The routes of the Mediterranean Sea circulation

The Mediterranean Sea is a semi-enclosed basin connected to the Atlantic Ocean through the narrow and shallow Strait of Gibraltar and further subdivided in two different sub-basins, the Eastern Mediterranean and the Western Mediterranean, connected through the Stait of Sicily. On annual basis, a net heat budget of −7 W/m2, combined with exceeding evaporation over precipation and runoff together with wind stress, is responsible for the antiestuarine character of the zonal thermoaline circulation. The outflow at Gibraltar Strait is mainly composed of Levantine Intermediate Water (LIW) and deep water masses formed in the Western Mediterranean Sea. The aim of this thesis is to validate and quantitatively assess the main routes of water masses composing the ouflow at Gibraltar Strait, using for the first time in the Mediterranean Sea a lagrangian interpretation of the eulerian velocity field produced from an eddy-resolving reanalysis dataset, spanning from 2000 to 2012. A lagrangian model named Ariane is used to map out three-dimensional trajectories in order to describe the pathways of water mass transport from the Strait of Sicily, the Gulf of Lyon and the Northern Tyrrhenian Sea to the Gibraltar Strait. Numerical experiments were carried out by seeding millions of particles in the Strait of Gibraltar and following them backwards in time to track the origins of water masses and transport exchanged between the different sections of the Mediterranean. Finally, the main routes of the intermediate and deep water masses are reconstructed from virtual particles trajectories, which highlight the role of the Western Mediterranean Deep Water (WMDW) as the main contributor to the Gibraltar Strait outflow. For the first time, the quantitative description of the flow of water masses coming from the Eastern Mediterranean towards the Gibraltar Strait is provided and a new route that directly links the Northern Tyrrhenian Sea to Gibralatr Strait has been detected.

Analisi termodinamica di eventi meteorologici estremi nell'Artico

Il sistema terra è soggetto ad un aumento di temperatura causato in larga parte dall'intervento umano. Il riscaldamento nell'Artico avviene ad un velocità doppia rispetto a quella del resto del globo e induce lo scioglimento dei ghiacci polari oceanici e terrestri. Lo studio della variabilità meteorologica delle regioni polari e subpolari può aiutarci a comprendere il ruolo di eventi meteorologici estremi nel determinare forti variazioni di temperatura superficiale della calotta polare. Questo lavoro di tesi discute la fenomenologia degli eventi di blocco meteorologico, regime di circolazione anticiclonica persistente, nella troposfera delle alte latitudini ed il loro legame con estremi di temperatura superficiale nelle regioni artiche. Successivamente, una metodologia di analisi termodinamica per i suddetti è descritta ed applicata ad un caso studio descritto nella letteratura scientifica un blocco alle alte latitudini coincide con la propagazione di una perturbazione ciclonica dalle medie latitudini fino alla calotta artica. Questa particolare configurazione sinottica ha prodotto una variazione della temperatura della calotta artica di circa 7 K in 4 giorni. Sulla base dell’analisi termodinamica è possibile evidenziare una combinazione di processi fisici, diabatici e adiabatici, che concorrono nel determinare il repentino riscaldamento dell’Artico. L’applicazione di simili metodologie su ulteriori casi studio potrebbe contribuire alla definizione di un paradigma dinamico per il fenomeno delle ondate di calore artiche.

Characterization of ENSO changes under idealised radiative forcing in an intermediate complexity general circulation model

Intermediate-complexity general circulation models are a fundamental tool to investigate the role of internal and external variability within the general circulation of the atmosphere and ocean. The model used in this thesis is an intermediate complexity atmospheric general circulation model (SPEEDY) coupled to a state-of-the-art modelling framework for the ocean (NEMO). We assess to which extent the model allows a realistic simulation of the most prominent natural mode of variability at interannual time scales: El-Niño Southern Oscillation (ENSO). To a good approximation, the model represents the ENSO-induced Sea Surface Temperature (SST) pattern in the equatorial Pacific, despite a cold tongue-like bias. The model underestimates (overestimates) the typical ENSO spatial variability during the winter (summer) seasons. The mid-latitude response to ENSO reveals that the typical poleward stationary Rossby wave train is reasonably well represented. The spectral decomposition of ENSO features a spectrum that lacks periodicity at high frequencies and is overly periodic at interannual timescales. We then implemented an idealised transient mean state change in the SPEEDY model. A warmer climate is simulated by an alteration of the parametrized radiative fluxes that corresponds to doubled carbon dioxide absorptivity. Results indicate that the globally averaged surface air temperature increases of 0.76 K. Regionally, the induced signal on the SST field features a significant warming over the central-western Pacific and an El-Niño-like warming in the subtropics. In general, the model features a weakening of the tropical Walker circulation and a poleward expansion of the local Hadley cell. This response is also detected in a poleward rearrangement of the tropical convective rainfall pattern. The model setting that has been here implemented provides a valid theoretical support for future studies on climate sensitivity and forced modes of variability under mean state changes.

Caratterizzazione delle formazioni cicloniche associate a precipitazioni estreme sulla Sardegna

Gli eventi degli ultimi due decenni hanno mostrato come la Sardegna, in particolare il suo settore est, sia soggetta a frequenti eventi di precipitazione intensa che comportano perdita di vite umane e ingenti danni. Le alluvioni avvenute a Olbia nel 2013 o la più recente avvenuta a Bitti nel 2020 sono la dimostrazione dell’impatto che questi eventi possono avere sul territorio. Dal punto di vista della pratica previsionale di questi fenomeni intensi, è in uso presso ARPAS una classificazione dei cicloni avvenuti nel periodo compreso tra il 1957 e il 1999, che presentano configurazioni bariche simili e raggruppati in gruppi o “cluster”. Lo scopo di questo lavoro di tesi è estendere questa classificazione per il periodo 1951-1957 e 2000-2009, sulla base della configurazione sinottica in quota e al suolo in cui si sviluppano i cicloni appartenenti ai vari cluster. Tramite questa nuova classificazione, e utilizzando la temperatura superficiale media del mare, verrà analizzata la loro stagionalità e la loro durata temporale. Infine, sarà ricostruita la precipitazione legata ai diversi cluster suddividendo la precipitazione per i settori est e ovest dell’isola, per valutarne distribuzione e variabilità spaziale. I risultati mostrano come vi siano differenze tra i cicloni associati a ciascun cluster in base alle diverse configurazioni sinottiche. Un fattore importante è dato anche dalla stagione in cui i cicloni si verificano: emerge una frequenza maggiore nei mesi autunnali in cui le temperature medie mensili e l’anomalia di temperatura media risulta più alta. La distribuzione spaziale delle precipitazioni associate ai cluster conferma che le precipitazioni più intense e omogene interessano il settore est dell’isola. Poiché lo studio è basato interamente su una classificazione di tipo operativo in uso ad ARPAS, i suoi sviluppi riguardano soprattutto un maggior supporto e conoscenza previsionale degli eventi estremi sulla Sardegna.

Development of a relationship between physical parameters of tsunami waves and tsunami intensity based on macroscopic effects and its application to the Italian tsunami database

Tsunamis are rare events. However, their impact can be devastating and it may extend to large geographical areas. For low-probability high-impact events like tsunamis, it is crucial to implement all possible actions to mitigate the risk. The tsunami hazard assessment is the result of a scientific process that integrates traditional geological methods, numerical modelling and the analysis of tsunami sources and historical records. For this reason, analysing past events and understanding how they interacted with the land is the only way to inform tsunami source and propagation models, and quantitatively test forecast models like hazard analyses. The primary objective of this thesis is to establish an explicit relationship between the macroscopic intensity, derived from historical descriptions, and the quantitative physical parameters measuring tsunami waves. This is done first by defining an approximate estimation method based on a simplified 1D physical onshore propagation model to convert the available observations into one reference physical metric. Wave height at the coast was chosen as the reference due to its stability and independence of inland effects. This method was then implemented for a set of well-known past events to build a homogeneous dataset with both macroseismic intensity and wave height. By performing an orthogonal regression, a direct and invertible empirical relationship could be established between the two parameters, accounting for their relevant uncertainties. The target relationship is extensively tested and finally applied to the Italian Tsunami Effect Database (ITED), providing a homogeneous estimation of the wave height for all existing tsunami observations in Italy. This provides the opportunity for meaningful comparison for models and simulations, as well as quantitatively testing tsunami hazard models for the Italian coasts and informing tsunami risk management initiatives.

Validation of an intermediate-complexity flood risk model for climate change adaptation

In questo lavoro di tesi viene presentato e validato un modello di rischio di alluvione a complessità intermedia per scenari climatici futuri. Questo modello appartiene a quella categoria di strumenti che mirano a soddisfare le esigenze identificate dal World Climate Research Program (WRCP) per affrontare gli effetti del cambiamento climatico. L'obiettivo perseguito è quello di sviluppare, seguendo un approccio ``bottom-up" al rischio climatico regionale, strumenti che possano aiutare i decisori a realizzare l'adattamento ai cambiamenti climatici. Il modello qui presentato è interamente basato su dati open-source forniti dai servizi Copernicus. Il contributo di questo lavoro di tesi riguarda lo sviluppo di un modello, formulato da (Ruggieri et al.), per stimare i danni di eventi alluvionali fluviali per specifici i livelli di riscaldamento globale (GWL). Il modello è stato testato su tre bacini idrografici di medie dimensioni in Emilia-Romagna, Panaro, Reno e Secchia. In questo lavoro, il modello viene sottoposto a test di sensibilità rispetto a un'ipotesi enunciata nella formulazione del modello, poi vengono effettuate analisi relative all'ensemble multi-modello utilizzato per le proiezioni. Il modello viene quindi validato, confrontando i danni stimati nel clima attuale per i tre fiumi con i danni osservati e confrontando le portate simulate con quelle osservate. Infine, vengono stimati i danni associati agli eventi alluvionali in tre scenari climatici futuri caratterizzati da GWL di 1.5° C, 2.0° C e 3.0°C.

Impact of convective motions on pollutant dispersion in urban canyons: an analysis through RANS simulations

Since the majority of the population of the world lives in cities and that this number is expected to increase in the next years, one of the biggest challenges of the research is the determination of the risk deriving from high temperatures experienced in urban areas, together with improving responses to climate-related disasters, for example by introducing in the urban context vegetation or built infrastructures that can improve the air quality. In this work, we will investigate how different setups of the boundary and initial conditions set on an urban canyon generate different patterns of the dispersion of a pollutant. To do so we will exploit the low computational cost of Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) simulations to reproduce the dynamics of an infinite array of two-dimensional square urban canyons. A pollutant is released at the street level to mimic the presence of traffic. RANS simulations are run using the k-ɛ closure model and vertical profiles of significant variables of the urban canyon, namely the velocity, the turbulent kinetic energy, and the concentration, are represented. This is done using the open-source software OpenFOAM and modifying the standard solver simpleFoam to include the concentration equation and the temperature by introducing a buoyancy term in the governing equations. The results of the simulation are validated with experimental results and products of Large-Eddy Simulations (LES) from previous works showing that the simulation is able to reproduce all the quantities under examination with satisfactory accuracy. Moreover, this comparison shows that despite LES are known to be more accurate albeit more expensive, RANS simulations represent a reliable tool if a smaller computational cost is needed. Overall, this work exploits the low computational cost of RANS simulations to produce multiple scenarios useful to evaluate how the dispersion of a pollutant changes by a modification of key variables, such as the temperature.

Utilização de sistema de informação geográfica na avaliação do uso da terra em Botucatu (SP)

Foi utilizado o SIG-IDRISI, com o objetivo de verificar a adequação do uso da terra em 1997/98, na parte inicial da Bacia do Rio Pardo, Botucatu/Pardinho (SP), visando à obtenção de subsídios para o planejamento adequado do uso da área. As classes e subclasses de capacidade de uso foram determinadas de acordo com o Sistema de Classificação da Capacidade de Uso das Terras. As terras da área estudada foram discriminadas como: classe VIe, terras susceptíveis à erosão (90,49%); classe Va, terras planas, não-sujeitas à erosão, limitadas por excesso de água (3,48%); classe IVe, terras severamente limitadas por risco de erosão (0,50%); classe IIIa, terras planas com excesso de água (3,34%); classe IIIe, terras com declividade moderada e deflúvio rápido, riscos severos de erosão (1,32%); e classe IIe, terras produtivas, com risco ligeiro a moderado de erosão (0,87%). Pela análise conjunta da capacidade de uso e do uso atual das terras, verificou-se que 89,28% das áreas não apresentaram conflito de utilização; 2,24% estavam cultivadas com culturas anuais e perenes, adequação para tal uso, e 8,48% da área com pastagens deveria ser substituída por reflorestamento e, ou, preservação ambiental.

Análise do uso da terra na microbacia do Arroio do Meio - Santa Maria - RS, por Sistema de Informações Geográficas e imagem de satélite

O objetivo desse trabalho foi verificar a viabilidade do uso de um Sistema de Informações Geográficas (SIG) e a imagem de satélite para a análise do uso atual da terra e localização de áreas onde possam estar ocorrendo conflitos entre capacidade e uso do solo, na microbacia hidrográfica do Arroio do Meio. Foram utilizadas técnicas de geoprocessamento, como álgebra entre mapas, consulta ao banco de dados e reclassificação de imagens. Uma microbacia foi escolhida como objeto deste estudo, por ser considerada por muitos autores como sendo uma das melhores unidades para o planejamento e desenvolvimento sócioeconômico dos habitantes do meio rural. Na microbacia estudada, foram encontrados 555ha cobertos com florestas, compreendendo 24% da área total. As lavouras com área de 1.314ha ocupam a maior parte da microbacia (56%). Os campos de pastagens cobrem 184ha, ou seja, 8% da área total. As áreas alagadas representam 11% da área da microbacia, tendo respectivamente 265ha. Foram detectados ainda, 31ha sombreados (1%) onde não se determinou com exatidão o uso da terra. Nas áreas com declividade superior a 47%, foram detectados 32ha sem cobertura de florestas, perfazendo 1,4% da área da microbacia. em declives superiores a 30%, existem 71ha (3%) sendo usados para a agricultura. A área ocupada com Chernossolos e Neossolos Litólicos, unidade de mapeamento Ciríaco-Charrua em declividade maior que 30% sem cobertura florestal é de 14ha (0,6%). de acordo com a declividade e o solo, as áreas de conflito alcançam 5% da área total, o que demonstra que, na maior parte da microbacia, a terra está sendo usada de acordo com sua capacidade.

Efeitos da dopagem nas propriedades elétricas do sistema supercondutor BSCCO com elemento terra rara

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Utilização de sistema de informação geográfica na avaliação do uso da terra em Botucatu (SP)

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Sistema Nacional de Inovação em Saúde: relações entre áreas da ciência e setores econômicos

Ciência e tecnologia em saúde constitui-se atualmente objeto de diferentes iniciativas governamentais e acadêmicas. Sua consolidação reclama a identificação de um Sistema Nacional de Inovação em Saúde cuja caracterização depende ainda de um reconhecimento dos setores de atividade econômica envolvidos. Nesse sentido, realizou-se estudo com objetivo de caracterizar as relações entre áreas do conhecimento cientifico e setores de atividade econômica como forma de oferecer um retrato desse Sistema. Foram analisados os registros da versão 4.1 do Diretório dos Grupos de Pesquisa no Brasil, tendo sido selecionados todos os grupos que registrassem saúde quer como área do conhecimento ou como setor de atividade. As informações sobre área e setor foram transformadas em variáveis de resposta múltipla e analisadas numa tabela de contingência mediante análise de resíduos, análise de correspondência e análise de cluster. A análise dos dados obtidos mostrou que o Sistema Nacional de Inovação em Saúde caracteriza-se como um sistema setorial onde a competitividade tem conteúdo social maior do que econômico, o que sugere receptividade para políticas públicas assim orientadas, bem como uma desejável identidade com valores com o Sistema Único de Saúde.

Sistema de informação sobre os limites marítimos do mundo

Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Ciência e Sistemas de Informação Geográfica

SIGESTÃO: Módulo SIG integrado no sistema de informação de gestão agro-pecuário AGRO.GESTAO ®

Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Ciência e Sistemas de Informação Geográfica