Avaliação das previsões do atraso zenital troposférico para a América do Sul, obtidas usando modelo de previsão numérica de tempo com alta resolução espacial

A Center for Weather Forecast and Climatic Studies of National Institute for Space Research (CPTEC/INPE) has provided to the Brazilian Geodetic community, since 2004, an alternative to correct the GNSS observables from the tropospheric refraction. Numerical Weather Prediction (NWP) Model is used to generate Zenital Tropospheric Delay (ZTD). For the version 1, it was developed a model with horizontal resolution of 100 km, which was updated with Eta model, with resolution of 20 km. This paper provides the most significative details of the current version, as well an evaluation of its quality, using for such ZTD estimates from GPS data collect at RBMC. Comparing to the old version, considerable improvement could be observed from the new model, mainly in Brasilia and Curitiba, reaching up to 55% improvement. When all stations were used in the quality control, almost null bias and RMS of about 4 to 5 cm could be observed.

AVALIAÇÃO ROBUSTA DA MODELAGEM NEUTROSFÉRICA SOBRE O TERRITÓRIO BRASILEIRO BASEADA EM MODELOS DE PREVISÃO NUMÉRICA DE TEMPO DA AMÉRICA DO SUL

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

Weather forecasting for Eastern Amazon with OLAM model

O modelo OLAM tem como característica a vantagem de representar simultaneamente os fenômenos meteorológicos de escala global e regional através de um esquema de refinamento de grades. Durante o projeto REMAM, o modelo foi aplicado para alguns estudos de caso com objetivo de avaliar o desempenho do modelo na previsão numérica de tempo para a região leste da Amazônia. Estudos de caso foram feitos para os doze meses do ano de 2009. Os resultados do modelo para estes casos foram comparados com dados observados na região de estudo. A análise dos dados de precipitação mostrou que o modelo consegue representar a distribuição média da precipitação acumulada e os aspectos da sazonalidade da ocorrência dos eventos, mas não consegue prever individualmente a acumulação de precipitação local. No entanto, avaliação individual de alguns casos mostrou que o modelo OLAM conseguiu representar dinamicamente e prever, com alguns dias de antecedência, o desenvolvimento de fenômenos meteorológicos costeiros como as linhas de instabilidade, que são um dos mais importantes sistemas precipitantes da Amazônia.

Filtragem adaptativa aplicada à redução de desvios em séries temporais de previsão numérica climática.

Esta dissertação apresenta resultados da aplicação de filtros adaptativos, utilizando os algoritmos NLMS (Normalized Least Mean Square) e RLS (Recursive Least Square), para a redução de desvios em previsões climáticas. As discrepâncias existentes entre o estado real da atmosfera e o previsto por um modelo numérico tendem a aumentar ao longo do período de integração. O modelo atmosférico Eta é utilizado operacionalmente para previsão numérica no CPTEC/INPE e como outros modelos atmosféricos, apresenta imprecisão nas previsões climáticas. Existem pesquisas que visam introduzir melhorias no modelo atmosférico Eta e outras que avaliam as previsões e identificam os erros do modelo para que seus produtos sejam utilizados de forma adequada. Dessa forma, neste trabalho pretende-se filtrar os dados provenientes do modelo Eta e ajustá-los, de modo a minimizar os erros entre os resultados fornecidos pelo modelo Eta e as reanálises do NCEP. Assim, empregamos técnicas de processamento digital de sinais e imagens com o intuito de reduzir os erros das previsões climáticas do modelo Eta. Os filtros adaptativos nesta dissertação ajustarão as séries ao longo do tempo de previsão. Para treinar os filtros foram utilizadas técnicas de agrupamento de regiões, como por exemplo o algoritmo de clusterização k-means, de modo a selecionar séries climáticas que apresentem comportamentos semelhantes entre si. As variáveis climáticas estudadas são o vento meridional e a altura geopotencial na região coberta pelo modelo de previsão atmosférica Eta com resolução de 40 km, a um nível de pressão de 250 hPa. Por fim, os resultados obtidos mostram que o filtro com 4 coeficientes, adaptado pelo algoritmo RLS em conjunto com o critério de seleção de regiões por meio do algoritmo k-means apresenta o melhor desempenho ao reduzir o erro médio e a dispersão do erro, tanto para a variável vento meridional quanto para a variável altura geopotencial.

Um sistema de previsão de tempo e de ondas oceânicas para o Atlântico Sul

Um sistema de previsão numérica de tempo e de ondas oceânicas (SPTO) que possa ser operacionalizado no Atlântico Sul é proposto. O SPTO é composto por um modelo atmosférico de área limitada (MAL) e um modelo de ondas de superfície do oceano geradas pelo vento, aplicado em duas versões: uma de malha grossa (MPOMG) e outra de malha fina (MPOMF). O MPOMG abrange uma área de 10(6) km², e tem como finalidade gerar e propagar ondas em regiões remotas à costa brasileira. O MPOMF é aplicado em um domínio 10(4) km² com alta resolução, incorporando irregularidades batimétricas e com as condições iniciais e de fronteiras fomecidas pelo MPOMG. Os modelos utilizam dados de vento à 10 m acima da superfície do oceano. Os arquivos de vento, contendo a evolução espacial e temporais são gerados pelo MAL. Um exemplo de um evento real ocorrido no período de 9 a 11 de agosto de 1988 é apresentado utilizando o acoplamento proposto.

Estimativas do IWV utilizando receptores GPS em bases terrestres no Brasil: sinergia entre a geodésia e a meteorologia

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Assimilação do IWV-GPS no Brasil: otimização das estimativas do atraso zenital troposférico em tempo real

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

Modelagem neutrosférica sobre a América do Sul baseada em PNT e assimilação de dados locais e robusta avaliação utilizando observações GNSS

Pós-graduação em Ciências Cartográficas - FCT

Modelo OLAM (ocean-land-atmosphere-model): descrição, aplicações, e perspectivas

O modelo OLAM foi desenvolvido com objetivo de estender a capacidade de representar os fenômenos de escala global e regional simultaneamente. Este modelo apresenta inovações quanto aos processos dinâmicos, configuração de grade, estrutura de memória e técnicas de solução numérica das equações prognósticas. As equações de Navier-Stokes são resolvidas através da técnica de volumes finitos que conservam massa, momento e energia. No presente trabalho, apresenta-se uma descrição sucinta do OLAM e alguns resultados de sua aplicação em simulações climáticas da precipitação mensal para a região norte da América do Sul, bem como em rodadas para previsão numérica de tempo regional. Os resultados mostram que o modelo consegue representar bem os aspectos meteorológicos de grande escala. Em geral, seu desempenho melhora quando são adotadas grades de maior resolução espacial, nas quais se verificam melhorias significativas tanto na estimativa da precipitação mensal regional, quanto na previsão numérica de tempo.

Recuperação de perfis atmosféricos a partir de ocultação GPS: fundamentos, implementação e análise de resultados

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Posicionamento GPS utilizando o conceito de estação virtual

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

Análise de modelos troposféricos no posicionamento baseado em redes usando o conceito de VRS

In the past few years several GPS (Global Position System) positioning techniques have been develope and/or improved with the goal of obtaining high accuracy and productivity in real time. The reference station network concept besides to enabling quality and reliability in positioning for scientific and civil GPS community, allows studies concerning tropospheric refraction modeling in the network region. Moreover, among the network corrections transmission methods available to users, there is the VRS (Virtual Reference Station) concept. In this method, the data of a virtual station are generated near the rover receiver (user). This provides a short baseline and the user has the possibility of using a single frequency receiver to accomplish the relative positioning. In this paper, the methodology applied to generate VRS data, using different tropospheric models is described. Thus, comparative tests were conducted in the four seasons with the NWP/INPE (Numerical Weather Prediction/National Institute for Space Research) and Hopfield tropospheric models. In order to analyse the VRS data quality, it was used the Precise Point Positioning (PPP) method, where satisfactory results were found. Mean differences between PNT/INPE and Hopfield models of 9.75% and 24.2% for the hydrostatic and wet days, respectively were obtained.

Computação de alto desempenho aplicada a modelagem numérica de fenômenos atmosféricos

A constante evolução da tecnologia disponibilizou, atualmente, ferramentas computacionais que eram apenas expectativas há 10 anos atrás. O aumento do potencial computacional aplicado a modelos numéricos que simulam a atmosfera permitiu ampliar o estudo de fenômenos atmosféricos, através do uso de ferramentas de computação de alto desempenho. O trabalho propôs o desenvolvimento de algoritmos com base em arquiteturas SIMT e aplicação de técnicas de paralelismo com uso da ferramenta OpenACC para processamento de dados de previsão numérica do modelo Weather Research and Forecast. Esta proposta tem forte conotação interdisciplinar, buscando a interação entre as áreas de modelagem atmosférica e computação científica. Foram testadas a influência da computação do cálculo de microfísica de nuvens na degradação temporal do modelo. Como a entrada de dados para execução na GPU não era suficientemente grande, o tempo necessário para transferir dados da CPU para a GPU foi maior do que a execução da computação na CPU. Outro fator determinante foi a adição de código CUDA dentro de um contexto MPI, causando assim condições de disputa de recursos entre os processadores, mais uma vez degradando o tempo de execução. A proposta do uso de diretivas para aplicar computação de alto desempenho em uma estrutura CUDA parece muito promissora, mas ainda precisa ser utilizada com muita cautela a fim de produzir bons resultados. A construção de um híbrido MPI + CUDA foi testada, mas os resultados não foram conclusivos.

Tempo atmosférico numa perspetiva CTS através do ensino por pesquisa

O ser Humano, desde sempre tem tentado estabelecer relações entre si, o tempo e o clima, de modo a melhorar as suas condições de vida. Atualmente existem questões problema que ameaçam a humanidade, nomeadamente as alterações climáticas e o aquecimento global com vista à promoção de um Desenvolvimento Sustentável. À educação é atribuída extrema importância no desenvolvimento de uma adequada perceção da situação do planeta. Este facto levou as Nações Unidas a proclamarem, no início deste século (dezembro de 2002), a Década da Educação para o Desenvolvimento Sustentável. Um desafio internacional lançado aos países para que recorram à educação como ferramenta essencial na promoção do Desenvolvimento Sustentável. A vida nas sociedades contemporâneas é extremamente influenciada pelos desenvolvimentos científicos e tecnológicos, dependendo dos seus respetivos progressos. Como tal, a Educação Científica assume um papel fundamental na compreensão das problemáticas que o ser Humano enfrenta, assim como na sua própria consciencialização da responsabilidade na situação planetária atual. Devendo promover o desenvolvimento de cidadanias proactivas, fundamentadas e responsáveis, no sentido da mudança, numa perspetiva crítica global que garanta a sustentabilidade do planeta. Estes factos são alvo de reflexão por parte de diversas instâncias da sociedade tais como a UNESCO, comunidades nacionais e internacionais de investigação em Educação Científica, e o poder político que se espelham em propostas de reforma e de revisão curricular em diversos países. Neste contexto, a Escola, como instituição formal de Educação, toma o papel primordial de promover o Desenvolvimento Sustentável através da aquisição de conhecimentos, atitudes, valores e competências que permitam desenvolver nos alunos uma consciencialização ecológica e uma literacia científica. Com este propósito em mente surge a questão investigativa deste estudo “Como Abordar o Tempo Atmosférico numa Perspetiva CTS Através do Ensino Por Pesquisa?”. Assim, usando o laboratório mais acessível e gratuito, a Atmosfera, e recursos facilmente acessíveis para desenvolver atividades simples é apresentada uma proposta de abordagem em sala de aula para a temática “Tempo Atmosférico” em particular a “Previsão e Descrição do Tempo Atmosférico”. A Atmosfera é um fascinante laboratório de ensino, porque nela se podem estudar alguns processos físicos lecionados ao longo dos mais variados níveis de ensino nas disciplinas de Física, Química e Geografia. Na Atmosfera, podem realizar-se diversos estudos simples, que de uma forma fácil respondem a inquietantes questões relacionadas com a Previsão e Descrição do Tempo Atmosférico. Neste estudo foi desenvolvida e usada uma metodologia para construir e interpretar mapas de tempo permitindo a alunos do 3º Ciclo do Ensino Básico fazer a Previsão e Descrição do Tempo Atmosférico. Após a aplicação da estratégia para o desenvolvimento de capacidades, de criatividade, envolvimento, cidadania e de pensamento crítico, os alunos responderam a um questionário. Através do tratamento dos dados obtidos pode-se considerar que em média 97% dos alunos consideram importante ou muito importante o estudo desta temática e que tem influência no seu dia-a-dia. Verificou-se que em média, se passou de 26% de respostas cientificamente corretas ou parcialmente corretas para 83% de respostas cientificamente corretas ou parcialmente corretas, o que demostra que a estratégia proposta atingiu os seus propósitos que passavam por dinamizar e fomentar uma cultura meteorológica nas escolas e para as escolas. Salienta-se a importância da possibilidade do trabalho em rede e das suas potencialidades na motivação dos alunos dada a oportunidade de fazer diagnóstico do tempo atmosférico local e inter-regiões. Os alunos consultaram e interpretaram mapas de tempo atmosférico, usaram a Internet e compreendam a relação e a influência entre diferentes parâmetros meteorológicos. Os resultados obtidos neste estudo permitem afirmar que os alunos desenvolveram competências numa área que é uma preocupação de cada um, o diagnóstico do tempo atmosférico. Cresceu neles uma cultura meteorológica e as aprendizagens nesta temática podem transbordar para colegas, amigos, pais e toda a comunidade escolar. Assim pode considerar-se que a estratégia implementada foi promotora de mudança, de aquisição de conhecimentos e do desenvolvimento de competências numa temática tão aliciante que envolve o Desenvolvimento Sustentável. Considera-se ainda que a estratégia usada neste estudo é motivadora, aliada à dinâmica CTS e ao Ensino Por Pesquisa, com vista a ser utilizada em contexto de sala de aula. Este estudo é uma forte contribuição para o Ensino das Ciências em especial no ensino da temática Tempo Atmosférico e é uma ferramenta importante que pode e deve ser utilizada em contexto escolar pois está escrito de modo a ser consultado por profissionais de ensino, nomeadamente pelos professores de Física, Química e de Geografia de modo a promoverem o desenvolvimento de competências de literacia científica e de cidadania e contribuir para a formação de futuros cidadãos ativos e conscientes defensores da Sustentabilidade da Terra.

Wind energy resource modelling in Portugal and its future large-scale alteration due to anthropogenic induced climate changes

The high dependence of Portugal from foreign energy sources (mainly fossil fuels), together with the international commitments assumed by Portugal and the national strategy in terms of energy policy, as well as resources sustainability and climate change issues, inevitably force Portugal to invest in its energetic self-sufficiency. The 20/20/20 Strategy defined by the European Union defines that in 2020 60% of the total electricity consumption must come from renewable energy sources. Wind energy is currently a major source of electricity generation in Portugal, producing about 23% of the national total electricity consumption in 2013. The National Energy Strategy 2020 (ENE2020), which aims to ensure the national compliance of the European Strategy 20/20/20, states that about half of this 60% target will be provided by wind energy. This work aims to implement and optimise a numerical weather prediction model in the simulation and modelling of the wind energy resource in Portugal, both in offshore and onshore areas. The numerical model optimisation consisted in the determination of which initial and boundary conditions and planetary boundary layer physical parameterizations options provide wind power flux (or energy density), wind speed and direction simulations closest to in situ measured wind data. Specifically for offshore areas, it is also intended to evaluate if the numerical model, once optimised, is able to produce power flux, wind speed and direction simulations more consistent with in situ measured data than wind measurements collected by satellites. This work also aims to study and analyse possible impacts that anthropogenic climate changes may have on the future wind energetic resource in Europe. The results show that the ECMWF reanalysis ERA-Interim are those that, among all the forcing databases currently available to drive numerical weather prediction models, allow wind power flux, wind speed and direction simulations more consistent with in situ wind measurements. It was also found that the Pleim-Xiu and ACM2 planetary boundary layer parameterizations are the ones that showed the best performance in terms of wind power flux, wind speed and direction simulations. This model optimisation allowed a significant reduction of the wind power flux, wind speed and direction simulations errors and, specifically for offshore areas, wind power flux, wind speed and direction simulations more consistent with in situ wind measurements than data obtained from satellites, which is a very valuable and interesting achievement. This work also revealed that future anthropogenic climate changes can negatively impact future European wind energy resource, due to tendencies towards a reduction in future wind speeds especially by the end of the current century and under stronger radiative forcing conditions.