Estimation methods of reference evapotranspiration (ETo) for Uberlândia -MG

One approach to verify the adequacy of estimation methods of reference evapotranspiration is the comparison with the Penman-Monteith method, recommended by the United Nations of Food and Agriculture Organization - FAO, as the standard method for estimating ET0. This study aimed to compare methods for estimating ET0, Makkink (MK), Hargreaves (HG) and Solar Radiation (RS), with Penman-Monteith (PM). For this purpose, we used daily data of global solar radiation, air temperature, relative humidity and wind speed for the year 2010, obtained through the automatic meteorological station, with latitude 18° 91' 66 S, longitude 48° 25' 05 W and altitude of 869m, at the National Institute of Meteorology situated in the Campus of Federal University of Uberlandia - MG, Brazil. Analysis of results for the period were carried out in daily basis, using regression analysis and considering the linear model y = ax, where the dependent variable was the method of Penman-Monteith and the independent, the estimation of ET0 by evaluated methods. Methodology was used to check the influence of standard deviation of daily ET0 in comparison of methods. The evaluation indicated that methods of Solar Radiation and Penman-Monteith cannot be compared, yet the method of Hargreaves indicates the most efficient adjustment to estimate ETo.

Index of thermal stress for cows (ITSC) under high solar radiation in tropical environments

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Distribuição espacial dos incêndios em vegetação registrados pelo 2º Sub-Grupamento do Corpo de Bombeiros de Rio Claro/SP e o tempo atmosférico entre 2009 e 2013

Many fire occurrences in vegetation happen annually in the city of Rio Claro, causing material losses, environmental damage and discomfort to population. When identified the source, notes that the higher index is intentional, however, climatic factors such as wind speed, temperature, relative air humidity, rainfall, or even the local relief also affects in the spread and its devastating effects. Scientific studies that would assist the local community in the prevention and repression of them still are scarce. This way, the work has as objective contributes in the understanding of the relationship among the fire occurrences in vegetation registered (recorded) by Fire Department of Rio Claro/SP, and their relationships with the atmospheric time. To achieve this goal was made to build a database related to fires in vegetation during the years 2009-2013, and subsequently correlated with data of precipitation and relative humidity the air, provided by Center for Analysis and Planning Environmental (CEAPLA). The result identified the profile of the fires, the seasons of higher frequency, neighborhoods and districts with the highest number of records and correlate events with climatic factors that act in the ignition, propagation and control of fires in the Municipal district of Rio Claro/SP

Comparação de métodos de estimativa da evapotranspiração de referência para região de Jaboticabal-SP

Pós-graduação em Agronomia (Ciência do Solo) - FCAV

Modeling surface-atmosphere exchange of trace gases and energy within and above the Amazon rain forest

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.

Exploring physical processes related to past climate proxies: lake sediments and stable water isotopes

Proxy data are essential for the investigation of climate variability on time scales larger than the historical meteorological observation period. The potential value of a proxy depends on our ability to understand and quantify the physical processes that relate the corresponding climate parameter and the signal in the proxy archive. These processes can be explored under present-day conditions. In this thesis, both statistical and physical models are applied for their analysis, focusing on two specific types of proxies, lake sediment data and stable water isotopes.rnIn the first part of this work, the basis is established for statistically calibrating new proxies from lake sediments in western Germany. A comprehensive meteorological and hydrological data set is compiled and statistically analyzed. In this way, meteorological times series are identified that can be applied for the calibration of various climate proxies. A particular focus is laid on the investigation of extreme weather events, which have rarely been the objective of paleoclimate reconstructions so far. Subsequently, a concrete example of a proxy calibration is presented. Maxima in the quartz grain concentration from a lake sediment core are compared to recent windstorms. The latter are identified from the meteorological data with the help of a newly developed windstorm index, combining local measurements and reanalysis data. The statistical significance of the correlation between extreme windstorms and signals in the sediment is verified with the help of a Monte Carlo method. This correlation is fundamental for employing lake sediment data as a new proxy to reconstruct windstorm records of the geological past.rnThe second part of this thesis deals with the analysis and simulation of stable water isotopes in atmospheric vapor on daily time scales. In this way, a better understanding of the physical processes determining these isotope ratios can be obtained, which is an important prerequisite for the interpretation of isotope data from ice cores and the reconstruction of past temperature. In particular, the focus here is on the deuterium excess and its relation to the environmental conditions during evaporation of water from the ocean. As a basis for the diagnostic analysis and for evaluating the simulations, isotope measurements from Rehovot (Israel) are used, provided by the Weizmann Institute of Science. First, a Lagrangian moisture source diagnostic is employed in order to establish quantitative linkages between the measurements and the evaporation conditions of the vapor (and thus to calibrate the isotope signal). A strong negative correlation between relative humidity in the source regions and measured deuterium excess is found. On the contrary, sea surface temperature in the evaporation regions does not correlate well with deuterium excess. Although requiring confirmation by isotope data from different regions and longer time scales, this weak correlation might be of major importance for the reconstruction of moisture source temperatures from ice core data. Second, the Lagrangian source diagnostic is combined with a Craig-Gordon fractionation parameterization for the identified evaporation events in order to simulate the isotope ratios at Rehovot. In this way, the Craig-Gordon model can be directly evaluated with atmospheric isotope data, and better constraints for uncertain model parameters can be obtained. A comparison of the simulated deuterium excess with the measurements reveals that a much better agreement can be achieved using a wind speed independent formulation of the non-equilibrium fractionation factor instead of the classical parameterization introduced by Merlivat and Jouzel, which is widely applied in isotope GCMs. Finally, the first steps of the implementation of water isotope physics in the limited-area COSMO model are described, and an approach is outlined that allows to compare simulated isotope ratios to measurements in an event-based manner by using a water tagging technique. The good agreement between model results from several case studies and measurements at Rehovot demonstrates the applicability of the approach. Because the model can be run with high, potentially cloud-resolving spatial resolution, and because it contains sophisticated parameterizations of many atmospheric processes, a complete implementation of isotope physics will allow detailed, process-oriented studies of the complex variability of stable isotopes in atmospheric waters in future research.rn

Einzelpartikel- und Ensemblemessungen mit dem Aerosolmassenspektrometer (AMS): Untersuchungen zu Quellen und chemischer Prozessierung von Aerosolpartikeln im Submikrometerbereich

Atmosphärische Aerosolpartikel haben einen Einfluss sowohl auf das Klima als auch auf die menschliche Gesundheit, wobei sowohl die Größe, als auch die chemische Zusammensetzung der Partikel maßgeblich sind. Um insbesondere die chemische Zusammensetzung der Partikel in Abhängigkeit ihrer Quellen besser zu verstehen, wurden im Rahmen dieser Arbeit massenspektrometrische Untersuchungen thermisch verdampfbarer Partikel im Submikrometerbereich durchgeführt. Hierzu wurden sowohl die Massenspektren einzelner Partikel, als auch die von Ensembles von Partikeln mit dem Aerodyne Aerosolmassenspektrometer (AMS) in mehreren Feldmesskampagnen untersucht. Für die Messung von Einzelpartikelmassenspektren wurde das AMS zunächst durch den Einbau eines optischen Partikeldetektors (light scattering probe) modifiziert und anschließend eingehend charakterisiert. Dabei wurde festgestellt, dass mit dem Gerät im Partikelgrößenbereich von etwa 400-750 nm (untere Grenze bedingt durch die Detektionseffizienz des optischen Detektors, obere Grenze durch die Transmissionseffizienz des Aerosoleinlasssystems) quantitative Einzelpartikelmessungen möglich sind. Zudem wurde die Analyse der erhaltenen Messdaten systematisiert, und durch Einsatz von Standardspektren ein Sortieralgorithmus für die Einzelpartikelmassenspektren entwickelt, der erfolgreich auf Daten von Feldmesskampagnen angewandt werden konnte. Mit diesem Sortieralgorithmus sind zudem quantitative Aussagen über die verschiedenen Partikelbestandteile möglich. Im Sommer 2009 und im Winter 2010 fanden im Großraum Paris zwei einmonatige Feldmesskampagnen statt, bei denen unter anderem der Einfluss der Abluftfahne der Megastadt auf seine Vororte untersucht wurde. Erhöhte Konzentrationen sekundär gebildeter Aerosolkomponenten (Nitrat, Sulfat, oxidiertes organisches Aerosol (OOA)) waren insbesondere beim Herantransport kontinentaler Luftmassen zu beobachten. Im Gegensatz dazu waren die beobachteten Konzentrationen der Tracer primärer Emissionen NOx, BC (black carbon) und HOA (hydrocarbonlike organic aerosol) neben der lokalen Quellstärke insbesondere durch die herrschende Windgeschwindigkeit beeinflusst. Aus dem Vergleich der Messungen an drei Stationen konnte der Einfluss der Megastadt Paris auf seine Vororte (unter Annahme gleicher lokaler Emissionen an den zwei Vorort-Stationen) zu 0,1-0,7 µg m-3 BC, 0,3-1,1 µg m-3 HOA, und 3-5 ppb NOx abgeschätzt werden. Zudem konnten für zwei Stationen aus den Ensemble- bzw. den Einzelpartikelmessungen unabhängig voneinander zwei verschiedene HOA-Typen unterschieden werden, die den Quellen „Kochen“ und „Autoabgase“ zugeordnet wurden. Der Anteil der Partikel aus den Quellen „Kochen“ bzw. „Autoabgase“ am Gesamt-HOA betrug 65,5 % und 34,5 % für die Ensemblemessungen in der Innenstadt (nahe vieler Restaurants), und für die Einzelpartikelmessungen in einem Vorort 59 % bzw. 41 % (bezogen auf die Partikelanzahl, welche hier der Masse etwa proportional ist). Die Analyse der Einzelpartikelmassenspektren erbrachte zudem neue Erkenntnisse über den Mischungszustand der Einzelpartikel. So konnte belegt werden, dass Nitrat, Sulfat und OOA intern gemischt sind, HOA-Partikel aber als externe Mischung mit diesen vorliegen. Zudem konnte anhand der Tagesgänge der Masse pro Partikel von OOA, Nitrat und Sulfat und der Anzahl der diese Substanzen enthaltenden Partikel gezeigt werden, dass der im Ensemblemodus beobachtete fehlende Tagesgang der Sulfat-Massenkonzentration wahrscheinlich durch die gegensätzlichen Effekte der Modulation der Partikelanzahlkonzentration durch die sich verändernde Mischungsschichthöhe und der variierenden Masse an Sulfat pro Partikel (mittägliche photochemische Neuproduktion und Kondensation auf existierende Partikel) erklärt werden kann. Für OOA ist eine ähnliche Erklärung des Ensemblemodus-Tagesganges jedoch nur teilweise möglich; weitere Arbeit ist daher nötig, um auch für diese Substanzklasse belastbare Aussagen aus dem Vergleich der Ensemble- und Einzelpartikelmessungen zu erhalten. Im Rahmen einer Labormesskampagne an der AIDA-Kammer in Karlsruhe wurden Ensemble- und Einzelpartikelmassenspektren von Bakterien aufgenommen. Es konnte gezeigt werden, dass es prinzipiell möglich ist, Bakterien in Außenluft mittels Einzelpartikelmessungen nachzuweisen, jedoch wahrscheinlich nur bei sehr hohen Anzahlkonzentrationen. Der Nachweis von Bakterien und anderen primären biologischen Aerosolpartikeln mit dem AMS sollte daher in weiterführenden Experimenten noch optimiert werden.

Stabilität und Transport in der planetaren Grenzschicht - Untersuchungen mit Radiosonden- und Spurengasmessungen während PARADE

Die vorliegende Arbeit untersucht die Struktur und Zusammensetzung der untersten Atmosphäre im Rahmen der PARADE-Messkampagne (PArticles and RAdicals: Diel observations of the impact of urban and biogenic Emissions) am Kleinen Feldberg in Deutschland im Spätsommer 2011. Dazu werden Messungen von meteorologischen Grundgrößen (Temperatur, Feuchte, Druck, Windgeschwindigkeit und -richtung) zusammen mit Radiosonden und flugzeuggetragenen Messungen von Spurengasen (Kohlenstoffmonoxid, -dioxid, Ozon und Partikelanzahlkonzentrationen) ausgewertet. Ziel ist es, mit diesen Daten, die thermodynamischen und dynamischen Eigenschaften und deren Einfluss auf die chemische Luftmassenzusammensetzung in der planetaren Grenzschicht zu bestimmen. Dazu werden die Radiosonden und Flugzeugmessungen mit Lagrangeschen Methoden kombiniert und es wird zwischen rein kinematischen Modellen (LAGRANTO und FLEXTRA) sowie sogenannten Partikeldispersionsmodellen (FLEXPART) unterschieden. Zum ersten Mal wurde im Rahmen dieser Arbeit dabei auch eine Version von FLEXPART-COSMO verwendet, die von den meteorologischen Analysefeldern des Deutschen Wetterdienstes angetrieben werden. Aus verschiedenen bekannten Methoden der Grenzschichthöhenbestimmung mit Radiosondenmessungen wird die Bulk-Richardson-Zahl-Methode als Referenzmethode verwendet, da sie eine etablierte Methode sowohl für Messungen und als auch Modellanalysen darstellt. Mit einer Toleranz von 125 m, kann zu 95 % mit mindestens drei anderen Methoden eine Übereinstimmung zu der ermittelten Grenzschichthöhe festgestellt werden, was die Qualität der Grenzschichthöhe bestätigt. Die Grenzschichthöhe variiert während der Messkampagne zwischen 0 und 2000 m über Grund, wobei eine hohe Grenzschicht nach dem Durchzug von Kaltfronten beobachtet wird, hingegen eine niedrige Grenzschicht unter Hochdruckeinfluss und damit verbundener Subsidenz bei windarmen Bedingungen im Warmsektor. Ein Vergleich zwischen den Grenzschichthöhen aus Radiosonden und aus Modellen (COSMO-DE, COSMO-EU, COSMO-7) zeigt nur geringe Unterschiede um -6 bis +12% während der Kampagne am Kleinen Feldberg. Es kann allerdings gezeigt werden, dass in größeren Simulationsgebieten systematische Unterschiede zwischen den Modellen (COSMO-7 und COSMO-EU) auftreten. Im Rahmen dieser Arbeit wird deutlich, dass die Bodenfeuchte, die in diesen beiden Modellen unterschiedlich initialisiert wird, zu verschiedenen Grenzschichthöhen führt. Die Folge sind systematische Unterschiede in der Luftmassenherkunft und insbesondere der Emissionssensitivität. Des Weiteren kann lokale Mischung zwischen der Grenzschicht und der freien Troposphäre bestimmt werden. Dies zeigt sich in der zeitlichen Änderung der Korrelationen zwischen CO2 und O3 aus den Flugzeugmessungen, und wird im Vergleich mit Rückwärtstrajektorien und Radiosondenprofilen bestärkt. Das Einmischen der Luftmassen in die Grenzschicht beeinflusst dabei die chemische Zusammensetzung in der Vertikalen und wahrscheinlich auch am Boden. Diese experimentelle Studie bestätigt die Relevanz der Einmischungsprozesse aus der freien Troposphäre und die Verwendbarkeit der Korrelationsmethode, um Austausch- und Einmischungsprozesse an dieser Grenzfläche zu bestimmen.

Dynamics of Bora wind over the Adriatic sea: atmospheric water balance and role of air-sea fluxes and orography

The Bora wind is a mesoscale phenomenon which typically affects the Adriatic Sea basin for several days each year, especially during winter. The Bora wind has been studied for its intense outbreak across the Dinaric Alps. The properties of the Bora wind are widely discussed in the literature and scientific papers usually focus on the eastern Adriatic coast where strong turbulence and severe gust intensity are more pronounced. However, the impact of the Bora wind can be significant also over Italy, not only in terms of wind speed instensity. Depending on the synoptic pressure pattern (cyclonic or anticyclonic Bora) and on the season, heavy snowfall, severe storms, storm surges and floods can occur along the Adriatic coast and on the windward flanks of the Apennines. In the present work five Bora cases that occurred in recent years have been selected and their evolution has been simulated with the BOLAM-MOLOCH model set, developed at ISAC-CNR in Bologna. Each case study has been addressed by a control run and by several sensitivity tests, performed with the purpose of better understanding the role played by air-sea latent and sensible heat fluxes. The tests show that the removal of the fluxes induces modifications in the wind approching the coast and a decrease of the total precipitation amount predicted over Italy. In order to assess the role of heat fluxes, further analysis has been carried out: column integrated water vapour fluxes have been computed along the Italian coastline and an atmospheric water balance has been evaluated inside a box volume over the Adriatic Sea. The balance computation shows that, although latent heat flux produces a significant impact on the precipitation field, its contribution to the balance is relatively minor. The most significant and lasting case study, that of February 2012, has been studied in more detail in order to explain the impressive drop in the total precipitation amount simulated in the sensitivity tests with removed heat fluxes with respect to the CNTRL run. In these experiments relative humidity and potential temperature distribution over different cross-sections have been examined. With respect to the CNTRL run a drier and more stable boundary layer, characterised by a more pronounced wind shear at the lower levels, has been observed to establish above the Adriatic Sea. Finally, in order to demonstrate that also the interaction of the Bora flow with the Apennines plays a crucial role, sensitivity tests varying the orography height have been considered. The results of such sensitivity tests indicate that the propagation of the Bora wind over the Adriatic Sea, and in turn its meteorological impact over Italy, is influenced by both the large air-sea heat fluxes and the interaction with the Apennines that decelerate the upstream flow.

Habitat use of migrating dwarf minke whales (Balaenoptera acutorostrata subspecies) in Tasmanian waters

The Great Barrier Reef hosts the only known reliable aggregation of dwarf minke whale (Balaenoptera acutorostrata subspecies) in Australian waters. While this short seasonal aggregation is quite predictable, the distribution and movements of the whales during the rest of their annual cycle are poorly understood. In particular, feeding and resting areas on their southward migration which are likely to be important have not been described. Using satellite telemetry data, I modelled the habitat use of seven whales during their southward migration through waters surrounding Tasmania. The whales were tagged with LIMPET satellite tags in the GBR in July 2013 (2 individuals) and 2014 (5 individuals). The study area around Tasmania was divided into 10km² cells and the time spent by each individual in each cell was calculated and averaged based on the number of animals using the cell. Two areas of high residency time were highlighted: south-western Bass Strait and Storm Bay (SE Tasmania). Remotely sensed ocean data were extracted for each cell and averaged temporally during the entire period of residency. Using Generalised Additive Models I explored the influence of key environmental characteristics. Nine predictors (bathymetry, distance from coast, distance from shore, gradient of sea surface temperature, sea surface height (absolute and variance), gradient of current speed, wind speed and chlorophyll-a concentration) were retained in the final model which explained 68% of the total variance. Regions of higher time-spent values were characterised by shallow waters, proximity to the coast (but not to the shelf break), high winds and sea surface height but low gradient of sea surface temperature. Given that the two high residency areas corresponded with regions where other marine predators also forage in Bass Strait and Storm Bay, I suggest the whales were probably feeding, rather than resting in these areas.

A physics-based correction model for homogenizing sub-daily temperature series

A new physics-based technique for correcting inhomogeneities present in sub-daily temperature records is proposed. The approach accounts for changes in the sensor-shield characteristics that affect the energy balance dependent on ambient weather conditions (radiation, wind). An empirical model is formulated that reflects the main atmospheric processes and can be used in the correction step of a homogenization procedure. The model accounts for short- and long-wave radiation fluxes (including a snow cover component for albedo calculation) of a measurement system, such as a radiation shield. One part of the flux is further modulated by ventilation. The model requires only cloud cover and wind speed for each day, but detailed site-specific information is necessary. The final model has three free parameters, one of which is a constant offset. The three parameters can be determined, e.g., using the mean offsets for three observation times. The model is developed using the example of the change from the Wild screen to the Stevenson screen in the temperature record of Basel, Switzerland, in 1966. It is evaluated based on parallel measurements of both systems during a sub-period at this location, which were discovered during the writing of this paper. The model can be used in the correction step of homogenization to distribute a known mean step-size to every single measurement, thus providing a reasonable alternative correction procedure for high-resolution historical climate series. It also constitutes an error model, which may be applied, e.g., in data assimilation approaches.

Methodical study of nitrous oxide eddy covariance measurements using quantum cascade laser spectrometery over a Swiss forest

Nitrous oxide fluxes were measured at the Lägeren CarboEurope IP flux site over the multi-species mixed forest dominated by European beech and Norway spruce. Measurements were carried out during a four-week period in October–November 2005 during leaf senescence. Fluxes were measured with a standard ultrasonic anemometer in combination with a quantum cascade laser absorption spectrometer that measured N2O, CO2, and H2O mixing ratios simultaneously at 5 Hz time resolution. To distinguish insignificant fluxes from significant ones it is proposed to use a new approach based on the significance of the correlation coefficient between vertical wind speed and mixing ratio fluctuations. This procedure eliminated roughly 56% of our half-hourly fluxes. Based on the remaining, quality checked N2O fluxes we quantified the mean efflux at 0.8±0.4 μmol m−2 h−1 (mean ± standard error). Most of the contribution to the N2O flux occurred during a 6.5-h period starting 4.5 h before each precipitation event. No relation with precipitation amount could be found. Visibility data representing fog density and duration at the site indicate that wetting of the canopy may have as strong an effect on N2O effluxes as does below-ground microbial activity. It is speculated that above-ground N2O production from the senescing leaves at high moisture (fog, drizzle, onset of precipitation event) may be responsible for part of the measured flux.

Online distribution management framework by incorporating wind generation

In distribution system operations, dispatchers at control center closely monitor system operating limits to ensure system reliability and adequacy. This reliability is partly due to the provision of remote controllable tie and sectionalizing switches. While the stochastic nature of wind generation can impact the level of wind energy penetration in the network, an estimate of the output from wind on hourly basis can be extremely useful. Under any operating conditions, the switching actions require human intervention and can be an extremely stressful task. Currently, handling a set of switching combinations with the uncertainty of distributed wind generation as part of the decision variables has been nonexistent. This thesis proposes a three-fold online management framework: (1) prediction of wind speed, (2) estimation of wind generation capacity, and (3) enumeration of feasible switching combinations. The proposed methodology is evaluated on 29-node test system with 8 remote controllable switches and two wind farms of 18MW and 9MW nameplate capacities respectively for generating the sequence of system reconfiguration states during normal and emergency conditions.

Numerical study on the curling and warping of hardened rigid pavement slabs

In-service hardened concrete pavement suffers from environmental loadings caused by curling and warping of the slab. Traditionally, these loadings are computed on the basis of treating the slab as an elastic material, and of evaluating separately the curling and warping components. This dissertation simulates temperature distribution and moisture distribution through the slabs by use of a developed numerical model that couples the heat transfer and moisture transport. The computation of environmental loadings treats the slab as an elastic-viscous material, which considers the relaxation behavior and Pickett effect of the concrete. The heat transfer model considers the impacts of solar radiation, wind speed, air temperature, pavement slab albedo, etc. on the pavement temperature distribution. This dissertation assesses the difference between documented models that aim to predict pavement temperature, highlighting their pros and cons. The moisture transport model is unique for the documented models; it mimics the wetting and drying events occurring at the slab surface. These events are estimated by a proposed statistical algorithm, which is verified by field rainfall data. Analysis of the predicted results examines on the roles of the local air RH (relative humidity), wind speed, rainy pattern in the moisture distribution through the slab. The findings reveal that seasonal air RH plays a decisive role on the slab‘s moisture distribution; but wind speed and its daily variation, daily RH variation, and seasonal rainfall pattern plays only a secondary role. This dissertation sheds light on the computation of environmental loadings that in-service pavement slabs suffer from. Analysis of the computed stresses centers on the stress relaxation near the surface, stress evolution after the curing ends, and the impact of construction season on the stress‘s magnitude. An unexpected finding is that the total environmental loadings at the cyclically-stable state divert from the thermal stresses. At such a state, the total stress at the daytime is roughly equal to the thermal stress; whereas the total stress during the nighttime is far greater than the thermal stress. An explanation for this phenomenon is that during the night hours, the decline of the slab‘s near-surface temperature leads to a drop of the near-surface RH. This RH drop results in contraction therein and develops additional tensile stresses. The dissertation thus argues that estimating the environmental loadings by solely computing the thermally-induced stresses may reach delusive results. It recommends that the total environmental loadings of in-service slabs should be estimated by a sophisticated model coupling both moisture component and temperature component.

MULTIDIMENSIONAL OPTIMAL DROOP CONTROL FOR WIND RESOURCES IN DC MICROGRIDS

Two important and upcoming technologies, microgrids and electricity generation from wind resources, are increasingly being combined. Various control strategies can be implemented, and droop control provides a simple option without requiring communication between microgrid components. Eliminating the single source of potential failure around the communication system is especially important in remote, islanded microgrids, which are considered in this work. However, traditional droop control does not allow the microgrid to utilize much of the power available from the wind. This dissertation presents a novel droop control strategy, which implements a droop surface in higher dimension than the traditional strategy. The droop control relationship then depends on two variables: the dc microgrid bus voltage, and the wind speed at the current time. An approach for optimizing this droop control surface in order to meet a given objective, for example utilizing all of the power available from a wind resource, is proposed and demonstrated. Various cases are used to test the proposed optimal high dimension droop control method, and demonstrate its function. First, the use of linear multidimensional droop control without optimization is demonstrated through simulation. Next, an optimal high dimension droop control surface is implemented with a simple dc microgrid containing two sources and one load. Various cases for changing load and wind speed are investigated using simulation and hardware-in-the-loop techniques. Optimal multidimensional droop control is demonstrated with a wind resource in a full dc microgrid example, containing an energy storage device as well as multiple sources and loads. Finally, the optimal high dimension droop control method is applied with a solar resource, and using a load model developed for a military patrol base application. The operation of the proposed control is again investigated using simulation and hardware-in-the-loop techniques.