986 resultados para surface modeling
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Accurate estimates of how soil water stress affects plant transpiration are crucial for reliable land surface model (LSM) predictions. Current LSMs generally use a water stress factor, β, dependent on soil moisture content, θ, that ranges linearly between β = 1 for unstressed vegetation and β = 0 when wilting point is reached. This paper explores the feasibility of replacing the current approach with equations that use soil water potential as their independent variable, or with a set of equations that involve hydraulic and chemical signaling, thereby ensuring feedbacks between the entire soil–root–xylem–leaf system. A comparison with the original linear θ-based water stress parameterization, and with its improved curvi-linear version, was conducted. Assessment of model suitability was focused on their ability to simulate the correct (as derived from experimental data) curve shape of relative transpiration versus fraction of transpirable soil water. We used model sensitivity analyses under progressive soil drying conditions, employing two commonly used approaches to calculate water retention and hydraulic conductivity curves. Furthermore, for each of these hydraulic parameterizations we used two different parameter sets, for 3 soil texture types; a total of 12 soil hydraulic permutations. Results showed that the resulting transpiration reduction functions (TRFs) varied considerably among the models. The fact that soil hydraulic conductivity played a major role in the model that involved hydraulic and chemical signaling led to unrealistic values of β, and hence TRF, for many soil hydraulic parameter sets. However, this model is much better equipped to simulate the behavior of different plant species. Based on these findings, we only recommend implementation of this approach into LSMs if great care with choice of soil hydraulic parameters is taken
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Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
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Seasonal variations in the diurnal evolution of the global, diffuse and direct solar radiation at the surface, the clearness index, diffuse fraction and direct fraction are described in detail for the City of Sao Paulo, Brazil. The description is based on measurements of global and diffuse solar radiation carried out over 5.25 years. The diffuse component was measured with a shadow-band device. The annual evolution of the amplitude of the diurnal cycle of all radiometric parameters indicates a seasonal pattern with two distinct periods: autumn-winter and spring-summer. About 10% of the observed period was characterized by clear sky days. This seasonal variation is determined by a larger incidence of clear sky days in the autumn-winter period. Reductions of up to 10% in hourly and daily values of global radiation were observed in conjunction with an increase in particulate matter concentration on clear sky days. The pollution effect may be responsible for the discrepancy, of 16%, found between local and more regional estimates of global solar radiation in Sao Paulo. The diurnal evolution of hourly values of monthly-averaged global and diffuse solar radiation were successfully estimated by the empirical expressions derived here. Daily values of monthly-averaged global solar radiation were satisfactorily estimated using the Angstrom expression.
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Die vorliegende Dissertation untersucht die biogeochemischen Vorgänge in der Vegetationsschicht (Bestand) und die Rückkopplungen zwischen physiologischen und physikalischen Umweltprozessen, die das Klima und die Chemie der unteren Atmosphäre beeinflussen. Ein besondere Schwerpunkt ist die Verwendung theoretischer Ansätze zur Quantifizierung des vertikalen Austauschs von Energie und Spurengasen (Vertikalfluss) unter besonderer Berücksichtigung der Wechselwirkungen der beteiligten Prozesse. Es wird ein differenziertes Mehrschicht-Modell der Vegetation hergeleitet, implementiert, für den amazonischen Regenwald parametrisiert und auf einen Standort in Rondonia (Südwest Amazonien) angewendet, welches die gekoppelten Gleichungen zur Energiebilanz der Oberfläche und CO2-Assimilation auf der Blattskala mit einer Lagrange-Beschreibung des Vertikaltransports auf der Bestandesskala kombiniert. Die hergeleiteten Parametrisierungen beinhalten die vertikale Dichteverteilung der Blattfläche, ein normalisiertes Profil der horizontalen Windgeschwindigkeit, die Lichtakklimatisierung der Photosynthesekapazität und den Austausch von CO2 und Wärme an der Bodenoberfläche. Desweiteren werden die Berechnungen zur Photosynthese, stomatären Leitfähigkeit und der Strahlungsabschwächung im Bestand mithilfe von Feldmessungen evaluiert. Das Teilmodell zum Vertikaltransport wird im Detail unter Verwendung von 222-Radon-Messungen evaluiert. Die ``Vorwärtslösung'' und der ``inverse Ansatz'' des Lagrangeschen Dispersionsmodells werden durch den Vergleich von beobachteten und vorhergesagten Konzentrationsprofilen bzw. Bodenflüssen bewertet. Ein neuer Ansatz wird hergeleitet, um die Unsicherheiten des inversen Ansatzes aus denjenigen des Eingabekonzentrationsprofils zu quantifizieren. Für nächtliche Bedingungen wird eine modifizierte Parametrisierung der Turbulenz vorgeschlagen, welche die freie Konvektion während der Nacht im unteren Bestand berücksichtigt und im Vergleich zu früheren Abschätzungen zu deutlich kürzeren Aufenthaltszeiten im Bestand führt. Die vorhergesagte Stratifizierung des Bestandes am Tage und in der Nacht steht im Einklang mit Beobachtungen in dichter Vegetation. Die Tagesgänge der vorhergesagten Flüsse und skalaren Profile von Temperatur, H2O, CO2, Isopren und O3 während der späten Regen- und Trockenzeit am Rondonia-Standort stimmen gut mit Beobachtungen überein. Die Ergebnisse weisen auf saisonale physiologische Änderungen hin, die sich durch höhere stomatäre Leitfähigkeiten bzw. niedrigere Photosyntheseraten während der Regen- und Trockenzeit manifestieren. Die beobachteten Depositionsgeschwindigkeiten für Ozon während der Regenzeit überschreiten diejenigen der Trockenzeit um 150-250%. Dies kann nicht durch realistische physiologische Änderungen erklärt werden, jedoch durch einen zusätzlichen cuticulären Aufnahmemechanismus, möglicherweise an feuchten Oberflächen. Der Vergleich von beobachteten und vorhergesagten Isoprenkonzentrationen im Bestand weist auf eine reduzierte Isoprenemissionskapazität schattenadaptierter Blätter und zusätzlich auf eine Isoprenaufnahme des Bodens hin, wodurch sich die globale Schätzung für den tropischen Regenwald um 30% reduzieren würde. In einer detaillierten Sensitivitätsstudie wird die VOC Emission von amazonischen Baumarten unter Verwendung eines neuronalen Ansatzes in Beziehung zu physiologischen und abiotischen Faktoren gesetzt. Die Güte einzelner Parameterkombinationen bezüglich der Vorhersage der VOC Emission wird mit den Vorhersagen eines Modells verglichen, das quasi als Standardemissionsalgorithmus für Isopren dient und Licht sowie Temperatur als Eingabeparameter verwendet. Der Standardalgorithmus und das neuronale Netz unter Verwendung von Licht und Temperatur als Eingabeparameter schneiden sehr gut bei einzelnen Datensätzen ab, scheitern jedoch bei der Vorhersage beobachteter VOC Emissionen, wenn Datensätze von verschiedenen Perioden (Regen/Trockenzeit), Blattentwicklungsstadien, oder gar unterschiedlichen Spezies zusammengeführt werden. Wenn dem Netzwerk Informationen über die Temperatur-Historie hinzugefügt werden, reduziert sich die nicht erklärte Varianz teilweise. Eine noch bessere Leistung wird jedoch mit physiologischen Parameterkombinationen erzielt. Dies verdeutlicht die starke Kopplung zwischen VOC Emission und Blattphysiologie.
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Die Wechselwirkung zwischen Proteinen und anorganischen Oberflächen fasziniert sowohl aus angewandter als auch theoretischer Sicht. Sie ist ein wichtiger Aspekt in vielen Anwendungen, unter anderem in chirugischen Implantaten oder Biosensoren. Sie ist außerdem ein Beispiel für theoretische Fragestellungen betreffend die Grenzfläche zwischen harter und weicher Materie. Fest steht, dass Kenntnis der beteiligten Mechanismen erforderlich ist um die Wechselwirkung zwischen Proteinen und Oberflächen zu verstehen, vorherzusagen und zu optimieren. Aktuelle Fortschritte im experimentellen Forschungsbereich ermöglichen die Untersuchung der direkten Peptid-Metall-Bindung. Dadurch ist die Erforschung der theoretischen Grundlagen weiter ins Blickfeld aktueller Forschung gerückt. Eine Möglichkeit die Wechselwirkung zwischen Proteinen und anorganischen Oberflächen zu erforschen ist durch Computersimulationen. Obwohl Simulationen von Metalloberflächen oder Proteinen als Einzelsysteme schon länger verbreitet sind, bringt die Simulation einer Kombination beider Systeme neue Schwierigkeiten mit sich. Diese zu überwinden erfordert ein Mehrskalen-Verfahren: Während Proteine als biologische Systeme ausreichend mit klassischer Molekulardynamik beschrieben werden können, bedarf die Beschreibung delokalisierter Elektronen metallischer Systeme eine quantenmechanische Formulierung. Die wichtigste Voraussetzung eines Mehrskalen-Verfahrens ist eine Übereinstimmung der Simulationen auf den verschiedenen Skalen. In dieser Arbeit wird dies durch die Verknüpfung von Simulationen alternierender Skalen erreicht. Diese Arbeit beginnt mit der Untersuchung der Thermodynamik der Benzol-Hydratation mittels klassischer Molekulardynamik. Dann wird die Wechselwirkung zwischen Wasser und den [111]-Metalloberflächen von Gold und Nickel mittels eines Multiskalen-Verfahrens modelliert. In einem weiteren Schritt wird die Adsorbtion des Benzols an Metalloberflächen in wässriger Umgebung studiert. Abschließend wird die Modellierung erweitert und auch die Aminosäuren Alanin und Phenylalanin einbezogen. Dies eröffnet die Möglichkeit realistische Protein- Metall-Systeme in Computersimulationen zu betrachten und auf theoretischer Basis die Wechselwirkung zwischen Peptiden und Oberflächen für jede Art Peptide und Oberfläche vorauszusagen.
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Volcán Pacaya is one of three currently active volcanoes in Guatemala. Volcanic activity originates from the local tectonic subduction of the Cocos plate beneath the Caribbean plate along the Pacific Guatemalan coast. Pacaya is characterized by generally strombolian type activity with occasional larger vulcanian type eruptions approximately every ten years. One particularly large eruption occurred on May 27, 2010. Using GPS data collected for approximately 8 years before this eruption and data from an additional three years of collection afterwards, surface movement covering the period of the eruption can be measured and used as a tool to help understand activity at the volcano. Initial positions were obtained from raw data using the Automatic Precise Positioning Service provided by the NASA Jet Propulsion Laboratory. Forward modeling of observed 3-D displacements for three time periods (before, covering and after the May 2010 eruption) revealed that a plausible source for deformation is related to a vertical dike or planar surface trending NNW-SSE through the cone. For three distinct time periods the best fitting models describe deformation of the volcano: 0.45 right lateral movement and 0.55 m tensile opening along the dike mentioned above from October 2001 through January 2009 (pre-eruption); 0.55 m left lateral slip along the dike mentioned above for the period from January 2009 and January 2011 (covering the eruption); -0.025 m dip slip along the dike for the period from January 2011 through March 2013 (post-eruption). In all bestfit models the dike is oriented with a 75° westward dip. These data have respective RMS misfit values of 5.49 cm, 12.38 cm and 6.90 cm for each modeled period. During the time period that includes the eruption the volcano most likely experienced a combination of slip and inflation below the edifice which created a large scar at the surface down the northern flank of the volcano. All models that a dipping dike may be experiencing a combination of inflation and oblique slip below the edifice which augments the possibility of a westward collapse in the future.
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The human immunodeficiency virus-1 reverse transcriptase inhibitory activity of 2-(2,6-disubstituted phenyl)-3-(substituted pyrimidin-2-yl)-thiazolidin-4-ones have been analyzed using combinatorial protocol in multiple linear regression (CP-MLR) with several electronic and molecular surface area features of the compounds obtained from Molecular Operating Environment (MOE) software. The study has indicated the role of different charged molecular surface areas in modeling the inhibitory activity of the compounds. The derived models collectively suggested that the compounds should be compact without bulky substitutions on its peripheries for better HIV-1 RT inhibitory activity. It also emphasized the necessity of hydrophobicity and compact structural features for their activity. The scope of the descriptors identified for these analogues have been verified by extending the dataset with different 2-(disubstituted phenyl)-3-(substituted pyridin-2-yl)-thiazolidin-4-ones. The joint analysis of extended dataset highlighted the information content of identified descriptors in modeling the HIV-1 RT inhibitory activity of the compounds.
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The efficiency of sputtered refractory elements by H+ and He++ solar wind ions from Mercury's surface and their contribution to the exosphere are studied for various solar wind conditions. A 3D solar wind-planetary interaction hybrid model is used for the evaluation of precipitation maps of the sputter agents on Mercury's surface. By assuming a global mineralogical surface composition, the related sputter yields are calculated by means of the 2013 SRIM code and are coupled with a 3D exosphere model. Because of Mercury's magnetic field, for quiet and nominal solar wind conditions the plasma can only precipitate around the polar areas, while for extreme solar events (fast solar wind, coronal mass ejections, interplanetary magnetic clouds) the solar wind plasma has access to the entire dayside. In that case the release of particles form the planet's surface can result in an exosphere density increase of more than one order of magnitude. The corresponding escape rates are also about an order of magnitude higher. Moreover, the amount of He++ ions in the precipitating solar plasma flow enhances also the release of sputtered elements from the surface in the exosphere. A comparison of our model results with MESSENGER observations of sputtered Mg and Ca elements in the exosphere shows a reasonable quantitative agreement. (C) 2015 Elsevier Ltd. All rights reserved.
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A finite difference method for simulating voltammograms of electrochemically driven enzyme catalysis is presented. The method enables any enzyme mechanism to be simulated. The finite difference equations can be represented as a matrix equation containing a nonlinear sparse matrix. This equation has been solved using the software package Mathematica. Our focus is on the use of cyclic voltammetry since this is the most commonly employed electrochemical method used to elucidate mechanisms. The use of cyclic voltammetry to obtain data from systems obeying Michaelis-Menten kinetics is discussed, and we then verify our observations on the Michaelis-Menten system using the finite difference simulation. Finally, we demonstrate how the method can be used to obtain mechanistic information on a real redox enzyme system, the complex bacterial molybdoenzyme xanthine dehydrogenase.
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We model nongraphitized carbon black surfaces and investigate adsorption of argon on these surfaces by using the grand canonical Monte Carlo simulation. In this model, the nongraphitized surface is modeled as a stack of graphene layers with some carbon atoms of the top graphene layer being randomly removed. The percentage of the surface carbon atoms being removed and the effective size of the defect ( created by the removal) are the key parameters to characterize the nongraphitized surface. The patterns of adsorption isotherm and isosteric heat are particularly studied, as a function of these surface parameters as well as pressure and temperature. It is shown that the adsorption isotherm shows a steplike behavior on a perfect graphite surface and becomes smoother on nongraphitized surfaces. Regarding the isosteric heat versus loading, we observe for the case of graphitized thermal carbon black the increase of heat in the submonolayer coverage and then a sharp decline in the heat when the second layer is starting to form, beyond which it increases slightly. On the other hand, the isosteric heat versus loading for a highly nongraphitized surface shows a general decline with respect to loading, which is due to the energetic heterogeneity of the surface. It is only when the fluid-fluid interaction is greater than the surface energetic factor that we see a minimum-maximum in the isosteric heat versus loading. These simulation results of isosteric heat agree well with the experimental results of graphitization of Spheron 6 (Polley, M. H.; Schaeffer, W. D.; Smith, W. R. J. Phys. Chem. 1953, 57, 469; Beebe, R. A.; Young, D. M. J. Phys. Chem. 1954, 58, 93). Adsorption isotherms and isosteric heat in pores whose walls have defects are also studied from the simulation, and the pattern of isotherm and isosteric heat could be used to identify the fingerprint of the surface.
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In topographically flat wetlands, where shallow water table and conductive soil may develop as a result of wet and dry seasons, the connection between surface water and groundwater is not only present, but perhaps the key factor dominating the magnitude and direction of water flux. Due to their complex characteristics, modeling waterflow through wetlands using more realistic process formulations (integrated surface-ground water and vegetative resistance) is an actual necessity. This dissertation focused on developing an integrated surface – subsurface hydrologic simulation numerical model by programming and testing the coupling of the USGS MODFLOW-2005 Groundwater Flow Process (GWF) package (USGS, 2005) with the 2D surface water routing model: FLO-2D (O’Brien et al., 1993). The coupling included the necessary procedures to numerically integrate and verify both models as a single computational software system that will heretofore be referred to as WHIMFLO-2D (Wetlands Hydrology Integrated Model). An improved physical formulation of flow resistance through vegetation in shallow waters based on the concept of drag force was also implemented for the simulations of floodplains, while the use of the classical methods (e.g., Manning, Chezy, Darcy-Weisbach) to calculate flow resistance has been maintained for the canals and deeper waters. A preliminary demonstration exercise WHIMFLO-2D in an existing field site was developed for the Loxahatchee Impoundment Landscape Assessment (LILA), an 80 acre area, located at the Arthur R. Marshall Loxahatchee National Wild Life Refuge in Boynton Beach, Florida. After applying a number of simplifying assumptions, results have illustrated the ability of the model to simulate the hydrology of a wetland. In this illustrative case, a comparison between measured and simulated stages level showed an average error of 0.31% with a maximum error of 2.8%. Comparison of measured and simulated groundwater head levels showed an average error of 0.18% with a maximum of 2.9%. The coupling of FLO-2D model with MODFLOW-2005 model and the incorporation of the dynamic effect of flow resistance due to vegetation performed in the new modeling tool WHIMFLO-2D is an important contribution to the field of numerical modeling of hydrologic flow in wetlands.