e na freqüência de estimulação nos músculos SOL de 3 gatos. As relações força-comprimento foram estabelecidas ao nível articular, muscular, das fibras musculares e dos sarcômeros. Os resultados demonstraram que as variações de comprimento da fibra diferem das variações de comprimento do músculo como um todo, principalmente nos comprimentos mais encurtados. Existe um maior encurtamento da fibra com o aumento da freqüência de estimulação nos menores comprimentos musculares, enquanto nos maiores comprimentos musculares o aumento da freqüência de estimulação tem um efeito similar sobre as fibras e o músculo como um todo. Os principais achados do presente estudo são de que as respostas da EMG e de torque são alteradas por um período de 2 semanas de imobilização, enquanto as respostas da MMG não, e que o comprimento muscular é uma importante variável que deve ser controlada a nível tanto das fibras musculares, quanto dos componentes elásticos no estudo das propriedades mecânicas do músculo esquelético.

Análise eletromiográfica de exercícios abdominais realizados por mulheres no meio líquido

O objetivo deste trabalho foi verificar a atividade elétrica dos músculos oblíquo externo, reto femoral e das porções supra-umbilical e infra-umbilical do reto abdominal, durante a execução de determinados exercícios abdominais realizados no meio líquido. A amostra foi composta por 20 (vinte) mulheres adaptadas ao meio líquido, com idade entre 21 e 29 anos. A atividade elétrica foi coletada com eletrodos de superfície, sendo o sistema de coleta de dados previamente adaptado, evitando o contato com a água. O exercício de flexão de tronco até a posição sentada, realizado em seco, foi utilizado como referência, sendo o valor root mean square (RMS), da fase ascendente deste exercício, empregado para a normalização da amplitude do sinal coletado durante os demais exercícios. Flexões de tronco e de quadril foram realizadas no meio líquido, na posição horizontal, com o apoio de um tubo nos membros superiores e em um ritmo padrão, sendo dois destes exercícios também realizados em máxima velocidade. Foi utilizado ANOVA two ways, em cada músculo, pelos fatores exercícios e fase. Para melhor compreender a ativação em cada fase, utilizou-se ANOVA one way no valor da fase ascendente de cada músculo pelo fator exercício, assim como somente nos valores da fase descendente. Para verificar onde estavam as diferenças, utilizou-se o Post Hoc de Tukey. Os dados foram também normalizados no tempo, sendo apresentados gráficos da atividade eletromiográfica dos músculos durante todo o ciclo de cada exercício. Ao analisar os exercícios como um todo, constatou-se que os exercícios aquáticos em ritmo padrão possuem menor atividade que o de referência Ao analisar a fase ascendente dos exercícios aquáticos em ritmo padrão, o músculo reto abdominal em todos os exercícios, e o oblíquo externo nos exercícios sem apoio são tão eficiente quanto o exercício referência, mostrando que a instabilidade da posição horizontalizada e a resistência ao movimento compensam a diminuição do peso hidrostático. Já na fase descendente, além de menor atividade, o padrão da atividade muscular modifica nos exercícios aquáticos, possivelmente, mantendo uma atividade de estabilização, enquanto outro grupo muscular é responsável pelo movimento. A realização do exercício em máxima velocidade apresentou uma grande atividade eletromiográfica dos músculos abdominais no meio líquido e, para o reto femoral, a amplitude de movimento foi muito importante para sua ativação. Dessa forma, a flexão de tronco em máxima velocidade é um exercício de grande atividade abdominal e baixa atividade dos flexores de quadril. As características das forças externas ao corpo, nos exercícios abdominais realizados no meio líquido, proporcionam uma situação única de redução de peso hidrostático, resistência ao movimento, apoio relativo e tendência de rotação para atingir o equilíbrio estável.

Retrievals of a size parameter for phytoplankton and spectral light absorption by colored detrital matter from water-leaving radiances at SeaWiFS channels in a continental shelf region off Brazil

Many efforts are currently oriented toward extracting more information from ocean color than the chlorophyll a concentration. Among biological parameters potentially accessible from space, estimates of phytoplankton cell size and light absorption by colored detrital matter (CDM) would lead to an indirect assessment of major components of the organic carbon pool in the ocean, which would benefit oceanic carbon budget models. We present here 2 procedures to retrieve simultaneously from ocean color measurements in a limited number of bands, magnitudes, and spectral shapes for both light absorption by CDM and phytoplankton, along with a size parameter for phytoplankton. The performance of the 2 procedures was evaluated using different data sets that correspond to increasing uncertainties: ( 1) measured absorption coefficients of phytoplankton, particulate detritus, and colored dissolved organic matter ( CDOM) and measured chlorophyll a concentrations and ( 2) SeaWiFS upwelling radiance measurements and chlorophyll a concentrations estimated from global algorithms. In situ data were acquired during 3 cruises, differing by their relative proportions in CDM and phytoplankton, over a continental shelf off Brazil. No local information was introduced in either procedure, to make them more generally applicable. Over the study area, the absorption coefficient of CDM at 443 nm was retrieved from SeaWiFS radiances with a relative root mean square error (RMSE) of 33%, and phytoplankton light absorption coefficients in SeaWiFS bands ( from 412 to 510 nm) were retrieved with RMSEs between 28% and 33%. These results are comparable to or better than those obtained by 3 published models. In addition, a size parameter of phytoplankton and the spectral slope of CDM absorption were retrieved with RMSEs of 17% and 22%, respectively. If these methods are applied at a regional scale, the performances could be substantially improved by locally tuning some empirical relationships.

High-resolution electrocardiography in the diagnosis of arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy in Boxer dogs

Com o objetivo de avaliar a importância da eletrocardiografia de alta resolução no diagnóstico da cardiomiopatia arritmogênica do ventrículo direito do Boxer, 20 cães sem evidências de doença cardíaca estrutural à avaliação ecodopplercardiográfica foram agrupados de acordo com a frequência de arritmias ventriculares, avaliadas pela eletrocardiografia ambulatorial de 24 horas, e submetidos ao exame eletrocardiográfico de alta resolução. Duração do complexo QRS filtrado, duração dos sinais de baixa amplitude (menor que 40µV) dos últimos 40 milissegundos do complexo QRS e raiz quadrada média da voltagem ao quadrado dos últimos 40 milissegundos do complexo QRS (RMS40) foram as variáveis avaliadas. Não foram observadas diferenças significativas entre os grupos em relação às variáveis estudadas. Sendo assim, os resultados do presente estudo sugerem que a eletrocardiografia de alta resolução não é uma ferramenta útil no auxílio diagnóstico da cardiomiopatia arritmogênica do ventrículo direito dos cães da raça Boxer que não apresentam alterações miocárdicas evidentes ou disfunção sistólica.

Previsão do módulo de elasticidade transversal de compósitos unidirecionais através de redes neurais mistas

The aim of this study is to create an artificial neural network (ANN) capable of modeling the transverse elasticity modulus (E2) of unidirectional composites. To that end, we used a dataset divided into two parts, one for training and the other for ANN testing. Three types of architectures from different networks were developed, one with only two inputs, one with three inputs and the third with mixed architecture combining an ANN with a model developed by Halpin-Tsai. After algorithm training, the results demonstrate that the use of ANNs is quite promising, given that when they were compared with those of the Halpín-Tsai mathematical model, higher correlation coefficient values and lower root mean square values were observed

Desenvolvimento de perfis aerodinâmicos a partir de suas características utilizando redes neurais artificiais

One of the current major concerns in engineering is the development of aircrafts that have low power consumption and high performance. So, airfoils that have a high value of Lift Coefficient and a low value for the Drag Coefficient, generating a High-Efficiency airfoil are studied and designed. When the value of the Efficiency increases, the aircraft s fuel consumption decreases, thus improving its performance. Therefore, this work aims to develop a tool for designing of airfoils from desired characteristics, as Lift and Drag coefficients and the maximum Efficiency, using an algorithm based on an Artificial Neural Network (ANN). For this, it was initially collected an aerodynamic characteristics database, with a total of 300 airfoils, from the software XFoil. Then, through the software MATLAB, several network architectures were trained, between modular and hierarchical, using the Back-propagation algorithm and the Momentum rule. For data analysis, was used the technique of cross- validation, evaluating the network that has the lowest value of Root Mean Square (RMS). In this case, the best result was obtained for a hierarchical architecture with two modules and one layer of hidden neurons. The airfoils developed for that network, in the regions of lower RMS, were compared with the same airfoils imported into the software XFoil