ABSTRACT This study simulates an unusual extreme rainfall event that occurred in Salvador city, Bahia, Brazil, on December 9, 2017, which was named subtropical storm Guará and had precipitation of approximately 24 mm within less than 1 h. Numerical simulations were conducted using the Weather Research and Forecasting (WRF) model over three domains with horizontal resolutions of 9, 3, and 1 km. Different combinations of seven microphysics, three cumulus, and three planetary boundary layer schemes were evaluated based on their ability to simulate the hourly precipitation during this rainfall event. Statistical indices (MB = -0.69; RMSE = 4.11; MAGE = 1.74; r = 0.55; IOA = 0.66; FAC2 = 0.58) and time series plots showed that the most suitable configurations for this weather event were the Mellor-Yamada-Janjić, Grell-Freitas, and Lin formulations for the planetary boundary layer, cumulus, and microphysics schemes, respectively. The results were compared with the data measured at meteorological stations located in Salvador city. The WRF model simulated well the arrival and occurrence of this extreme weather event in a tropical and coastal region, considering that the region already has intense convective characteristics and is constantly influenced by sea breezes, which could interfere in the model results and compromise the performance of the simulations.

RESUMEN El presente estudio simula un evento inusual de lluvia extrema ocurrido en la ciudad de Salvador, Bahía, Brasil, el 9 de diciembre de 2017, que se denominó tormenta subtropical Guará y tuvo una precipitación de aproximadamente 24 mm en menos de 1 h. Se realizaron simulaciones numéricas utilizando el modelo Weather Research and Forecasting (WRF) en tres dominios con resoluciones horizontales de 9, 3 y 1 km. Se evaluaron diferentes combinaciones de siete esquemas de microfísica, tres cumulus y tres capas límites planetarias en función de su capacidad para simular la precipitación horaria durante este evento de lluvia. Los índices estadísticos (MB = -0.69; RMSE = 4.11; MAGE = 1.74; r = 0.55; IOA = 0.66, y FAC2 = 0.58) y los gráficos de series temporales mostraron que las configuraciones más adecuadas para este evento meteorológico fueron las de Mellor-Yamada-Janjić, Grell-Freitas y Lin para los esquemas de capa límite planetaria, cumulus y microfísica, respectivamente. Los resultados se compararon con los datos medidos en las estaciones meteorológicas ubicadas en la ciudad de Salvador. El modelo WRF simuló bien la llegada y ocurrencia de este evento climático extremo en una región tropical y costera, considerando que la región ya tiene características convectivas intensas y está constantemente influenciada por brisas marinas, las cuales podrían interferir con los resultados del modelo y comprometer el desempeño de las simulaciones.

As ondas eletromagnéticas estão presentes em nosso cotidiano, sendo úteis em diversas áreas, tais como as teorias da medicina, geofísica, geologia, física, dentre outras. Na geofísica, por exemplo, aparecem com muita frequência nos métodos eletromagnéticos, onde são utilizados campos magnéticos, potenciais elétricos e ondas eletromagnéticas. As ondas eletromagnéticas surgem das equações de Maxwell, que são equações lineares no vácuo ou no interior dos átomos e dos núcleos e, considerando-se estes casos, dão origem a equações diferenciais também lineares. No entanto, as equações deduzidas são sempre resolvidas utilizando-se métodos clássicos de soluções de equações diferenciais de ordem inteira. Portanto, o objetivo deste trabalho é analisar a propagação de uma onda eletromagnética no vácuo, para uma equação de odem inteira e fracionária, resolvendo-as através do método modificado da decomposição por Laplace (MMDL). A nova solução proposta permite uma variação do valor do parâmetro fracionário, resgatando as soluções das equações das ondas eletromagnéticas que se propagam em meios materiais, possibilitando analisar os diversos tipos de amortecimento para os mais variados meios.

Electromagnetic waves are present in our daily lives, being useful in several areas. These can be seen permeating the theories of medicine, geophysics, geology, physics, among others. In geophysics, for example, they appear very frequently in electromagnetic methods, where magnetic fields, electric potentials and electromagnetic waves are used. Electromagnetic waves arise from Maxwell’s equations, which are linear equations in a vacuum or inside atoms and nuclei and, considering these cases, give rise to differential linear equations. However, the deduced equations are always solved using classical methods of solving whole order differential equations. Therefore, the objective of this work is to analyze the propagation of an electromagnetic wave in a vacuum, for an integer and fractional order equation, solving them through the modified method of Laplace decomposition (MMDL). The new proposed solution allows a variation of the fractional parameter value, rescuing the solutions of the equations of the electromagnetic waves that propagate in material media, making it possible to analyze the different types of damping for the most varied media.

Resumo A poluição atmosférica proveniente das atividades antropogênicas tem provocado incômodo à população da Região Metropolitana da Grande Vitória (RGV), Espirito Santo, Brasil. Muitos pacientes como asmáticos, alérgicos, químico sensíveis, cardiacos, pessoas com acidente vascular cerebral (AVC), diabetes, grávidas, idosos e crianças são especialmente suscetíveis a uma pobre qualidade do ar. As complexas interações dos poluentes atmosféricos podem ser entendidas usando modelos de transporte químico, os quais necessitam de inventários de emissões para prover a alocação espacial e temporal das emissões. Na RGV, o Instituto Estadual do Meio Ambiente (IEMA) disponibilizou o inventário de emissões da região para o ano de 2010. Nesse artigo foi realizada uma adaptação do inventário de fontes regional para o Sparse Matrix Operator Kernel Emissions (SMOKE) de modo a ser utilizado em modelos de qualidade do ar (MQA) como o Community Multi-scale Air Quality (CMAQ) Modeling System e outros modelos fotoquímicos. Foram obtidos valores simulados elevados referentes às emissões de ressuspensão em vias, apontando uma possível falha do inventário neste tipo de fonte. Utilizando os fatores de emissão médios de Abu-Allaban et al. (2003) para a ressuspensão das vias locais, foram obtidos resultados mais condizentes aos atuais níveis de concentrações de partículas monitorados na RGV.

Abstract Atmospheric pollution from anthropogenic activities has been bothering the population of Great Vitoria Region (GVR), Espírito Santo, Brazil. Some people are particularly vulnerable to poor air quality: those affected by health conditions such as asthma, allergies, chemical sensitivity, heart disease, stroke and diabetes, as well as pregnant women, children and people of advanced age. Atmospheric pollutants complex interactions can be understood by using chemical transportation models, which require emissions inventories to provide spatial and temporal allocation of emissions. The emissions inventory of GVR on 2010 has been provided by the State Institute of Environment (IEMA). On this study, the regional sources inventory has been adapted to Sparse Matrix Operator Kernel Emissions (SMOKE) in order to be used on Air Quality Models (AQM) such as Community Multi-scale Air Quality (CMAQ) modeling system and other photochemical models. Simulation results obtained for road dust resuspension were high, which indicates a possible error on the inventory for this type of emission source. By using average emission factors from Abu-Allaban et al. (2003) for road dust resuspension instead of the original inventory data, the results obtained were closer to measured particle concentration on VGR.

Resumo Este trabalho apresenta um estudo comparativo entre diferentes coeficientes de difusão verticais aplicados em um modelo de dispersão para determinação da concentração de poluentes atmosféricos em uma camada limite convectiva. O modelo de dispersão é uma solução semi-analítica da equação de difusão-advecção tridimensional e estacionária, sendo que os resultados das simulações foram confrontados com dados experimentais da literatura. As melhores performances foram obtidas com o coeficiente de difusão proveniente da teoria estatística de Taylor e propriedades espectrais. Entretanto, resultados menos satisfatórios foram obtidos com a parametrização Asymmetric Convective Model version 2 (ACM2), muito usada como uma das opções para camada limite atmosférica no modelo de mesoescala Weather Research and Forecasting (WRF).

Abstract This work presents a comparative study between different vertical eddy diffusivities applied in a dispersion model to determine the concentration of air pollutants in a convective boundary layer. The dispersion model is a semi- analytical solution of stationary three-dimensional advection-diffusion equation and the simulation results were compared with experimental data from literature. The best performances were obtained with the eddy diffusivity from Taylor's statistical theory and spectral properties. However, less satisfactory results were obtained with the parameterization Asymmetric Convective Model version 2 (ACM2), often used as one of the options for the atmospheric boundary layer in the mesoscale model Weather Research and Forecasting (WRF).

Resumo Neste trabalho, é apresentada uma solução integral semi-analítica da equação de difusão atmosférica considerando a velocidade do vento como função da distância longitudinal e vertical da fonte poluidora. O modelo leva em consideração os mecanismos de remoção e transformação via deposição seca e reação química. Uma hipotética fonte de emissão de contaminantes urbana na presença de ventos de mesoescala em uma camada limite instável é mostrada. Os resultados sugerem que os ventos de mesoescala gerados pela ilha de calor urbana advectam os contaminantes para cima, aumentando a intensidade da poluição atmosférica em áreas urbanas.

Abstract An integral semi-analytical solution of the atmospheric diffusion equation considering wind speed as a function of both downwind distance from a pollution source and vertical height is presented. The model accounts for transformation and removal mechanisms via both chemical reaction and dry deposition processes. A hypothetical dispersion of contaminants emitted from an urban pollution source in the presence of mesoscale winds in an unstable atmospheric boundary layer is showed. The results demonstrate that the mesoscale winds generated by urban heat islands advect contaminants upward, which increases the intensity of air pollution in urban areas.

ABSTRACT: In this work we report numerical simulations of the contaminant dispersion and photochemical reactions of rocket exhaust clouds at the Centro de Lançamento de Alcântara (CLA) using the CMAQ modeling system. The simulations of carbon monoxide (CO), hydrogen chloride (HCl) and alumina (solid Al2O3) pollutants emission represent an effort in the construction of a computational tool in order to simulate normal and/or accidental events during rocket launches, making possible to predict the contaminant concentrations in accordance with emergency plans and pre and post-launchings for environmental management. The carbon monoxide and the alumina concentrations showed the formation of the ground and contrail cloud. The results also showed that hydrogen chloride concentrations would be harmful to human health, demonstrating the importance of assessing the impact of rocket launches in the environment and human health.

Neste artigo, a equação para o espectro de ondas de gravidade na média atmosfera é resolvida analiticamente sem linearização pelo método da decomposição de Adomian. Como consequência, a natureza não-linear do problema é preservada e os erros encontrados nos resultados são devidos somente a parametrização utilizada. Os resultados, com a parametrização usada nas simulações, indicam que a solução linear da equação é uma boa aproximação somente para alturas menores que dez quilômetros, porque a linearização da equação conduz a uma solução que não descreve corretamente o espectro da energia cinética.

In this paper, the equation for the gravity wave spectra in mean atmosphere is analytically solved without linearization by the Adomian decomposition method. As a consequence, the nonlinear nature of problem is preserved and the errors found in the results are only due to the parameterization. The results, with the parameterization applied in the simulations, indicate that the linear solution of the equation is a good approximation only for heights shorter than ten kilometers, because the linearization the equation leads to a solution that does not correctly describe the kinetic energy spectra.

Este artigo apresenta um modelo semi-analítico atualizado que descreve a concentração no estado estacionário na camada limite atmosférica. Dois métodos de inversão da transformada de Laplace são testados: o esquema de quadratura Gaussiana e o método "Fixed-Talbot". O modelo leva em consideração a velocidade de queda de partículas, remoção (deposição seca e úmida) e reações químicas de primeira ordem. É demonstrada qualitativamente e quantitativamente a capacidade do modelo predizer a concentração ao nível do solo. Os resultados estão em boa concordância com dados experimentais.

An updated version of the semi-analytical model for describing the steady-state concentration in the atmospheric boundary layer is presented here. Two inversion methods of the Laplace transform are tested: the Gaussian Quadrature scheme and the Fixed-Talbot method. The model takes into account settling velocity, removal (wet and dry deposition), and first order chemical reactions. The capability of the model to accurately predict the ground-level concentration is demonstrated qualitative and quantitatively. The results are in good agreement with experimental data.

Neste trabalho apresentam-se os principais aspectos relacionados à meteorologia ligada ao processo de dispersão turbulenta de poluentes atmosféricos. Ressalta-se que a meteorologia desempenha um papel fundamental para o controle da qualidade do ar, pois os eventos meteorológicos guiam a dispersão de poluentes e sua deposição no solo. Discutem-se os recentes melhoramentos da descrição e previsão dos fenômenos que envolvem a poluição atmosférica considerando a melhoria da qualidade de vida da população.

This work shows the main aspects related to the meteorology linked to the process of turbulent dispersion of atmospheric pollutants. It is pointed out that meteorology is fundamental to air quality control, and meteorological events guide the pollutant dispersion and its deposition on the soil. Recent improvements on the description and forecast of the phenomena that involve atmospheric pollution, considering the population quality of life, are discussed.

Um modelo Euleriano e um de partículas Lagrangeano são usados para estudar a dispersão de um contaminante liberado por uma fonte de altura baixa na Camada Limite Estável. O modelo Euleriano é baseado na solução da equação de difusão-advecção, utilizando-se a técnica da transformada de Laplace. O modelo Lagrangeano é baseado na forma generalizada da equação de Langevin. Os parâmetros turbulentos são determinados de acordo com duas parametrizações capazes de gerar valores contínuos em todas as condições de estabilidade e alturas na Camada Limite Planetária. Índices estatísticos foram calculados para comparar valores de concentração ao nível da superfície previstos e observados. De acordo com a análise estatística, as concentrações previstas concordam bem com as concentrações observadas.

An Eulerian model and a Lagrangian particle model are used to study the dispersion of a contaminant released from a low height source in the Stable Boundary Layer (SBL). The Eulerian model is based on the solution of the advection-diffusion equation by the Laplace transform technique. The Lagrangian model is based on a generalized form of the Langevin equation. Turbulence inputs are parameterised according to two procedures capable of generating continuous values in all stability conditions and in all heights of Planetary Boundary Layer (PBL). Statistical indices were calculated to compare the predicted and observed values of ground-level concentration. According to the statistical analysis, predicted concentration values agree well with the observed ones.

Considerando-se o atual conhecimento sobre a estrutura e as características da Camada Limite Convectiva (CLC), foi obtida uma nova formulação geral para coeficientes de difusão para serem utilizados em modelos de dispersão atmosférica. Expressões são propostas para coeficientes de difusão dependentes da distância da fonte para turbulência não-homogênea, obtidas diretamente com a teoria de Batchelor. A teoria estatística de difusão clássica, as propriedades espectrais observadas e as características dos turbilhões mais energéticos são usados para estimar estes parâmetros. Além disso, o coeficiente de difusão vertical foi introduzido em um modelo de poluição do ar e validado com os dados experimentais de Copenhagen, além de comparado aos resultados de uma formulação clássica da literatura. Uma avaliação estatística mostra que os resultados do modelo de dispersão, utilizando a parametrização proposta, fornecem uma boa concordância com os dados de concentração superficiais nas condições experimentais consideradas. Adicionalmente, este trabalho sugere que perfis de vento e coeficientes de difusão mais reais são importantes em regiões próximas a uma fonte elevada, e melhoram a descrição do processo de transporte de poluentes atmosféricos.

Accounting for the current knowledge of the Convective Boundary Layer (CBL) structure and characteristics, a new formulation for eddy diffusivities has been derived, to be used in atmospheric dispersion models. Expressions are proposed for eddy diffusivities depending on source distance for inhomogeneous turbulence calculated directly with the Batchelor theory. The classical statistical diffusion theory, the observed spectral properties and the observed characteristics of energy-containing eddies are used to estimate these parameters. In addition, a vertical eddy diffusivity was introduced in an air pollution model and validated with the data of Copenhagen experiments and compared with the results of the obtained from classic formulation of the literature. A statistical evaluation show that, the results of the dispersion model with the K-parameterisation included, produces a good fit of the measured ground-level concentration data in the experimental conditions considered. Furthermore, the current work suggests that wind and eddy diffusivities profiles physically more realistic are important in regions near of an elevated source, and improves the description of the transport process of atmospheric pollutants.