An approach to verifying and debugging simulation models governed by ordinary differential equations: Part 2. Residuals analysis and a case study

In Part 1 of this paper a methodology for back-to-back testing of simulation software was described. Residuals with error-dependent geometric properties were generated. A set of potential coding errors was enumerated, along with a corresponding set of feature matrices, which describe the geometric properties imposed on the residuals by each of the errors. In this part of the paper, an algorithm is developed to isolate the coding errors present by analysing the residuals. A set of errors is isolated when the subspace spanned by their combined feature matrices corresponds to that of the residuals. Individual feature matrices are compared to the residuals and classified as 'definite', 'possible' or 'impossible'. The status of 'possible' errors is resolved using a dynamic subset testing algorithm. To demonstrate and validate the testing methodology presented in Part 1 and the isolation algorithm presented in Part 2, a case study is presented using a model for biological wastewater treatment. Both single and simultaneous errors that are deliberately introduced into the simulation code are correctly detected and isolated. Copyright (C) 2003 John Wiley Sons, Ltd.

Production of proteinases by psychrotrophic bacteria in raw milk stored at low temperature

Raw milk samples from two different sources were stored at 2degreesC, 4degreesC and 7degreesC for 10 days and the growth of psychrotrophic bacteria, production of proteinase and proteolysis in the milks were measured during storage. Peptide analyses by the fluorescamine method and RP-HPLC were used in determination of proteolysis and proteinase activity. The average times taken for the psychrotroph counts to reach 10(7) cfu/mL at 2degreesC, 4degreesC and 7degreesC were approximately 9, 7 and 4 days, although there was considerable variation in growth rates in the different milks. There was little correlation between psychrotroph counts and either proteolysis or proteinase activity levels. At 2degreesC, no milk stored showed significant proteolysis by the fluorescamine method after 10 days' storage, but significant proteinase activity could be measured in some of these milks at 8 and 10 days. RP-HPLC analysis was a more sensitive means of detecting peptides than the fluorescamine method.

Genotype and environment effects on dynamics of harvest index during grain filling in sorghum

An approach based on a linear rate of increase in harvest index (141) with time after anthesis has been used as a simple means-to predict grain growth and yield in many crop simulation models. When applied to diverse situations, however, this approach has been found to introduce significant error in grain yield predictions. Accordingly, this study was undertaken to examine the stability of the HI approach for yield prediction in sorghum [Sorghum bicolor (L.) Moench]. Four field experiments were conducted under nonlimiting water. and N conditions. The experiments were sown at times that ensured a broad range in temperature and radiation conditions. Treatments consisted of two population densities and three genotypes varying in maturity. Frequent sequential harvests were used to monitor crop growth, yield, and the dynamics of 111. Experiments varied greatly in yield and final HI. There was also a tendency for lower HI with later maturity. Harvest index dynamics also varied among experiments and, to a lesser extent, among treatments within experiments. The variation was associated mostly with the linear rate of increase in HI and timing of cessation of that increase. The average rate of HI increase was 0.0198 d(-1), but this was reduced considerably (0.0147) in one experiment that matured in cool conditions. The variations found in IN dynamics could be largely explained by differences in assimilation during grain filling and remobilization of preanthesis assimilate. We concluded that this level of variation in HI dynamics limited the general applicability of the HI approach in yield prediction and suggested a potential alternative for testing.

Climate change and biotic invasions: a case history of a tropical woody vine

The impacts of climate change in the potential distribution and relative abundance of a C3 shrubby vine, Cryptostegia grandiflora, were investigated using the CLIMEX modelling package. Based upon its current naturalised distribution, C. grandiflora appears to occupy only a small fraction of its potential distribution in Australia under current climatic conditions; mostly in apparently sub-optimal habitat. The potential distribution of C. grandiflora is sensitive towards changes in climate and atmospheric chemistry in the expected range of this century, particularly those that result in increased temperature and water use efficiency. Climate change is likely to increase the potential distribution and abundance of the plant, further increasing the area at risk of invasion, and threatening the viability of current control strategies markedly. By identifying areas at risk of invasion, and vulnerabilities of control strategies, this analysis demonstrates the utility of climate models for providing information suitable to help formulate large-scale, long-term strategic plans for controlling biotic invasions. The effects of climate change upon the potential distribution of C. grandiflora are sufficiently great that strategic control plans for biotic invasions should routinely include their consideration. Whilst the effect of climate change upon the efficacy of introduced biological control agents remain unknown, their possible effect in the potential distribution of C. grandiflora will likely depend not only upon their effects on the population dynamics of C. grandiflora, but also on the gradient of climatic suitability adjacent to each segment of the range boundary.

Low-temperature single-crystal Raman and neutron-diffraction study of the hydrogenous ammonium copper(II) tutton salt and the deuterated analogue in the metastable state

Low-temperature (15 K) single-crystal neutron-diffraction structures and Raman spectra of the salts (NX4)(2)[CU(OX2)(6)](SO4)(2), where X = H or D, are reported. This study is concerned with the origin of the structural phase change that is known to occur upon deuteration. Data for the deuterated salt were measured in the metastable state, achieved by application of 500 bar of hydrostatic pressure at similar to303 K followed by cooling to 281 K and the subsequent release of pressure. This allows for the direct comparison between the hydrogenous and deuterated salts, in the same modification, at ambient pressure and low temperature. The Raman spectra provide no intimation of any significant change in the intermolecular bonding. Furthermore, structural differences are few, the largest being for the long Cu-O bond, which is 2.2834(5) and 2.2802(4) Angstrom for the hydrogenous and the deuterated salts, respectively. Calorimetric data for the deuterated salt are also presented, providing an estimate of 0.17(2) kJ/mol for the enthalpy difference between the two structural forms at 295.8(5) K. The structural data suggest that substitution of hydrogen for deuterium gives rise to changes in the hydrogen-bonding interactions that result in a slightly reduced force field about the copper(II) center. The small structural differences suggest different relative stabilities for the hydrogenous and deuterated salts, which may be sufficient to stabilize the hydrogenous salt in the anomalous structural form.

Influence of shapes of selected vegetable materials on drying kinetics during fluidized bed drying

Three different particular geometrical shapes of parallelepiped, cylinder and sphere were taken from cut green beans (length:diameter = 1:1, 2:1 and 3:1) and potatoes (aspect ratio = 1:1, 2:1 and 3:1) and peas, respectively. Their drying behaviour in a fluidised bed was studied at three different drying temperatures of 30, 40 and 50 degreesC (RH = 15%). Drying curves were constructed using non-dimensional moisture ratio (MR) and time and their behaviour was modelled using exponential (MR = exp(-kt)) and Page (MR = exp(-kt(n))) models. The effective diffusion coefficient of moisture transfer was determined by Fickian method using uni- and three-dimensional moisture movements. The diffusion coefficient was least affected by the size when the moisture movement was considered three-dimensional, whereas the drying temperature had a significative effect on diffusivity as expected. The drying constant and diffusivity coefficients were on the descending order for potato, beans and peas. The Arrhenius activation energy for the peas was also highest, indicating a strong barrier to moisture movement in peas as compared to beans and skinless cut potato pieces. (C) 2003 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Structural definition of the low-temperature phase transition of tris(ethane-1,2-diamine)zinc(II) dinitrate

The 93 K X-ray crystal structure of tris(ethane-1,2-diamine)zinc(II) dinitrate is reported. As predicted by the spectroscopic studies of other workers, there is a reversible phase transition of the structure at low temperature. We have determined this temperature to be 143 K. The structure at this temperature and below resembles that of the room temperature structure, except the crystallographic D-3 symmetry of the complex cation (296 K) is lowered to C-2 ( below 144 K) by subtle changes in cation-anion hydrogen bonding. No change in the conformation of the cation or its bond lengths and angles was found.

Low temperature induced spikelet sterility in rice. I. Nitrogen fertilisation and sensitive reproductive period

Low temperature during panicle development in rice increases spikelet sterility. This effect is exacerbated by high rates of nitrogen (N) application in the field. Spikelet sterility induced by low temperature and N fertilisation was examined in glasshouse experiments to clarify the mechanisms involved. In two glasshouse experiments, 12-h periods of low (18/13degreesC) and high (28/23degreesC) day/night temperatures were imposed over periods of 5-7 days during panicle development, to determine the effects of low temperature and N fertilisation on spikelet sterility. In one experiment, 50% sunlight was imposed together with low temperature to investigate the additive effects of reduced solar radiation and low temperature. The effect of increased tillering due to N fertilisation was examined by a tiller removal treatment in the same experiment. Pollen grain number and spikelet sterility were recorded at heading and harvest, respectively. Although there was no significant effect of low temperature on spikelet sterility in the absence of applied N, low temperature greatly increased spikelet sterility as a result of a reduction in the number of engorged pollen grains per anther in the presence of applied N. Spikelet sterility was strongly correlated with the number of engorged pollen grains per anther. Low temperature during very early ( late stage of spikelet differentiation-pollen mother cell stage) and peak ( second meiotic division stage-early stage of extine formation) microspore development caused a severe reduction in engorged pollen production mainly as a result of reduced total pollen production. Unlike low temperature, the effect of shading was rather small. The increased tillering due to application of high rates of N, increased both spikelet number per plant and spikelet sterility under low temperature conditions. The removal of tillers as they appeared reduced the number of total spikelets per plant and maintained a large number of engorged pollen grains per anther which, in turn, reduced spikelet sterility. The number of engorged pollen grains per anther determined the numbers of intercepted and germinated pollen grains on the stigma. It is concluded that N increased tillering and spikelet number per plant and this, in turn, reduced the number of engorged pollen grains per anther, leading into increased spikelet sterility under low temperature condition.

Low temperature induced spikelet sterility in rice. II. Effects of panicle and root temperatures

Low temperatures impose restrictions on rice (Oryza sativa L.) production at high latitudes. This study is related to low temperature damage that can arise mid-season during the panicle development phase. The objective of this study was to determine whether low temperature experienced by the root, panicle, or foliage is responsible for increased spikelet sterility. In temperature-controlled glasshouse experiments, water depth, and water and air temperatures, were changed independently to investigate the effects of low temperature in the root, panicle, and foliage during microspore development on spikelet sterility. The total number of pollen and number of engorged pollen grains per anther, and the number of intercepted and germinated pollen grains per stigma, were measured. Spikelet sterility was then analysed in relation to the total number of pollen grains per spikelet and the efficiency with which these pollen grains became engorged, were intercepted by the stigma, germinated, and were involved in fertilisation. There was a significant combined effect of average minimum panicle and root temperatures on spikelet sterility that accounted for 86% of the variation in spikelet sterility. Total number of pollen grains per anther was reduced by low panicle temperature, but not by low root temperature. Whereas engorgement efficiency ( the percentage of pollen grains that were engorged) was determined by both root and panicle temperature, germination efficiency (the percentage of germinated pollen grains relative to the number of engorged pollen grains intercepted by the stigma) was determined only by root temperature. Interception efficiency (i.e. percentage of engorged pollen grains intercepted by the stigma), however, was not affected by either root or panicle temperature. Engorgement efficiency was the dominant factor explaining the variation in spikelet sterility. It is concluded that both panicle and root temperature affect spikelet sterility in rice when the plant encounters low temperatures during the microspore development stage.

Gravitational waves : a 100-year tool applied to the dark energy problem

Recent observations from type Ia Supernovae and from cosmic microwave background (CMB) anisotropies have revealed that most of the matter of the Universe interacts in a repulsive manner, composing the so-called dark energy constituent of the Universe. Determining the properties of dark energy is one of the most important tasks of modern cosmology and this is the main motivation for this work. The analysis of cosmic gravitational waves (GW) represents, besides the CMB temperature and polarization anisotropies, an additional approach in the determination of parameters that may constrain the dark energy models and their consistence. In recent work, a generalized Chaplygin gas model was considered in a flat universe and the corresponding spectrum of gravitational waves was obtained. In the present work we have added a massless gas component to that model and the new spectrum has been compared to the previous one. The Chaplygin gas is also used to simulate a L-CDM model by means of a particular combination of parameters so that the Chaplygin gas and the L-CDM models can be easily distinguished in the theoretical scenarios here established. We find that the models are strongly degenerated in the range of frequencies studied. This degeneracy is in part expected since the models must converge to each other when some particular combinations of parameters are considered.

Análise espacial do padrão de introdução e disseminação da dengue nos municípios do Espírito Santo

O número de municípios infestados pelo Aedes aegypti no Estado do Espírito Santo vem aumentando gradativamente, levando a altas taxas de incidência de dengue ao longo dos anos. Apesar das tentativas de combate à doença, esta se tornou uma das maiores preocupações na saúde pública do Estado. Este estudo se propõe a descrever a dinâmica da expansão da doença no Estado a partir da associação entre variáveis ambientais e populacionais, utilizando dados operacionalizados por meio de técnicas de geoprocessamento. O estudo utilizou como fonte de dados a infestação pelo mosquito vetor e o coeficiente de incidência da doença, as distâncias rodoviárias intermunicipais do Estado, a altitude dos municípios e as variáveis geoclimáticas (temperatura e suficiência de água), incorporadas a uma ferramenta operacional, as Unidades Naturais do Espírito Santo (UNES), representadas em um único mapa operacionalizado em Sistema de Informação Geográfica (SIG), obtido a partir do Sistema Integrado de Bases Georreferenciadas do Estado do Espírito Santo. Para análise dos dados, foi realizada a Regressão de Poisson para os dados de incidência de dengue e Regressão Logística para os de infestação pelo vetor. Em seguida, os dados de infestação pelo mosquito e incidência de dengue foram georreferenciados, utilizando como ferramenta operacional o SIG ArcGIS versão 9.2. Observou-se que a pluviosidade é um fator que contribui para o surgimento de mosquito em áreas não infestadas. Altas temperaturas contribuem para um alto coeficiente de incidência de dengue nos municípios capixabas. A variável distância em relação a municípios populosos é um fator de proteção para a incidência da doença. A grande variabilidade encontrada nos dados, que não é explicada pelas variáveis utilizadas no modelo para incidência da doença, reforça a premissa de que a dengue é condicionada pela interação dinâmica entre muitas variáveis que o estudo não abordou. A espacialização dos dados de infestação pelo mosquito e incidência de dengue e as Zonas Naturais do ES permitiu a visualização da influência das variáveis estatisticamente significantes nos modelos utilizados no padrão da introdução e disseminação da doença no Estado.

Estudo da camada limite atmosférica em regiões metropolitanas costeiras com simulações de brisa marítima

O principal objetivo deste trabalho foi identificar e caracterizar a evolução diária da Camada Limite Atmosférica (CLA) na Região da Grande Vitória (RGV), Estado do Espírito Santo, Brasil e na Região de Dunkerque (RD), Departamento Nord Pas-de-Calais, França, avaliando a acurácia de parametrizações usadas no modelo meteorológico Weather Research and Forecasting (WRF) em detectar a formação e atributos da Camada Limite Interna (CLI) que é formada pelas brisas marítimas. A RGV tem relevo complexo, em uma região costeira de topografia acidentada e uma cadeia de montanhas paralela à costa. A RD tem relevo simples, em uma região costeira com pequenas ondulações que não chegam a ultrapassar 150 metros, ao longo do domínio de estudos. Para avaliar os resultados dos prognósticos feitos pelo modelo, foram utilizados os resultados de duas campanhas: uma realizada na cidade de Dunkerque, no norte da França, em Julho de 2009, utilizando um sistema light detection and ranging (LIDAR), um sonic detection and ranging (SODAR) e dados de uma estação meteorológica de superfície (EMS); outra realizada na cidade de Vitória – Espírito Santo, no mês de julho de 2012, também usando um LIDAR, um SODAR e dados de uma EMS. Foram realizadas simulações usando três esquemas de parametrizações para a CLA, dois de fechamento não local, Yonsei University (YSU) e Asymmetric Convective Model 2 (ACM2) e um de fechamento local, Mellor Yamada Janjic (MYJ) e dois esquemas de camada superficial do solo (CLS), Rapid Update Cycle (RUC) e Noah. Tanto para a RGV quanto para a RD, foram feitas simulações com as seis possíveis combinações das três parametrizações de CLA e as duas de CLS, para os períodos em que foram feitas as campanhas, usando quatro domínios aninhados, sendo os três maiores quadrados com dimensões laterais de 1863 km, 891 km e 297 km, grades de 27 km, 9 km e 3 km, respectivamente, e o domínio de estudo, com dimensões de 81 km na direção Norte-Sul e 63 km na Leste-Oeste, grade de 1 km, com 55 níveis verticais, até um máximo de, aproximadamente, 13.400 m, mais concentrados próximos ao solo. Os resultados deste trabalho mostraram que: a) dependendo da configuração adotada, o esforço computacional pode aumentar demasiadamente, sem que ocorra um grande aumento na acurácia dos resultados; b) para a RD, a simulação usando o conjunto de parametrizações MYJ para a CLA com a parametrização Noah produziu a melhor estimativa captando os fenômenos da CLI. As simulações usando as parametrizações ACM2 e YSU inferiram a entrada da brisa com atraso de até três horas; c) para a RGV, a simulação que usou as parametrizações YSU para a CLA em conjunto com a parametrização Noah para CLS foi a que conseguiu fazer melhores inferências sobre a CLI. Esses resultados sugerem a necessidade de avaliações prévias do esforço computacional necessário para determinadas configurações, e sobre a acurácia de conjuntos de parametrizações específicos para cada região pesquisada. As diferenças estão associadas com a capacidade das diferentes parametrizações em captar as informações superficiais provenientes das informações globais, essenciais para determinar a intensidade de mistura turbulenta vertical e temperatura superficial do solo, sugerindo que uma melhor representação do uso de solo é fundamental para melhorar as estimativas sobre a CLI e demais parâmetros usados por modelos de dispersão de poluentes atmosféricos.

Estudo do processo de secagem em leito de espuma de cenoura, tomate, beterraba e morango

Em geral, produtos agrícolas são produzidos em larga escala e essa produtividade cresce proporcionalmente ao seu consumo. Entretanto, outro fator também cresce de forma proporcional, as perdas pós-colheita, o que sugere a utilização de tecnologias para aumentar a utilização desses produtos mitigando o desperdício e aumentando sua a vida de prateleira. Além disso, oferecer o produto durante o período de entressafra. No presente trabalho, foi utilizado à tecnologia de secagem em leito de espuma aplicada a cenoura, beterraba, tomate e morango, produtos amplamente produzidos e consumidos no Brasil. Neste trabalho, os quatros produtos foram submetidos à secagem em leito de espuma em secador com ar circulado em temperaturas controladas de 40, 50, 60, 70 e 80 °C. A descrição da cinética de secagem foi realizada pelo ajuste de modelos matemáticos para cada temperatura do ar de secagem. Além disso, foi proposto um modelo matemático generalizado ajustado por regressão não linear. O modelo de Page obteve o melhor ajuste sobre os dados de secagem em todos os produtos testados, com um coeficiente de determinação (R²) superior a 98% em todas as temperaturas avaliadas. Além disso, foi possível modelar a influência da temperatura do ar sobre o parâmetro k do modelo de Page através da utilização de um modelo exponencial. O coeficiente de difusão efetiva aumentou com a elevação da temperatura, apresentando valores entre 10-8e 10-7 m².s-¹ para as temperaturas de processo. A relação entre o coeficiente de difusão efetiva e a temperatura de secagem pôde ser descrita pela equação de Arrhenius.

Cenários de mudanças climáticas para a América do Sul : impacto no zoneamento agroclimático da cana-de-açúcar

O Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC) através do seu Quarto Relatório de Avaliação das Mudanças Climáticas Globais (IPCC-AR4), publicado em 2007, atribui as emissões de gases de efeito estufa como a principal causa do aumento médio das temperaturas e alerta para uma elevação entre 1,8 ºC e 6,4 ºC até 2100, podendo modificar assim a aptidão climática para as culturas agrícolas em diversas regiões do planeta. Diante disso, existe a necessidade de substituição dos combustíveis fósseis por fontes renováveis e limpas de energia, como o etanol. A cana-de-açúcar apresenta-se, portanto, como uma cultura estratégica na produção do etanol. O presente trabalho teve como objetivos: 1) avaliar o desempenho dos Modelos Climáticos Globais (MCGs) do IPCC-AR4 na simulação de dados climáticos de temperatura do ar e precipitação pluviométrica para o período anual e mensal; 2) elaborar o zoneamento agroclimático da cana-de-açúcar para a América do Sul considerando o clima referência e o futuro para as décadas de 2020, 2050 e 2080 em função do cenário de emissão A1B considerado pessimista e que usa um equilíbrio entre todas as fontes de energia. Para a avaliação do desempenho dos MCGs, foram utilizados dados climáticos médios mensais observados de precipitação e temperatura do ar provenientes do Climatic Research Unit (CRU) e dados simulados oriundos dos 22 MCGs do IPCC (cenário 20c3m) compreendidos entre o período de 1961-1990, além do Multimodel (ensemble) – MM que é a média da combinação dos dados de todos os modelos. O desempenho dos MCGs foi avaliado pelos índices estatísticos: desvio padrão, correlação, raiz quadrada da média do quadrado das diferenças centralizadas e o “bias” dos dados simulados com os observados, que foram representados no diagrama de Taylor. Para a etapa da elaboração do zoneamento agroclimático procedeu-se o cálculo dos balanços hídricos (referência e futuros) da cultura, pelo método de Thornthwaite & Mather (1955). Para o cenário referência, utilizaram-se dados das médias mensais da precipitação e temperatura provenientes do CRU, enquanto que para as projeções futuras, dados provenientes das anomalias do Multimodel (ensemble) – MM para as décadas de 2020, 2050 e 2080, que foram ajustados, obtendo-se assim as projeções futuras para cada período analisado. Baseado nos mapas temáticos reclassificados de deficiência hídrica anual, temperatura média anual, excedente hídrico anual e no índice de satisfação das necessidades de água (ISNA), realizou-se uma sobreposição dessas informações obtendo assim, os mapas finais do zoneamento agroclimático da cana-de-açúcar. Posteriormente ao zoneamento, realizou-se a análise das transições (ganhos, perdas e persistências) entre as classes de aptidão climática da cultura. Os resultados mostram que o Multimodel (ensemble) – MM para o período mensal apresenta o melhor desempenho entre os modelos analisados. As áreas inaptas correspondem a maior parte da América do Sul e uma expressiva transição entre as classes de aptidão climática da cultura.

Estudo da cristalização de parafinas por espectroscopia de RMN em temperaturas variáveis

A cristalização e formação de depósitos parafínicos é um problema operacional crítico na indústria do petróleo em todo o mundo e provoca grandes perdas econômicas na recuperação do óleo. São muitos os estudos que têm sido realizados para desenvolver modelos termodinâmicos de predição da precipitação de parafinas, sendo que boa parte deles utilizam a ressonância magnética nuclear (RMN) em alto ou baixo campo magnético juntamente com outras técnicas como calorimetria exploratória diferencial (DSC), análise elementar e cromatografia gasosa para caracterizar a fase sólida formada a partir do petróleo. Este trabalho busca um maior entendimento da cristalização de ceras parafínicas por meio de experimentos de espectroscopia de RMN de 1H e 13C conduzidos em temperaturas variáveis, o que pode auxiliar na previsão e remediação dos problemas causados pela sua deposição nas linhas de escoamento da produção. Para isso, o estudo desse fenômeno foi conduzido inicialmente em amostras de parafina comercial e, posteriormente, em uma amostra de petróleo parafínico com variação de temperatura sem extrair a fase sólida, garantindo a não interferência de solventes que podem influenciar no processo de cristalização. A metodologia desenvolvida demonstrou ser útil para determinar a temperatura inicial de aparecimento de cristais (TIAC), sendo obtida uma boa concordância com os resultados de DSC para a parafina comercial e petróleo. O registro de espectros em diferentes temperaturas permitiu também a identificação das variações de intensidade e largura de linha dos sinais associados aos diferentes grupos químicos presentes nos materiais estudados.