Implications of the altitude of transient 630-nm dayside auroral emissions

The altitude from which transient 630-nm (���red line���) light is emitted in transient dayside auroral breakup events is discussed. Theoretically, the emissions should normally originate from approximately 250 to 550 km. Because the luminosity in dayside breakup events moves in a way that is consistent with newly opened field lines, they have been interpreted as the ionospheric signatures of transient reconnection at the dayside magnetopause. For this model the importance of these events for convection can be assessed from the rate of change of their area. The area derived from analysis of images from an all-sky camera and meridian scans from a photometer, however, depends on the square of the assumed emission altitude. From field line mapping, it is shown for both a westward and an eastward moving event, that the main 557.7-nm emission comes from the edge of the 630 nm transient, where a flux transfer event model would place the upward field-aligned current (on the poleward and equatorward edge, respectively). The observing geometry for the two cases presented is such that this is true, irrespective of the 630-nm emission altitude. From comparisons with the European incoherent scatter radar data for the westward (interplanetary magnetic field By > 0) event on January 12, 1988, the 630-nm emission appears to emanate from an altitude of 250 km, and to be accompanied by some 557.7-nm ���green-line��� emission. However, for a large, eastward moving event observed on January 9, 1989, there is evidence that the emission altitude is considerably greater and, in this case, the only 557.7-nm emission is that on the equatorward edge of the event, consistent with a higher altitude 630-nm excitation source. Assuming an emission altitude of 250 km for this event yields a reconnection voltage of >50 kV during the reconnection burst but a contribution to the convection voltage of >15 kV. However, from the motion of the event we infer that the luminosity peaks at an altitude in the range of 400 and 500 km, and for the top of this range the reconnection and average convection voltages would be increased to >200 kV and >60 kV, respectively. (These are all minimum estimates because the event extends in longitude beyond the field-of-view of the camera). Hence the higher-emission altitude has a highly significant implication, namely that the reconnection bursts which cause the dayside breakup events could explain most of the voltage placed across the magnetosphere and polar cap by the solar wind flow. Analysis of the plasma density and temperatures during the event on January 9, 1989, predicts the required thermal excitation of significant 630-nm intensities at altitudes of 400-500 km.

Modelling the high-latitude ionosphere for time-varying plasma convection

The paper discusses how variations in the pattern of convective plasma flows should beincluded in self-consistent time-dependent models of the coupled ionosphere-thermosphere system. The author shows how these variations depend upon the mechanism by which the solar wind flow excites the convection. The modelling of these effects is not just of relevance to the polar ionosphere. This is because the influence of convection is not confined to high latitudes: the resultant heating and composition changes in the thermosphere are communicated to lower latitudes by the winds which are also greatly modified by the plasma convection. These thermospheric changes alter the global distribution of plasma by modulatingthe rates of the chemical reactions which areresponsible for the loss of plasma. Hence the modelling of these high-latitude processes is of relevanceto the design and operation of HF communication, radar and navigation systems worldwide.

Observations on the flight paths of the day-flying moth Virbia lamae during periods of mate location: do males have a strategy for contacting the pheromone plume?

1.���To maximize the probability of rapid contact with a female���s pheromone plume, the trajectories of male foraging flights might be expected to be directed with respect to wind flow and also to be energetically efficient. 2.���Flights directed either upwind, downwind, or crosswind have been proposed as optimal strategies for rapid and/or energetically efficient plume contact. Other possible strategies are random and L��vy walks, which have trajectories and turn frequencies that are not dictated by the direction of wind flow. 3.���The planar flight paths of males of the day-active moth Virbia lamae were recorded during the customary time of its sexual activity. 4.���We found no directional preference in these foraging flights with respect to the direction of contemporaneous wind flow, but, because crosswind encompasses twice the possible orientations of either upwind or downwind, a random orientation is in effect a de facto crosswind strategy. 5.���A crosswind preference should be favoured when the plume extends farther downwind than crosswind, and this strategy is realized by V. lamae males by a random orientation of their trajectories with respect to current wind direction

The plume also rises: trajectories of pheromone plumes issuing from point sources in an orchard canopy at night

The trajectories of pheromone plumes in canopied habitats, such as orchards, have been little studied. We documented the capture of male navel orangeworm moths, Amyelois transitella, in female-baited traps positioned at 5 levels, from ground level to the canopy top, at approximately 6 m above ground, in almond orchards. Males were captured in similar proportions at all levels, suggesting that they do not favor a particular height during ranging flight. A 3-D sonic anemometer was used to establish patterns of wind flow and temperature at 6 heights from 2.08 to 6.65 m in an almond orchard with a 5 m high canopy, every 3 h over 72 h. The horizontal velocity of wind flow was highest above the canopy, where its directionality also was the most consistent. During the time of A. transitella mating (0300���0600), there was a net vertical displacement upward. Vertical buoyancy combined with only minor reductions in the distance that plumes will travel in the lower compared to the upper canopy suggest that the optimal height for release of pheromone from high-release-rate sources, such as aerosol dispensers (���puffers���), that are deployed at low densities (e.g., 3 per ha.) would be at mid or low in the canopy, thereby facilitating dispersion of disruptant throughout the canopy. Optimal placement of aerosol dispensers will vary with the behavioral ecology of the target pest; however, our results suggest that current protocols, which generally propose dispenser placement in the upper third of the canopy, should be reevaluated.

Study of thermal comfort in the city of s��o paulo using ENVI-met model

This study is aimed to analyze the thermal comfort in different areas in the city of S��o Paulo. Two different areas were selected, a densely built (Consola����o district) and the other was Fontes do Ipiranga State Park (FISP), an area with only a few buildings and reduced impermeability. A micro-climatic ENVImet was used to simulate the interaction surface-atmosphere in the urban environment. The model resolution is between 0.5 and 10m. This model was developed by Bruse and Fleer (1998) and Bruse (2004). Through the thermal comfort index PMV (predicted mean vote) and MRT (mean radiant temperature) provided by the model, it revealed that the State Park displays PMV values close to comfortable compared to the other studied area. The analysis of thermal comfort index and the Wind flow showed the influence of high buildings in the local climatic environment.

Aerial Rivers and Lakes: Looking at Large-Scale Moisture Transport and Its Relation to Amazonia and to Subtropical Rainfall in South America

This is an observational study of the large-scale moisture transport over South America, with some analyses on its relation to subtropical rainfall. The concept of aerial rivers is proposed as a framework: it is an analogy between the main pathways of moisture flow in the atmosphere and surface rivers. Opposite to surface rivers, aerial rivers gain (lose) water through evaporation (precipitation). The magnitude of the vertically integrated moisture transport is discharge, and precipitable water is like the mass of the liquid column-multiplied by an equivalent speed it gives discharge. Trade wind flow into Amazonia, and the north/northwesterly flow to the subtropics, east of the Andes, are aerial rivers. Aerial lakes are the sections of a moisture pathway where the flow slows down and broadens, because of diffluence, and becomes deeper, with higher precipitable water. This is the case over Amazonia, downstream of the trade wind confluence. In the dry season, moisture from the aerial lake is transported northeastward, but weaker flow over southern Amazonia heads southward toward the subtropics. Southern Amazonia appears as a source of moisture to this flow. Aerial river discharge to the subtropics is comparable to that of the Amazon River. The variations of the amount of moisture coming from Amazonia have an important effect over the variability of discharge. Correlations between the flow from Amazonia and subtropical rainfall are not strong. However, some months within the set of dry seasons observed showed a strong increase (decrease) occurring together with an important increase (decrease) in subtropical rainfall.

The effect of Windbreaks on Railway Overheads subject to Cross-Winds at O Eixo Viaduct

A measurement investigation, at ADIF's test site at the O Eixo viaduct which is on the Spanish Santiago-Ourense high speed railway line, has been carried out during the last year. The main goal of the investigation is to study the effect of the cross-wind on railway overheads (catenaries) and the influence of the presence of windbreaks on the wind-induced motion of the railway overhead. A description of the O Eixo viaduct test site is presented in this paper, including the installed windbreaks, the sensor and power supply systems. Three catenary spans has been instrumented at the center point of the catenary span contact wire with one ultrasonic anemometer and two unidirectional accelerometers. Additionally, another ultrasonic anemometer placed in the central catenary span has been installed to provide reference wind data. Wind roses of wind speed and standard deviation of the accelerometers are presented. As expected, the four wind roses look very similar and the two dominant directions close to the perpendicular to the bridge longitudinal axes, north and south have been identified. The wind roses of the standard deviation of the acceleration shows that the acceleration of the catenary contact wire is related to the directions of the two dominant winds. The vertical standard deviation of the acceleration is higher than the horizontal one for the spans with windbreaks. It has also been observed that the presence of the windbreaks modifies the wind flow leading to a wind-induced motion of the catenary contact wire which shows a higher variability than the corresponding unprotected case. On the one hand, the baseline southerly wind configuration (south wind, windbreaks in the windward side and catenary in the leeward side) influence both the mean speed at the catenary and the turbulence intensity. On the other hand, the northerly wind configuration, windbreaks in the leeward side and catenary in the windward side, provide a reference to the response of the catenary for an unprotected railway overhead, and, as it is expected, the windbreak influence is much more reduced compared to the southerly wind configuration. Both the height of the windbreak and the eaves contribute to the increase in the turbulence intensity at the catenary contact wire height. It can be seen that the height of the windbreak plays a crucial role in the increase of turbulence intensity, much more intense than the presence of the windbreak eave.

Electrodynamic Tethers For Planetary And De-orbiting Missions

Nuevas aplicaciones tecnol��gicas y cient��ficas mediante amarras electrodin��micas son analizadas para misiones planetarias. i) Primero, se considera un conjunto de amarras cil��ndricas en paralelo (veleros electrosolares) para una misi��n interplanetaria. Los iones provenientes del viento solar son repelidos por el alto potencial de dichas amarras generando empuje sobre el velero. Para conocer el intercambio de momento que provocan los iones sobre las amarras se ha considerado un modelo de potencial estacionario. Se ha analizado la transferencia orbital de la Tierra a J��piter siguiendo un m��todo de optimizaci��n de trayectoria indirecto. ii) Una vez que el velero se encuentra cerca de J��piter, se ha considerado el despliegue de una amarra para diferentes objetivos cient��ficos. iia) Una amarra podr��a ser utilizada para diagn��stico de plasmas, al ser una fuente efectiva de ondas, y tambi��n como un generador de auroras artificiales. Una amarra conductora que orbite en la magnetosfera jovial es capaz de producir ondas. Se han analizado las diferentes ondas radiadas por un conductor por el que circula una corriente constante que sigue una ��rbita polar de alta excentricidad y bajo apo��pside, como ocurre en la misi��n Juno de la NASA. iib) Adem��s, se ha estudiado una misi��n tentativa que sigue una ��rbita ecuatorial (LJO) por debajo de los intensos cinturones de radiaci��n. Ambas misiones requiren potencia el��ctrica para los sistemas de comunicaci��n e instrumentos cient��ficos. Las amarras pueden generar potencia de manera m��s eficiente que otros sistemas que utlizan paneles solares o sistemas de potencia de radiois��topos (RPS). La impedancia de radiaci��n es necesaria para determinar la corriente que circula por todo el circuito de la amarra. En un modelo de plasma fr��o, la radiaci��n ocurre principalmente en los modos de Alfven y magnetos��nica r��pida, mostrando un elevado ��ndice de refracci��n. Se ha estudiado la impedancia de radiaci��n en amarras con recubrimiento aislante para los dos modos de radiaci��n y cada una de las misiones. A diferencia del caso ionosf��rico terrestre, la baja densidad y el intenso campo magn��tico que aparecen en el entorno de J��piter consiguen que la girofrecuencia de los electrones sea mucho mayor que la frecuencia del plasma; esto hace que el espectro de potencia para cada modo se modifique substancialmente, aumentando la velocidad de Alfven. Se ha estimado tambi��n la impedancia de radiaci��n para amarras sin aislante conductor. En la misi��n LJO, un veh��culo espacial bajando lentamente la altitud de su ��rbita permitir��a estudiar la estructura del campo magn��tico y composici��n atmosf��rica para entender la formaci��n, evoluci��n, y estructura de J��piter. Adicionalmente, si el contactor (c��todo) se apaga, se dice que la amarra flota el��ctricamente, permitiendo emisi��n de haz de electrones que generan auroras. El continuo apagado y encendido produce pulsos de corriente dando lugar a emisiones de se��ales, que pueden ser utilizadas para diagn��stico del plasma jovial. En ��rbita Baja Jovial, los iones que impactan contra una amarra polarizada negativamente producen electrones secundarios, que, viajando helicoidalmente sobre las l��neas de campo magn��tico de J��piter, son capaces de alcanzar su atm��sfera m��s alta, y, de esta manera, generar auroras. Se han identificado cu��les son las regiones donde la amarra ser��a m��s eficiente para producir auroras. iic) Otra aplicaci��n cient��fica sugerida para la misi��n LJO es la detecci��n de granos cargados que orbitan cerca de J��piter. Los electrones de alta energ��a en este ambiente pueden ser modelados por una distribucci��n no Maxwelliana conocida como distribuci��n kappa. En escenarios con plasmas complejos, donde los campos el��ctricos en J��piter pueden acelerar las cargas hasta velocidades que superen la velocidad t��rmica, este tipo de distribuciones son muy ��tiles. En este caso las colas de las distribuciones de electrones siguen una ley de potencias. Se han estudiado las fluctuaciones de granos cargados para funciones de distribuci��n kappa. iii) La tesis concluye con el an��lisis para deorbitar sat��lites con amarras electrodin��micas que siguen una ��rbita Baja Terrestre (LEO). Una amarra debe presentar una baja probabilidad de corte por peque��o debris y adem��s debe ser suficientemente ligero para que el cociente entre la masa de la amarra y el sat��lite sea muy peque��o. En este trabajo se estiman las medidas de la longitud, anchura y espesor que debe tener una amarra para minimizar el producto de la probabilidad de corte por el cociente entre las masas de la amarra y el sat��lite. Se presentan resultados preliminares del dise��o de una amarra con forma de cinta para deorbitar sat��lites relativamente ligeros como Cryosat y pesados como Envisat. Las misiones espaciales a planetas exteriores y en el ��mbito terrestre plantean importantes retos cient��fico-tecnol��gicos que deben ser abordados y solucionados. Por ello, desde el inicio de la era espacial se han dise��ando novedosos m��todos propulsivos, sistemas de guiado, navegaci��n y control m��s robustos, y nuevos materiales para mejorar el rendimiento de los veh��culos espaciales (SC). En un gran n��mero de misiones interplanetarias y en todas las misiones a planetas exteriores se han empleado sistemas de radiois��topos (RPS) para generar potencia el��ctrica en los veh��culos espaciales y en los rovers de exploraci��n. Estos sistemas emplean como fuente de energ��a el escaso y costoso plutonio-238. La NASA, por medio de un informe de la National Academy of Science (5 de Mayo del 2009), expres�� una profunda preocupaci��n por la baja cantidad de plutonio almacenado, insuficiente para desarrollar todas las misiones de exploraci��n planetaria planeadas en el futuro [81, 91]. Esta circustancia ha llevado a dicha Agencia tomar la decisi��n de limitar el uso de estos sistemas RPS en algunas misiones de especial inter��s cient��fico y una recomendaci��n de alta prioridad para que el Congreso de los EEUU apruebe el reestablecimiento de la producci��n de plutonio-238, -son necesarios cerca de 5 kg de este material radiactivo al a��o-, para salvaguardar las misiones que requieran dichos sistemas de potencia a partir del a��o 2018. Por otro lado, la Agencia estadounidense ha estado considerando el uso de fuentes de energ��a alternativa; como la fisi��n nuclear a trav��s del ambicioso proyecto Prometheus, para llevar a cabo una misi��n de exploraci��n en el sistema jovial (JIMO). Finalmente, dicha misi��n fue desestimada por su elevado coste. Recientemente se han estado desarrollando sistemas que consigan energ��a a trav��s de los recursos naturales que nos aporta el Sol, mediante paneles solares -poco eficientes para misiones a planetas alejados de la luz solar-. En este contexto, la misi��n JUNO del programa Nuevas Fronteras de la NASA, cuyo lanzamiento fue realizado con ��xito en Agosto de 2011, va a ser la primera misi��n equipada con paneles solares que sobrevolar�� J��piter en el 2015 siguiendo una ��rbita polar. Anteriormente se hab��an empleado los antes mencionados RPS para las misiones Pioneer 10,11, Voyager 1,2, Ulysses, Cassini-Huygens y Galileo (todas sobrevuelos excepto Galileo). Dicha misi��n seguir�� una ��rbita el��ptica de alta excentricidad con un peri��pside muy cercano a J��piter, y apo��pside lejano, evitando que los intensos cinturones de radiaci��n puedan da��ar los instrumentos de navegaci��n y cient��ficos. Un tether o amarra electrodin��mica es capaz de operar como sistema propulsivo o generador de potencia, pero tambi��n puede ser considerado como soluci��n cient��ficotecnol��gica en misiones espaciales tanto en LEO (��rbita Baja Terrestre) como en planetas exteriores. Siguiendo una perspectiva hist��rica, durante las misiones terrestres TSS-1 (1992) y TSS-1R (1996) se emplearon amarras estandard con recubrimiento aislante en toda su longitud, aplicando como terminal an��dico pasivo un colector esf��rico para captar electrones. En una geometr��a alternativa, propuesta por J. R. Sanmart��n et al. (1993) [93], se consider�� dejar la amarra sin recubrimiento aislante (���bare tether���), y sin colector an��dico esf��rico, de forma que recogiera electrones a lo largo del segmento que resulta polarizado positivo, como si se tratara de una sonda de Langmuir de gran longitud. A diferencia de la amarra estandard, el ���bare tether��� es capaz de recoger electrones a lo largo de una superficie grande ya que este segmento es de varios kil��metros de longitud. Como el radio de la amarra es del orden de la longitud de Debye y peque��o comparado con el radio de Larmor de los electrones, permite una recolecci��n eficiente de electrones en el r��gimen OML (Orbital Motion Limited) de sondas de Langmuir. La corriente dada por la teor��a OML var��a en funci��n del per��metro y la longitud. En el caso de una cinta delgada, el per��metro depende de la anchura, que debe ser suficientemente grande para evitar cortes producidos por debris y micrometeoritos, y suficientemente peque��o para que la amarra funcione en dicho r��gimen [95]. En el experimento espacial TSS-1R mencionado anteriormente, se identific�� una recolecci��n de corriente m��s elevada que la que predec��a el modelo te��rico de Parker- Murphy, debido posiblemente a que se utilizaba un colector esf��rico de radio bastante mayor que la longitud de Debye [79]. En el caso de una amarra ���bare���, que recoge electrones a lo largo de gran parte de su longitud, se puede producir un fen��meno conocido como atrapamiento adiab��tico de electrones (adiabatic electron trapping) [25, 40, 60, 73, 74, 97]. En el caso terrestre (LEO) se da la condici��n mesot��rmica en la que la amarra se mueve con una velocidad muy superior a la velocidad t��rmica de los iones del ambiente y muy inferior a la velocidad t��rmica de los electrones. J. Laframboise y L. Parker [57] mostraron que, para una funci��n de distribuci��n quasi-isotr��pica, la densidad de electrones debe entonces ser necesariamente inferior a la densidad ambiente. Por otra parte, debido a su flujo hipers��nico y a la alta polarizaci��n positiva de la amarra, la densidad de los iones es mayor que la densidad ambiente en una vasta regi��n de la parte ���ram��� del flujo, violando la condici��n de cuasi-neutralidad,-en una regi��n de dimensi��n mayor que la longitud de Debye-. La soluci��n a esta paradoja podr��a basarse en el atrapamiento adiab��tico de electrones ambiente en ��rbitas acotadas entorno al tether. ABSTRACT New technological and scientific applications by electrodynamic tethers for planetary missions are analyzed: i) A set of cylindrical, parallel tethers (electric solar sail or e-sail) is considered for an interplanetary mission; ions from the solar wind are repelled by the high potential of the tether, providing momentum to the e-sail. An approximated model of a stationary potential for a high solar wind flow is considered. With the force provided by a negative biased tether, an indirect method for the optimization trajectory of an Earth-to-Jupiter orbit transfer is analyzed. ii) The deployment of a tether from the e-sail allows several scientific applications in Jupiter. iia) It might be used as a source of radiative waves for plasma diagnostics and artificial aurora generator. A conductive tether orbiting in the Jovian magnetosphere produces waves. Wave radiation by a conductor carrying a steady current in both a polar, highly eccentric, low perijove orbit, as in NASA���s Juno mission, and an equatorial low Jovian orbit (LJO) mission below the intense radiation belts, is considered. Both missions will need electric power generation for scientific instruments and communication systems. Tethers generate power more efficiently than solar panels or radioisotope power systems (RPS). The radiation impedance is required to determine the current in the overall tether circuit. In a cold plasma model, radiation occurs mainly in the Alfven and fast magnetosonic modes, exhibiting a large refraction index. The radiation impedance of insulated tethers is determined for both modes and either mission. Unlike the Earth ionospheric case, the low-density, highly magnetized Jovian plasma makes the electron gyrofrequency much larger than the plasma frequency; this substantially modifies the power spectrum for either mode by increasing the Alfven velocity. An estimation of the radiation impedance of bare tethers is also considered. iib) In LJO, a spacecraft orbiting in a slow downward spiral under the radiation belts would allow determining magnetic field structure and atmospheric composition for understanding the formation, evolution, and structure of Jupiter. Additionally, if the cathodic contactor is switched off, a tether floats electrically, allowing e-beam emission that generate auroras. On/off switching produces bias/current pulses and signal emission, which might be used for Jovian plasma diagnostics. In LJO, the ions impacting against the negative-biased tether do produce secondary electrons, which racing down Jupiter���s magnetic field lines, reach the upper atmosphere. The energetic electrons there generate auroral effects. Regions where the tether efficiently should produce secondary electrons are analyzed. iic) Other scientific application suggested in LJO is the in-situ detection of charged grains. Charged grains naturally orbit near Jupiter. High-energy electrons in the Jovian ambient may be modeled by the kappa distribution function. In complex plasma scenarios, where the Jovian high electric field may accelerate charges up superthermal velocities, the use of non-Maxwellian distributions should be considered. In these cases, the distribution tails fit well to a power-law dependence for electrons. Fluctuations of the charged grains for non-Mawellian distribution function are here studied. iii) The present thesis is concluded with the analysis for de-orbiting satellites at end of mission by electrodynamic tethers. A de-orbit tether system must present very small tether-to-satellite mass ratio and small probability of a tether cut by small debris too. The present work shows how to select tape dimensions so as to minimize the product of those two magnitudes. Preliminary results of tape-tether design are here discussed to minimize that function. Results for de-orbiting Cryosat and Envisat are also presented.

Lidar uncertainty in complex terrain development of a bias correction methodology

El autor ha trabajado como parte del equipo de investigaci��n en mediciones de viento en el Centro Nacional de Energ��as Renovables (CENER), Espa��a, en cooperaci��n con la Universidad Polit��cnica de Madrid y la Universidad T��cnica de Dinamarca. El presente reporte recapitula el trabajo de investigaci��n realizado durante los ��ltimos 4.5 a��os en el estudio de las fuentes de error de los sistemas de medici��n remota de viento, basados en la tecnolog��a lidar, enfocado al error causado por los efectos del terreno complejo. Este trabajo corresponde a una tarea del paquete de trabajo dedicado al estudio de sistemas remotos de medici��n de viento, perteneciente al proyecto de intestigaci��n europeo del 7mo programa marco WAUDIT. Adicionalmente, los datos de viento reales han sido obtenidos durante las campa��as de medici��n en terreno llano y terreno complejo, pertenecientes al tambi��n proyecto de intestigaci��n europeo del 7mo programa marco SAFEWIND. El principal objetivo de este trabajo de investigaci��n es determinar los efectos del terreno complejo en el error de medici��n de la velocidad del viento obtenida con los sistemas de medici��n remota lidar. Con este conocimiento, es posible proponer una metodolog��a de correcci��n del error de las mediciones del lidar. Esta metodolog��a est�� basada en la estimaci��n de las variaciones del campo de viento no uniforme dentro del volumen de medici��n del lidar. Las variaciones promedio del campo de viento son predichas a partir de los resultados de las simulaciones computacionales de viento RANS, realizadas para el parque experimental de Alaiz. La metodolog��a de correcci��n es verificada con los resultados de las simulaciones RANS y validadas con las mediciones reales adquiridas en la campa��a de medici��n en terreno complejo. Al inicio de este reporte, el marco te��rico describiendo el principio de medici��n de la tecnolog��a lidar utilizada, es presentado con el fin de familiarizar al lector con los principales conceptos a utilizar a lo largo de este trabajo. Posteriormente, el estado del arte es presentado en donde se describe los avances realizados en el desarrollo de la la tecnolog��a lidar aplicados al sector de la energ��a e��lica. En la parte experimental de este trabajo de investigaci��n se ha estudiado los datos adquiridos durante las dos campa��as de medici��n realizadas. Estas campa��as has sido realizadas en terreno llano y complejo, con el fin de complementar los conocimiento adquiridos en casa una de ellas y poder comparar los efectos del terreno en las mediciones de viento realizadas con sistemas remotos lidar. La primer campa��a experimental se desarrollo en terreno llano, en el parque de ensayos de aerogeneradores H0vs0re, propiedad de DTU Wind Energy (anteriormente Ris0). La segunda campa��a experimental se llev�� a cabo en el parque de ensayos de aerogeneradores Alaiz, propiedad de CENER. Exactamente los mismos dos equipos lidar fueron utilizados en estas campa��as, haciendo de estos experimentos altamente relevantes en el contexto de evaluaci��n del recurso e��lico. Un equipo lidar est�� basado en tecnolog��a de onda continua, mientras que el otro est�� basado en tecnolog��a de onda pulsada. La velocidad del viento fue medida, adem��s de con los equipos lidar, con anem��metros de cazoletas, veletas y anem��metros verticales, instalados en m��stiles meteorol��gicos. Los sensores del m��stil meteorol��gico son considerados como las mediciones de referencia en el presente estudio. En primera instancia, se han analizado los promedios diez min��tales de las medidas de viento. El objetivo es identificar las principales fuentes de error en las mediciones de los equipos lidar causadas por diferentes condiciones atmosf��ricas y por el flujo no uniforme de viento causado por el terreno complejo. El error del lidar ha sido estudiado como funci��n de varias propiedades estad��sticas del viento, como lo son el ��ngulo vertical de inclinaci��n, la intensidad de turbulencia, la velocidad vertical, la estabilidad atmosf��rica y las caracter��sticas del terreno. El prop��sito es usar este conocimiento con el fin de definir criterios de filtrado de datos. Seguidamente, se propone una metodolog��a para corregir el error del lidar causado por el campo de viento no uniforme, producido por la presencia de terreno complejo. Esta metodolog��a est�� basada en el an��lisis matem��tico inicial sobre el proceso de c��lculo de la velocidad de viento por los equipos lidar de onda continua. La metodolog��a de correcci��n propuesta hace uso de las variaciones de viento calculadas a partir de las simulaciones RANS realizadas para el parque experimental de Alaiz. Una ventaja importante que presenta esta metodolog��a es que las propiedades el campo de viento real, presentes en las mediciones instant��neas del lidar de onda continua, puede dar paso a an��lisis adicionales como parte del trabajo a futuro. Dentro del marco del proyecto, el trabajo diario se realiz�� en las instalaciones de CENER, con supervisi��n cercana de la UPM, incluyendo una estancia de 1.5 meses en la universidad. Durante esta estancia, se defini�� el an��lisis matem��tico de las mediciones de viento realizadas por el equipo lidar de onda continua. Adicionalmente, los efectos del campo de viento no uniforme sobre el error de medici��n del lidar fueron anal��ticamente definidos, despu��s de asumir algunas simplificaciones. Adicionalmente, durante la etapa inicial de este proyecto se desarrollo una importante trabajo de cooperaci��n con DTU Wind Energy. Gracias a esto, el autor realiz�� una estancia de 1.5 meses en Dinamarca. Durante esta estancia, el autor realiz�� una visita a la campa��a de medici��n en terreno llano con el fin de aprender los aspectos b��sicos del dise��o de campa��as de medidas experimentales, el estudio del terreno y los alrededores y familiarizarse con la instrumentaci��n del m��stil meteorol��gico, el sistema de adquisici��n y almacenamiento de datos, as�� como de el estudio y reporte del an��lisis de mediciones. ABSTRACT The present report summarizes the research work performed during last 4.5 years of investigation on the sources of lidar bias due to complex terrain. This work corresponds to one task of the remote sensing work package, belonging to the FP7 WAUDIT project. Furthermore, the field data from the wind velocity measurement campaigns of the FP7 SafeWind project have been used in this report. The main objective of this research work is to determine the terrain effects on the lidar bias in the measured wind velocity. With this knowledge, it is possible to propose a lidar bias correction methodology. This methodology is based on an estimation of the wind field variations within the lidar scan volume. The wind field variations are calculated from RANS simulations performed from the Alaiz test site. The methodology is validated against real scale measurements recorded during an eight month measurement campaign at the Alaiz test site. Firstly, the mathematical framework of the lidar sensing principle is introduced and an overview of the state of the art is presented. The experimental part includes the study of two different, but complementary experiments. The first experiment was a measurement campaign performed in flat terrain, at DTU Wind Energy H0vs0re test site, while the second experiment was performed in complex terrain at CENER Alaiz test site. Exactly the same two lidar devices, based on continuous wave and pulsed wave systems, have been used in the two consecutive measurement campaigns, making this a relevant experiment in the context of wind resource assessment. The wind velocity was sensed by the lidars and standard cup anemometry and wind vanes (installed on a met mast). The met mast sensors are considered as the reference wind velocity measurements. The first analysis of the experimental data is dedicated to identify the main sources of lidar bias present in the 10 minute average values. The purpose is to identify the bias magnitude introduced by different atmospheric conditions and by the non-uniform wind flow resultant of the terrain irregularities. The lidar bias as function of several statistical properties of the wind flow like the tilt angle, turbulence intensity, vertical velocity, atmospheric stability and the terrain characteristics have been studied. The aim of this exercise is to use this knowledge in order to define useful lidar bias data filters. Then, a methodology to correct the lidar bias caused by non-uniform wind flow is proposed, based on the initial mathematical analysis of the lidar measurements. The proposed lidar bias correction methodology has been developed focusing on the the continuous wave lidar system. In a last step, the proposed lidar bias correction methodology is validated with the data of the complex terrain measurement campaign. The methodology makes use of the wind field variations obtained from the RANS analysis. The results are presented and discussed. The advantage of this methodology is that the wind field properties at the Alaiz test site can be studied with more detail, based on the instantaneous measurements of the CW lidar. Within the project framework, the daily basis work has been done at CENER, with close guidance and support from the UPM, including an exchange period of 1.5 months. During this exchange period, the mathematical analysis of the lidar sensing of the wind velocity was defined. Furthermore, the effects of non-uniform wind fields on the lidar bias were analytically defined, after making some assumptions for the sake of simplification. Moreover, there has been an important cooperation with DTU Wind Energy, where a secondment period of 1.5 months has been done as well. During the secondment period at DTU Wind Energy, an important introductory learning has taken place. The learned aspects include the design of an experimental measurement campaign in flat terrain, the site assessment study of obstacles and terrain conditions, the data acquisition and processing, as well as the study and reporting of the measurement analysis.

Efecto de las cubiertas ajardinadas sobre el microclima urbano de verano

El cambio clim��tico y sus efectos requieren con urgencia el desarrollo de estrategias capaces no solo de mitigar pero tambi��n permitir la adaptaci��n de los sistemas afectados por este fen��meno a los cambios que est��n provocando a nivel mundial. Olas de calor m��s largas y frecuentes, inundaciones, y graves sequ��as aumentan la vulnerabilidad de la poblaci��n, especialmente en asentamientos urbanos. Este fen��meno y sus soluciones potenciales han sido ampliamente estudiados en las ��ltimas d��cadas desde diferentes perspectivas y escalas que analizan desde el fen��meno regional de isla de calor al aumento de la intensidad energ��tica necesaria en los edificios para mantener las condiciones de confort en los escenarios de calentamiento que se predicen. Su comprensi��n requiere el entendimiento de este fen��meno y un profundo an��lisis de las estrategias que pueden corregirlo y adaptarse a ��l. En la b��squeda de soluciones a este problema, las estrategias que incorporan sistemas naturales tales como las cubiertas ajardinadas, las fachadas vegetadas y bosques urbanos, se presentan como opciones de dise��o capaces de proporcionan m��ltiples servicios al ecosistema urbano y de regular y hacer frente a los efectos del cambio clim��tico. Entre los servicios que aportan estos sistemas naturales se incluyen la gesti��n de agua de tormentas, el control del efecto isla de calor, la mejora de la calidad del aire y del agua, el aumento de la diversidad, y como consecuencia de todo lo anterior, la reducci��n de la huella ecol��gica de las ciudades. En la ��ltima d��cada, se han desarrollado m��ltiples estudios para evaluar y cuantificar los servicios al ecosistema proporcionados por las infraestructuras verdes, y espec��ficamente las cubiertas ajardinadas, sin embargo, determinados servicios como la capacidad de la regulaci��n del microclima urbano no ha sido apenas estudiados. La mayor parte de la literatura en este campo la componen estudios relacionados con la capacidad de las cubiertas ajardinadas de reducir el efecto de la isla de calor, en una escala local, o acerca de la reducci��n de la demanda energ��tica de refrigeraci��n debida a la instalaci��n de cubiertas ajardinadas en la escala de edificio. La escala intermedia entre estos dos ��mbitos, la calle, desde su ��mbito habitable cercano al suelo hasta el l��mite superior del ca����n urbano que configura, no han sido objeto detallado de estudio por lo que es esta escala el objeto de esta tesis doctoral. Esta investigaci��n tiene como objeto contribuir en este campo y aportar un mayor entendimiento a trav��s de la cuantificaci��n del impacto de las cubiertas ajardinadas sobre la temperatura y humedad en el ca����n urbano en la escala de calle y con un especial foco en el nivel peatonal. El primer paso de esta investigaci��n ha sido la definici��n del objeto de estudio a trav��s del an��lisis y revisi��n de trabajos tanto te��ricos como emp��ricos que investigan los efectos de cubiertas ajardinadas en el entorno construido, entendidas como una herramienta para la adaptaci��n y mitigaci��n del impacto del cambio clim��tico en las ciudades. La literatura analizada, revela el gran potencial de los sistemas vegetales como herramientas para el dise��o pasivo puesto que no solo son capaces de mejorar las condiciones clim��ticas y microclimaticas en las ciudades reduciendo su demanda energ��tica, sino tambi��n la necesidad de mayor an��lisis en la escala de calle donde confluyen el clima, las superficies urbanas y materiales y vegetaci��n. Este an��lisis requiere una metodolog��a donde se integren la respuesta t��rmica de edificios, las variaciones en los patrones de viento y radiaci��n, y la interacci��n con la vegetaci��n, por lo que un an��lisis cuantitativo puede ayudar a definir las estrategias m��s efectivas para lograr espacios urbanos m��s habitables. En este contexto, el objetivo principal de esta investigaci��n ha sido la evaluaci��n cuantitativa del impacto de la cubierta ajardinada en el microclima urbano a escala de barrio en condiciones de verano en los climas mediterr��neos continentales. Para el logro de este objetivo, se ha seguido un proceso que persigue identificar los modelos y herramientas de c��lculo capaces de capturar el efecto de la cubierta ajardinada sobre el microclima, identificar los par��metros que potencian o limitan este efecto, y cuantificar las variaciones que microclima creado en el ca����n urbano produce en el consumo de energ��a de los edificios que rodean ��ste espacio. La hip��tesis principal detr��s de esta investigaci��n y donde los objetivos anteriores se basan es el siguiente: "una cubierta ajardinada instalada en edificios de mediana altura favorece el establecimiento de microclimas a nivel peatonal y reduce las temperaturas en el entorno urbano donde se encuentra���. Con el fin de verificar la hip��tesis anterior y alcanzar los objetivos propuestos se ha seguido la siguiente metodolog��a: ��� definici��n del alcance y limitaciones del an��lisis ��� Selecci��n de las herramientas y modelos de an��lisis ��� an��lisis te��rico de los par��metros que afectan el efecto de las cubiertas ajardinadas ��� an��lisis experimental; ��� modelizaci��n energ��tica ��� conclusiones y futuras l��neas de trabajo Dada la complejidad de los fen��menos que intervienen en la generaci��n de unas determinadas condiciones microclim��ticas, se ha limitado el objeto de este estudio a las variables de temperatura y humedad, y s��lo se han tenido en cuenta los componentes bi��ticos y abi��ticos del sistema, que incluyen la morfolog��a, caracter��sticas superficiales del entorno estudiado, as�� como los elementos vegetales. Los componentes antr��picos no se han incluido en este an��lisis. La b��squeda de herramientas adecuadas para cumplir con los objetivos de este an��lisis ha concluido en la selecci��n de ENVI-met v4 como el software m��s adecuado para esta investigaci��n por su capacidad para representar los complejos fen��menos que caracterizan el microclima en ca��ones urbanos, en una escala temporal diaria y con unas escala local de vecindario. Esta herramienta supera el desaf��o que plantean los requisitos inform��ticos de un c��lculo completo basado en elementos finitos realizados a trav��s de herramientas de din��mica de fluidos computacional (CFD) que requieren una capacidad de c��lculo computacional y tiempo privativos y en una escala dimensional y temporal limitada a esta capacidad computacional lo que no responde a los objetivos de esta investigaci��n. ENVI-met 4 se basa es un modelo tridimensional del micro clima dise��ado para simular las interacciones superficie-planta-aire en entornos urbanos. Basado en las ecuaciones fundamentales del equilibrio que representan, la conservaci��n de masa, energ��a y momento. ENVI-met es un software predictivo, y como primer paso ha requerido la definici��n de las condiciones iniciales de contorno que se utilizan como punto de partida por el software para generar su propio perfil de temperatura y humedad diaria basada en la localizaci��n de la construcci��n, geometr��a, vegetaci��n y las superficies de caracter��sticas f��sicas del entorno. La geometr��a de base utilizada para este primer an��lisis se ha basado en una estructura t��pica en cuanto al trazado urbano situada en Madrid que se ha simulado con una cubierta tradicional y una cubierta ajardinada en sus edificios. La estructura urbana seleccionada para este an��lisis comparativo es una red ortogonal con las calles principales orientadas este-oeste. El edificio t��pico que compone el vecindario se ha definido como ���business as usual��� (BAU) y se ha definido con una cubierta de baldosa de hormig��n est��ndar, con un albedo 0.3, paredes con albedo 0.2 (construcci��n de muro de ladrillo t��pico) y cerramientos adiab��ticos para evitar las posibles interferencias causadas por el intercambio t��rmico con el ambiente interior del edificio en los resultados del an��lisis. Para el caso de la cubierta ajardinada, se mantiene la misma geometr��a y caracter��sticas del edificio con excepci��n de la cobertura superficial de la azotea. Las baldosas de hormig��n se han modificado con una cubierta ajardinada extensiva cubierta con plantas xer��filas, t��picas en el clima de Madrid y caracterizado por su ��ndice de densidad foliar, el ���leaf area density��� (LAD), que es la superficie total de superficie de hojas por unidad de volumen (m2/m3). El an��lisis se centra en los ca��ones urbanos entendidos como el espacio de calle comprendido entre los l��mites geom��tricos de la calle, verticales y horizontales, y el nivel superior de la cota urbana nivel de cubiertas. Los escenarios analizados se basan en la variaci��n de la los principales par��metros que seg��n la literatura analizada condicionan las variaciones microclim��ticas en el ��mbito urbano afectado por la vegetaci��n, la velocidad del viento y el LAD de la azotea. Los resultados han sido registrados bajo condiciones de exposici��n solar diferentes. Las simulaciones fueron realizadas por los patrones de viento t��pico de verano, que para Madrid se caracterizan por vientos de componente suroeste que van desde 3 a 0 m/s. las simulaciones fueron realizadas para unas condiciones clim��ticas de referencia de 3, 2, 1 y 0 m/s a nivel superior del ca����n urbano, como condici��n de contorno para el an��lisis. Los resultados calculados a 1,4 metros por encima del nivel del suelo, en el espacio habitado, mostraron que el efecto de la cubierta ajardinada era menor en condiciones de contorno con velocidades de viento m��s altas aunque en ning��n caso el efecto de la cubierta verde sobre la temperatura del aire super�� reducciones de temperatura de aire superiores a 1 �� C. La humedad relativa no present�� variaciones significativas al comparar los diferentes escenarios. Las simulaciones realizadas para vientos con velocidad baja, entre 0 y 1 m/s mostraron que por debajo de 0.5 m/s la turbulencia del modelo aument�� dr��sticamente y se convirti�� en el modelo inestable e incapaz de producir resultados fiables. Esto es debido al modelo de turbulencia en el software que no es v��lido para velocidades de viento bajas, lo que limita la capacidad de ENVI-met 4 para realizar simulaciones en estas condiciones de viento y es una de las principales conclusiones de este an��lisis en cuanto a la herramienta de simulaci��n. Tambi��n se comprob�� el efecto de las densidades de la densidad de hoja (LAD) de los componentes vegetales en el modelo en la capa de aire inmediatamente superior a la cubierta, a 0,5 m sobre este nivel. Se compararon tres alternativas de densidad de hoja con la cubierta de baldosa de hormig��n: el techo verde con LAD 0.3 (hierba t��pica o sedum), LAD 1.5 (plantas mixtas t��picas) y LAD 2.5 (masa del ��rbol). Los resultados mostraron diferencias de temperatura muy relevante entre las diferentes alternativas de LAD analizadas. Los resultados muestran variaciones de temperatura que oscilan entre 3 y 5 �� C al comparar el est��ndar de la azotea concreta con albedo 0, 3 con el techo con vegetaci��n y vegetaci��n densa, mostrando la importancia del LAD en la cuantificaci��n de los efectos de las cubiertas vegetales en microclima circundante, lo que coincide con los datos reportados en la literatura existente y con los estudios emp��ricos analizados. Los resultados de los an��lisis te��ricos han llegado a las siguientes conclusiones iniciales relacionadas con la herramienta de simulaci��n y los resultados del modelo: En relaci��n con la herramienta ENVI-met, se han observado limitaciones para el an��lisis. En primer lugar, la estructura r��gida de la geometr��a, las bases de datos y el tama��o de la cuadr��cula, limitan la escala y resoluci��n de los an��lisis no permitiendo el desarrollo de grandes zonas urbanas. Por otro lado la estructura de ENVI-met permite el desarrollo de este tipo de simulaci��n tan complejo dentro de tiempos razonables de c��lculo y requerimientos computacionales convencionales. Otra limitaci��n es el modelo de turbulencia del software, que no modela correctamente velocidades de viento bajas (entre 0 y 1 m/s), por debajo de 0,5 m/s el modelo da errores y no es estable, los resultados a estas velocidades no son fiables porque las turbulencias generadas por el modelo hacen imposible la extracci��n de patrones claros de viento y temperatura que permitan la comparaci��n entre los escenarios de cubierta de hormig��n y ajardinada. Adem��s de las limitaciones anteriores, las bases de datos y par��metros de entrada en la versi��n p��blica del software est��n limitados y la complejidad de generar nuevos sistemas adapt��ndolos al edificio o modelo urbano que se quiera reproducir no es factible salvo en la versi��n profesional del software. Aparte de las limitaciones anteriores, los patrones de viento y perfiles de temperatura generados por ENVI-met concuerdan con an��lisis previos en los que se identificaban patrones de variaci��n de viento y temperaturas en ca��ones urbanos con patrones de viento, relaci��n de aspecto y dimensiones similares a los analizados en esta investigaci��n. Por lo tanto, el software ha demostrado una buena capacidad para reproducir los patrones de viento en los ca��ones de la calle y capturar el efecto de enfriamiento producido por la cubierta verde en el ca����n. En relaci��n con el modelo, el resultado revela la influencia del viento, la radiaci��n y el LAD en la temperatura del aire en ca��ones urbanos con relaci��n de aspecto comprendida entre 0,5 y 1. Siendo el efecto de la cubierta verde m��s notable en ca��ones urbanos sombreados con relaci��n de aspecto 1 y velocidades de viento en el nivel de ���canopy��� (por encima de la cubierta) de 1 m/s. En ning��n caso las reducciones en la temperatura del aire excedieron 1 �� C, y las variaciones en la humedad relativa no excedieron 1% entre los escenarios estudiados. Una vez que se han identificado los par��metros relevantes, que fueron principalmente la velocidad del viento y el LAD, se realiz�� un an��lisis experimental para comprobar los resultados obtenidos por el modelo. Para ��ste prop��sito se identific�� una cubierta ajardinada de grandes dimensiones capaz de representar la escala urbana que es el objeto del estudio. El edificio usado para este fin fue el parking de la terminal 4 del aeropuerto internacional de Madrid. Aunque esto no es un ��rea urbana est��ndar, la escala y la configuraci��n del espacio alrededor del edificio fueron considerados aceptables para el an��lisis por su similitud con el contexto urbano objeto de estudio. El edificio tiene 800 x 200 m, y una altura 15 m. Est�� rodeado de v��as de acceso pavimentadas con aceras conformando un ca����n urbano limitado por el edificio del parking, la calle y el edificio de la terminal T4. El aparcamiento est�� cerrado con fachadas que configuran un espacio urbano de tipo ca����n, con una relaci��n de aspecto menor que 0,5. Esta geometr��a presenta patrones de viento y velocidad dentro del ca����n que difieren ligeramente de los generados en el estudio te��rico y se acercan m��s a los valores a nivel de canopo sobre la cubierta del edificio, pero que no han afectado a la tendencia general de los resultados obtenidos. El edificio cuenta con la cubierta ajardinada m��s grande en Europa, 12 Ha cubiertas por con una mezcla de hierbas y sedum y con un valor estimado de LAD de 1,5. Los edificios est��n rodeados por ��reas plantadas en las aceras y ��rboles de sombra en las fachadas del edificio principal. El efecto de la cubierta ajardinada se evalu�� mediante el control de temperaturas y humedad relativa en el ca����n en un d��a t��pico de verano. La selecci��n del d��a se hizo teniendo en cuenta las predicciones meteorol��gicas para que fuesen lo m��s semejantes a las condiciones ��ptimas para capturar el efecto de la cubierta vegetal sobre el microclima urbano identificadas en el modelo te��rico. El 09 de julio de 2014 fue seleccionado para la campa��a de medici��n porque las predicciones mostraban 1 m/s velocidad del viento y cielos despejados, condiciones muy similares a las condiciones clim��ticas bajo las que el efecto de la cubierta ajardinada era m��s notorio en el modelo te��rico. Las mediciones se registraron cada hora entre las 9:00 y las 19:00 en 09 de julio de 2014. Temperatura, humedad relativa y velocidad del viento se registraron en 5 niveles diferentes, a 1.5, 4.5, 7.5, 11.5 y 16 m por encima del suelo y a 0,5 m de distancia de la fachada del edificio. Las mediciones fueron tomadas en tres escenarios diferentes, con exposici��n soleada, exposici��n la sombra y exposici��n influenciada por los ��rboles cercanos y suelo h��medo. Temperatura, humedad relativa y velocidad del viento se registraron con un equipo TESTO 410-2 con una resoluci��n de 0,1 ��C para temperatura, 0,1 m/s en la velocidad del viento y el 0,1% de humedad relativa. Se registraron las temperaturas de la superficie de los edificios circundantes para evaluar su efecto sobre los registros usando una c��mara infrarroja FLIR E4, con resoluci��n de temperatura 0,15��C. Distancia m��nima a la superficie de 0,5 m y rango de las mediciones de T�� de - 20 �� C y 250 �� C. Los perfiles de temperatura extra��dos de la medici��n in situ mostraron la influencia de la exposici��n solar en las variaciones de temperatura a lo largo del d��a, as�� como la influencia del calor irradiado por las superficies que hab��an sido expuestas a la radiaci��n solar as�� como la influencia de las ��reas de jard��n alrededor del edificio. Despu��s de que las medidas fueran tomadas, se llevaron a cabo las siguientes simulaciones para evaluar el impacto de la cubierta ajardinada en el microclima: a. est��ndar de la azotea: edificio T4 asumiendo un techo de tejas de hormig��n con albedo 0.3. b. b. cubierta vegetal : T4 edificio asumiendo una extensa cubierta verde con valor bajo del LAD (0.5)-techo de sedum simple. c. c. cubierta vegetal: T4 edificio asumiendo una extensa cubierta verde con alta joven valor 1.5-mezcla de plantas d. d. cubierta ajardinada m��s vegetaci��n nivel calle: el edificio T4 con LAD 1.5, incluyendo los ��rboles existentes a nivel de calle. Este escenario representa las condiciones actuales del edificio medido. El viento de referencia a nivel de cubierta se fij�� en 1 m/s, coincidente con el registro de velocidad de viento en ese nivel durante la campa��a de medici��n. Esta velocidad del viento se mantuvo constante durante toda la campa��a. Bajo las condiciones anteriores, los resultados de los modelos muestran un efecto moderado de azoteas verdes en el microclima circundante que van desde 1 �� a 2 �� C, pero una contribuci��n mayor cuando se combina con vegetaci��n a nivel peatonal. En este caso las reducciones de temperatura alcanzan hasta 4 ��C. La humedad relativa sin embargo, no presenta apenas variaci��n entre los escenarios con y sin cubierta ajardinada. Las temperaturas medidas in situ se compararon con resultados del modelo, mostrando una gran similitud en los perfiles definidos en ambos casos. Esto demuestra la buena capacidad de ENVI-met para reproducir el efecto de la cubierta ajardinada sobre el microclima y por tanto para el fin de esta investigaci��n. Las diferencias m��s grandes se registraron en las ��reas cercanas a las zonas superiores de las fachadas que estaban m��s expuestas a la radiaci��n del sol y tambi��n el nivel del suelo, por la influencia de los pavimentos. Estas diferencias se pudieron causar por las caracter��sticas de los cerramientos en el modelo que estaban limitados por los datos disponibles en la base de datos de software, y que se diferencian con los del edificio real. Una observaci��n importante derivada de este estudio es la contribuci��n del suelo h��medo en el efecto de la cubierta ajardinada en la temperatura del aire. En el escenario de la cubierta ajardinada con los arboles existentes a pie de calle, el efecto del suelo h��medo contribuye a aumentar las reducciones de temperatura hasta 4.5��C, potenciando el efecto combinado de la cubierta ajardinada y la vegetaci��n a pie de calle. Se realiz�� un an��lisis final despu��s de extraer el perfil horario de temperaturas en el ca����n urbano influenciado por el efecto de las cubiertas ajardinadas y los ��rboles. Con esos perfiles modificados de temperatura y humedad se desarroll�� un modelo energ��tico en el edificio asumiendo un edificio cerrado y climatizado, con uso de oficinas, una temperatura de consigna de acuerdo al RITE de 26 ��C, y con los sistemas por defecto que establece el software para el c��lculo de la demanda energ��tica y que responden a ASHRAE 90.1. El software seleccionado para la simulaci��n fue Design Builder, por su capacidad para generar simulaciones horarias y por ser una de las herramientas de simulaci��n energ��tica m��s reconocidas en el mercado. Los perfiles modificados de temperatura y humedad se insertaron en el a��o clim��tico tipo y se condujo la simulaci��n horaria para el d��a definido, el 9 de Julio. Para la simulaci��n se dejaron por defecto los valores de conductancia t��rmica de los cerramientos y la eficiencia de los equipos de acuerdo a los valores que fija el est��ndar ASHRAE para la zona clim��tica de Madrid, que es la 4. El resultado mostraba reducciones en el consumo de un d��a pico de hasta un 14% de reducci��n en las horas punta. La principal conclusi��n de ��ste estudio es la confirmaci��n del potencial de las cubiertas ajardinadas como una estrategia para reducir la temperatura del aire y consumo de energ��a en los edificios, aunque este efecto puede ser limitado por la influencia de los vientos, la radiaci��n y la especie seleccionada para el ajardinamiento, en especial de su LAD. As�� mismo, en combinaci��n con los bosques urbanos su efecto se potencia e incluso m��s si hay pavimentos h��medos o suelos porosos incluidos en la morfolog��a del ca����n urbano, convirti��ndose en una estrategia potencial para adaptar los ecosistemas urbanos el efecto aumento de temperatura derivado del cambio clim��tico. En cuanto a la herramienta, ENVI-met se considera una buena opci��n para ��ste tipo de an��lisis dada su capacidad para reproducir de un modo muy cercano a la realidad el efecto de las cubiertas. Aparte de ser una herramienta validada en estudios anteriores, en el caso experimental se ha comprobado por medio de la comparaci��n de las mediciones con los resultados del modelo. A su vez, los resultados y patrones de vientos generados en los ca��ones urbanos coinciden con otros estudios similares, concluyendo por tanto que es un software adecuado para el objeto de esta tesis doctoral. Como l��neas de investigaci��n futura, ser��a necesario entender el efecto de la cubierta ajardinada en el microclima urbano en diferentes zonas clim��ticas, as�� como un mayor estudio de otras variables que no se han observado en este an��lisis, como la temperatura media radiante y los indicadores de confort. As�� mismo, la evaluaci��n de otros par��metros que afectan el microclima urbano tales como variables geom��tricas y propiedades superficiales deber��a ser analizada en profundidad para tener un resultado que cubra todas las variables que afectan el microclima en el ca����n urbano. ABSTRACT Climate Change is posing an urgency in the development of strategies able not only to mitigate but also adapt to the effects that this global problem is evidencing around the world. Heat waves, flooding and severe draughts increase the vulnerability of population, and this is especially critical in urban settlements. This has been extensively studied over the past decades, addressed from different perspectives and ranging from the regional heat island analysis to the building scale. Its understanding requires physical and dimensional analysis of this broad phenomenon and a deep analysis of the factors and the strategies which can offset it. In the search of solutions to this problem, green infrastructure elements such as green roofs, walls and urban forests arise as strategies able provide multiple regulating ecosystem services to the urban environment able to cope with climate change effects. This includes storm water management, heat island effect control, and improvement of air and water quality. Over the last decade, multiple studies have been developed to evaluate and quantify the ecosystem services provided by green roofs, however, specific regulating services addressing urban microclimate and their impact on the urban dwellers have not been widely quantified. This research tries to contribute to fill this gap and analyzes the effects of green roofs and urban forests on urban microclimate at pedestrian level, quantifying its potential for regulating ambient temperature in hot season in Mediterranean ���continental climates. The study is divided into a sequence of analysis where the critical factors affecting the performance of the green roof system on the microclimate are identified and the effects of the green roof is tested in a real case study. The first step has been the definition of the object of study, through the analysis and review of theoretical and empirical papers that investigate the effects of covers landscaped in the built environment, in the context of its use as a tool for adaptation and mitigation of the impact of climate change on cities and urban development. This literature review, reveals the great potential of the plant systems as a tool for passive design capable of improving the climatic and microclimatic conditions in the cities, as well as its positive impact on the energy performance of buildings, but also the need for further analysis at the street scale where climate, urban surfaces and materials, and vegetation converge. This analysis requires a methodology where the thermal buildings response, the variations in the patterns of wind and the interaction of the vegetation are integrated, so a quantitative analysis can help to define the most effective strategies to achieve liveable urban spaces and collaterally, , the improvement of the surrounding buildings energy performance. In this specific scale research is needed and should be customized to every climate, urban condition and nature based strategy. In this context, the main objective for this research was the quantitative assessment of the Green roof impact on the urban microclimate at a neighbourhood scale in summer conditions in Mediterranean- continental climates. For the achievement of this main objective, the following secondary objectives have been set: ��� Identify the numerical models and calculation tools able to capture the effect of the roof garden on the microclimate. ��� Identify the enhancing or limiting parameter affecting this effect. ��� Quantification of the impact of the microclimate created on the energy consumption of buildings surrounding the street canyon analysed. The main hypothesis behind this research and where the above objectives are funded on is as follows: "An extensive roof installed in medium height buildings favours the establishment of microclimates at the pedestrian level and reduces the temperatures in the urban environment where they are located." For the purpose of verifying the above hypothesis and achieving the proposed objectives the following methodology has been followed: - Definition of hypothesis and objectives - Definition of the scope and limitations - Theoretical analysis of parameters affecting gren roof performance - Experimental analysis; - Energy modelling analyisis - Conclusions and future lines of work The search for suitable tools and models for meeting the objectives of this analysis has led to ENVI-met v4 as the most suitable software for this research. ENVI met is a three-dimensional micro-climate model designed to simulate the surface-plant-air interactions in urban environments. Based in the fundamental equations representing, mass, energy and momentum conservation, the software has the capacity of representing the complex phenomena characterizing the microclimate in urban canyons, overcoming the challenge posed by the computing requirements of a full calculus based on finite elements done via traditional computational fluid dynamics tools. Once the analysis tool has been defined, a first set of analysis has been developed to identify the main parameters affecting the green roof influence on the microclimate. In this analysis, two different scenarios are compared. A neighborhood with standard concrete tile roof and the same configuration substituting the concrete tile by an extensive green roof. Once the scenarios have been modeled, different iterations have been run to identify the influence of different wind patterns, solar exposure and roof vegetation type on the microclimate, since those are the most relevant variables affecting urban microclimates. These analysis have been run to check the conditions under which the effects of green roofs get significance. Since ENVI-met V4 is a predictive software, the first step has been the definition of the initial weather conditions which are then used as starting point by the software, which generates its own daily temperature and humidity profile based on the location of the building, geometry, vegetation and the surfaces physical characteristics. The base geometry used for this first analysis has been based on a typical urban layout structure located in Madrid, an orthogonal net with the main streets oriented East-West to ease the analysis of solar radiation in the different points of the model. This layout represents a typical urban neighborhood, with street canyons keeping an aspect ratio between 0.5 and 1 and high sky view factor to ensure correct sun access to the streets and buildings and work with typical wind flow patterns. Finally, the roof vegetation has been defined in terms of foliage density known as Leaf Area Density (LAD) and defined as the total one-sided leaf area per unit of layer volume. This index is the most relevant vegetation characteristic for the purpose of calculating the effect of vegetation on wind and solar radiation as well as the energy consumed during its metabolic processes. The building as usual (BAU) configuring the urban layout has been defined with standard concrete tile roofs, considering 0.3 albedo. Walls have been set with albedo 0.2 (typical brick wall construction) and adiabatic to avoid interference caused by thermal interchanges with the building indoor environment. For the proposed case, the same geometry and building characteristics have been kept. The only change is the roof surface coverage. The gravel on the roof has been changed with an extensive green roof covered with drought tolerant plants, typical in Madrid climate, and characterized by their LAD. The different scenarios analysed are based in the variation of the wind speed and the LAD of the roof. The results have been recorded under different sun exposure conditions. Simulations were run for the typical summer wind patterns, that for Madrid are characterized by South-west winds ranging from 3 to 0 m/s. Simulations were run for 3, 2, 1 and 0 m/s at urban canopy level. Results taken at 1.4 m above the ground showed that the green roof effect was lower with higher wind speeds and in any case the effect of the green roof on the air temperatures exceeded air temperature reductions higher than 1��C. Relative humidity presented no variations when comparing the different scenarios. For the analysis at 0m/s, ENVI-met generated error and no results were obtained. Different simulations showed that under 0.5 m/s turbulence increased dramatically and the model became unstable and unable to produce reliable results. This is due to the turbulence model embedded in the software which is not valid for low wind speeds (below 1 m/s). The effect of the different foliage densities was also tested in the model. Three different alternatives were compared against the concrete roof: green roof with LAD 0.3 ( typical grass or sedum), 1.5 (typical mixed plants) and 2.5 (tree mass). The results showed very relevant temperature differences between the different LAD alternatives analyzed. Results show temperature variations ranging between 3 and 5 ��C when comparing the standard concrete roof with albedo 0, 3 with the vegetated roof and vegetated mass, showing the relevance of the LAD on the effects of green roofs on microclimate. This matches the data reported in existing literature and empirical studies and confirms the relevance of the LAD in the roof effect on the surrounding microclimate. The results of the theoretical analysis have reached the following initial conclusions related to both, the simulation tool and the model results: ��� In relation to the tool ENVI-met, some limitations for the analysis have been observed. In first place, the rigid structure of the geometry, the data bases and the grid size, limit the scale and resolution of the analysis not allowing the development of large urban areas. On the other hand the ENVI-met structure enables the development of this type of complex simulation within reasonable times and computational requirements for the purpose of this analysis. Additionally, the model is unable to run simulations at wind speeds lower than 0.5 m/s, and even at this speed, the results are not reliable because the turbulences generated by the model that made impossible to extract clear temperature differences between the concrete and green roof scenarios. Besides the above limitations, the wind patterns and temperature profiles generated by ENVImet are in agreement with previous analysis identifying wind patterns in urban canyons with similar characteristics and aspect ratio. Therefore the software has shown a good capacity for reproducing the wind effects in the street canyons and seems to capture the cooling effect produced by the green roof. ��� In relation to the model, the results reveals the influence of wind, radiation and LAD on air temperature in urban canyons with aspect ratio comprised between 0.5 and 1. Being the effect of the green roof more noticeable in shaded urban canyons with aspect ratio 1 and wind speeds of 1 m/s. In no case the reductions in air temperature exceeded 1��C. Once the relevant parameters have been identified, mainly wind speed and LAD, an experimental analysis was conducted to test the results obtained by the model. For this purpose a large green roof was identified, able to represent the urban scale which is the object of the studio. The building identified for this purpose was the terminal 4, parking building of the international Madrid Airport. Even though this is not a standard urban area, the scale and configuration of the space around the building were deemed as acceptable for the analysis. The building is an 800x200 m, 15 m height parking building, surrounded by access paved paths and the terminal building. The parking is enclosed with facades that configure an urban canyon-like space, although the aspect ratio is lower than 0.5 and the wind patterns might differ from the theoretical model run. The building features the largest green roof in Europe, a 12 Ha extensive green roof populated with a mix of herbs and sedum with a LAD of 1.5. The buildings are surrounded by planted areas at the sidewalk and trees shading the main building facades. Green roof performance was evaluated by monitoring temperatures and relative humidity in the canyon in a typical summer day. The day selection was done taking into account meteorological predictions so the weather conditions on the measurement day were as close as possible as the optimal conditions identified in terms of green roof effects on the urban canyon. July 9th 2014 was selected for the measurement campaign because the predictions showed 1 m/s wind speed and sunny sky, which were very similar to the weather conditions where the effect of the green roof was most noticeable in the theory model. Measurements were registered hourly from 9:00am to 19:00 on July 9th 2014. Temperature, relative humidity and wind speed were recorded at 5 different levels, at 1.5, 4.5, 7.5, 11.5 and 16 m above ground and at 0.5 m distance from the building fa��ade. Measurements were taken in three different scenarios, sunny exposure, shaded exposure, and shaded exposure influenced by nearby trees and moist soil. Temperature, relative humidity and wind speed were registered using a TESTO 410-2 anemometer, with 0.1��C resolution for temperature, 0.1 m/s resolution for wind speed and 0.1 % for relative humidity. Surface temperatures were registered using an infrared camera FLIR E4, with temperature resolution 0.15��C. Minimal distance to surface of 0.5 m and T�� measurements range from -20��C and 250��C. The temperature profiles measured on the site showed the influence of solar exposure on the temperature variations along the day, as well as the influence of the heat irradiated by the building surfaces which had been exposed to the sun radiation and those influenced by the moist soft areas around the building. After the measurements were taken, the following simulations were conducted to evaluate the impact of the green roof on the microclimate: a. Standard roof: T4 building assuming a concrete tile roof with albedo 0.3. b. Green roof: T4 building assuming an extensive green roof with low LAD value (0.5)-Simple Sedum roof. c. Green roof: T4 building assuming an extensive green roof with high LAD value 1.5- Lucerne and grasses d. Green roof plus street level vegetation: T4 Building, LAD 1.5 (Lucerne), including the existing trees at street level. This scenario represents the current conditions of the building. The urban canopy wind was set as 1 m/s, the wind speed register at that level during the measurement campaign. This wind speed remained constant over the whole campaign. Under the above conditions, the results of the models show a moderate effect of green roofs on the surrounding microclimate ranging from 1��C to 2��C, but a larger contribution when combining it with vegetation at pedestrian level, where 4��C temperature reductions are reached. Relative humidity remained constant. Measured temperatures and relative humidity were compared to model results, showing a close match in the profiles defined in both cases and the good capacity of ENVI met to capture the impact of the green roof in this analysis. The largest differences were registered in the areas close to the top areas of the facades which were more exposed to sun radiation and also near to the soil level. These differences might be caused by differences between the materials properties included in the model (which were limited by the data available in the software database) and those in the real building. An important observation derived from this study is the contribution of moist soil to the green roof effect on air temperatures. In the green roof scenario with surrounding trees, the effect of the moist soil contributes to raise the temperature reductions at 4.5��C. A final analysis was conducted after extracting the hourly temperature profile in the street canyon influenced by the effect of green roofs and trees. An energy model was run on the building assuming it was a conventional enclosed building. Energy demand reductions were registered in the building reaching up to 14% reductions at the peak hour. The main conclusion of this study is the potential of the green roofs as a strategy for reducing air temperatures and energy consumption in the buildings, although this effect can be limited by the influence of high speed winds. This effect can be enhanced its combination with urban forests and even more if soft moist pavements are included in the urban canyon morphology, becoming a potential strategy for adapting urban ecosystems to the increasing temperature effect derived from climate change.

A wind-tunnel study of flow distortion at a meteorological sensor on top of the BT Tower, London, UK

High quality wind measurements in cities are needed for numerous applications including wind engineering. Such data-sets are rare and measurement platforms may not be optimal for meteorological observations. Two years' wind data were collected on the BT Tower, London, UK, showing an upward deflection on average for all wind directions. Wind tunnel simulations were performed to investigate flow distortion around two scale models of the Tower. Using a 1:160 scale model it was shown that the Tower causes a small deflection (ca. 0.5��) compared to the lattice on top on which the instruments were placed (ca. 0���4��). These deflections may have been underestimated due to wind tunnel blockage. Using a 1:40 model, the observed flow pattern was consistent with streamwise vortex pairs shed from the upstream lattice edge. Correction factors were derived for different wind directions and reduced deflection in the full-scale data-set by <3��. Instrumental tilt caused a sinusoidal variation in deflection of ca. 2��. The residual deflection (ca. 3��) was attributed to the Tower itself. Correction of the wind-speeds was small (average 1%) therefore it was deduced that flow distortion does not significantly affect the measured wind-speeds and the wind climate statistics are reliable.

Unsteady flow simulation of a vertical axis augmented wind turbine: a two-dimensional study

As the integration of vertical axis wind turbines in the built environment is a promising alternative to horizontal axis wind turbines, a 2D computational investigation of an augmented wind turbine is proposed and analysed. In the initial CFD analysis, three parameters are carefully investigated: mesh resolution; turbulence model; and time step size. It appears that the mesh resolution and the turbulence model affect result accuracy; while the time step size examined, for the unsteady nature of the flow, has small impact on the numerical results. In the CFD validation of the open rotor with secondary data, the numerical results are in good agreement in terms of shape. It is, however, observed a discrepancy factor of 2 between numerical and experimental data. Successively, the introduction of an omnidirectional stator around the wind turbine increases the power and torque coefficients by around 30���35% when compared to the open case; but attention needs to be given to the orientation of the stator blades for optimum performance. It is found that the power and torque coefficients of the augmented wind turbine are independent of the incident wind speed considered.

Wind-driven cross-equatorial flow in the Indian ocean

M��ster en Oceanograf��a

Local flow under weak trade wind regime

[EN] On 8-10 April 2007, several episodes of intense sea-breeze fronts were registered at the islands of Fuerteventura and Lanzarote (Canary Islands). The sea-breeze circulation was primary driven by daytime heating contrasts between land and the Atlantic Ocean during a period of weak trade winds. Numerical simulations of these events were carried out using the 3.1.1 version of the Weather Research and Forecasting (WRF-ARW) Model. Three different domains with 6.6-km, 2.2-km and 0.7-km horizontal grid spacing and two sets with 51 and 70 vertical sigma levels were defined. The simulation was performed using two-way interactive nesting between the first and the second domain, using different land surface model parameterizations (Thermal diffusion, Noah LSM and RUC) for comparison. Initial conditions were provided by the NCAR Dataset analysis from April 2007, which were improved using surface and upper-air observations. The poster is focused on the 10 April episode.