ABSTRACT In this study, the performance of the mesoscale Weather Research and Forecasting (WRF) model is evaluated using combinations of three planetary boundary layers (PBL) (YSU, ACM2, and MYJ) and three land surface model (LSM) schemes (RUC, Noah and Noah-MP) in order to identify the optimal parameters for the determination of wind speed in a tropical region. The state of Bahia in Brazil is selected as the location for the case study and simulations are performed over a period of eight months between 2015 and 2016 (dry and rainy seasons). The results of the simulations are compared with observational data obtained from three towers equipped with anemometers at heights of 80, 100, 120 and 150 m, strategically placed at each site and evaluated with statistical indices: MB, RMSE, MAGE, IOA, R, Fac2 and standard deviation. Overestimation of wind speed is observed in the simulations, despite similarities between the simulated and observed wind directions. In addition, the accuracies of simulations corresponding to sites that are closer to the ocean are observed to be lower. The most accurate wind speed estimates are obtained corresponding to Mucugê, which is located farthest from the ocean. Finally, analysis of the results obtained from each tower accounting for periods with higher and lower precipitation reveals that the combination of the PBL-YSU scheme with the LSM-RUC scheme yields the best results.

RESUMEN En este estudio se evalúa el rendimiento del modelo de pronóstico e investigación meteorológica de mesoescala (WRF) utilizando combinaciones de tres capas de límite planetario (PBL, por su sigla en inglés) (YSU, ACM2 y MYJ) y tres esquemas de modelo de superficie terrestre (LSM) (UC, Noah y Noah-MP), con el fin de identificar los parámetros óptimos para la determinación de la velocidad del viento en una región tropical. El estado de Bahía en Brasil se selecciona como la ubicación para el estudio de caso y las simulaciones se realizan durante un periodo de ocho meses entre 2015 y 2016 (estaciones secas y lluviosas). Los resultados de las simulaciones se comparan con los datos de observación obtenidos de tres torres equipadas con anemómetros a alturas de 80, 100, 120 y 150 m, colocadas estratégicamente en cada sitio y evaluadas con los índices estadísticos MB, RMSE, MAGE, IOA, R, Fac٢ y desviación estándar. Se observa una sobreestimación de la velocidad del viento en las simulaciones, a pesar de las similitudes entre las direcciones del viento simuladas y observadas. Además, se observa que las precisiones de las simulaciones correspondientes a sitios que están más cerca del océano son menores. Las estimaciones de velocidad del viento más precisas fueron las correspondientes a Mucugê, que se encuentra más alejado del océano. Finalmente, el análisis de los resultados obtenidos de cada torre, teniendo en cuenta los periodos con mayor y menor precipitación, revela que la combinación del esquema PBL-YSU con el esquema LSM-RUC arroja los mejores resultados.

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 No presente estudo, é pesquisada a acurácia de parametrizações físicas do modelo Weather Research and Forecasting (WRF) em fazer inferências sobre a dinâmica da camada limite interna térmica (TIBL) gerada pela brisa do mar, em um centro urbano com uma ilha contida em uma baía, ao longo de uma região costeira com topografia acidentada. As simulações foram realizadas utilizando as parametrizações Yonsei University (YSU), Mellor-Yamada-Janjic (MYJ) e Asymmetric Convective Model versão 2 (ACM2) para camada limite atmosférica (ABL) e Noah e Rapid Update Cycle (RUC) para modelo de superfície da terra (LSM). Os dados inferidos pelo modelo WRF foram comparados com os obtidos por uma estação meteorológica de superfície (SMS) e por medições usando Light Detection and Ranging (LIDAR), Sonic Detection and Ranging (SODAR) e radiossondagem. As simulações mostraram que, embora o objeto desta pesquisa seja em uma região com alta complexidade geográfica, o conjunto de parametrização YSU (fechamento não local) para a ABL e a parametrização Noah para LSM apresentaram resultados satisfatórios na determinação da altura da ABL gerada pela brisa do mar, no dia em questão.

Abstract In the present study, the physical parameterizations of the Weather Research and Forecasting (WRF) model are verified for making accurate inferences about the dynamics of the Thermal Internal Boundary Layer (TIBL) generated by sea breeze in an urban center with an island in a bay along a coastal region with rugged topography. The simulations were performed using parameterizations from Yonsei University (YSU), Mellor-Yamada-Janjic (MYJ) and Asymmetric Convective Model version 2 (ACM2) for the atmospheric boundary layer (ABL) and Noah and Rapid Update Cycle (RUC) for the Land Surface Model (LSM). The data inferred by the WRF model were compared with those obtained by a Surface Meteorological Station (SMS) and by measurements generated using Light Detection and Ranging (LIDAR), Sonic Detection and Ranging (SODAR) and radiosonde. The simulations showed that although the object of this research was a region with high geographical complexity, the YSU parameterization set (non-local closure) for the ABL and the Noah parameterization for the LSM presented satisfactory results in determining ABL height generated by the sea breeze on the day in question.

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.

Neste artigo é realizada uma avaliação de duas técnicas semi-analíticas, considerando a qualidade e a exatidão destas técnicas em reproduzir valores de concentração ao nível da superfície de poluentes passivos emitidos a partir de fontes baixas e altas. A primeira técnica é um modelo Euleriano baseado na solução da equação advecção-difusão através da técnica de transformada de Laplace. A segunda é um modelo Lagrangiano baseado na solução da equação de Langevin através do Método Iterativo de Picard. Parâmetros da turbulência são calculados de acordo com uma parametrização capaz de gerar valores contínuos em todas as condições de estabilidade e em todas as alturas na camada limite planetária. Simulações numéricas e comparações mostram uma boa concordância entre valores de concentração previstos e observados. Comparações entre as duas técnicas revelam que o modelo Lagrangiano gera resultados mais precisos, mas o modelo Euleriano exige um menor tempo computacional.

In this article an evaluation of two semi-analytical techniques is carried out, considering the quality and accuracy of these techniques in reproducing the ground-level concentration values of passive pollutant released from low and high sources. The first technique is an Eulerian model based on the solution of the advection-diffusion equation by the Laplace transform technique. The second is a Lagrangian model based on solution of the Langevin equation through the Picard Iterative Method. Turbulence parameters are calculated according to a parameterization capable of generating continuous values in all stability conditions and in all heights of the planetary boundary layer. Numerical simulations and comparisons show a good agreement between predicted and observed concentrations values. Comparisons between the two proposed techniques reveal that Lagrangian model generated more accurate results, but Eulerian model demands a lesser computational time.

Neste trabalho é realizada uma comparação preliminar entre as modelagens Lagrangeana e Euleriana para descrever o transporte turbulento de poluentes dentro da Camada Limite Planetária (CLP). O modelo Lagrangeano é baseado na forma tridimensional da equação de Langevin para a velocidade aleatória. O modelo Euleriano analítico é baseado na discretização da CLP em N subcamadas, onde em cada uma das subcamadas a solução é obtida pela técnica de transformada de Laplace. O modelo Euleriano numérico é composto por um conjunto de equações unidimensionais dependentes do tempo, onde os termos advectivos são resolvidos usando um método baseado em uma interpolação cúbica enquanto um esquema de Crank-Nicholson implícito é utilizado para os termos difusivos. Os modelos utilizam uma parametrização da turbulência que considera um modelo do espectro de turbulência, o qual é considerado como uma superposição dos efeitos térmico e mecânico do campo turbulento. Concentrações observadas ao nível da superfície em um experimento de dispersão são utilizadas para avaliar as simulações.

In this article is carried out a comparison between Lagrangian and Eulerian modelling of the turbulent transport of pollutants within the Planetary Boundary Layer (PBL). The Lagrangian model is based on a three-dimensional form of the Langevin equation for the random velocity. The Eulerian analytical model is based on a discretization of the PBL in N sub-layers; in each of the sub-layers the advection-diffusion equation is solved by the Laplace transform technique. In the Eulerian numerical model the advective terms are solved using the cubic spline method while a Crank-Nicholson scheme is used for the diffusive terms. The models use a turbulence parameterization that considers a spectrum model, which is given by a linear superposition of the buoyancy and mechanical effects. Observed ground-level concentrations measured in a dispersion field experiment are used to evaluate the simulations.

Os modelos matemáticos de dispersão de poluentes na atmosfera representam um instrumento técnico importante, seja para o conhecimento do estado do ambiente, unidos à rede de monitoramento, seja para a gestão ambiental. Neste trabalho são evidenciadas as caraterísticas operacionais e teóricas dos modelos. São introduzidos os modelos de nova geração que podem representar diretamente a turbulência atmosférica através do valor do comprimento de Monin-Obukhov e da velocidade de atrito. Além disso, salienta-se que uma correta utilização dos modelos de transporte e difusão na atmosfera dependem de um estudo sobre suas capacidades de representarem corretamente situações reais confrontando os valores calculados dos modelos com observações experimentais. É aprofundado em particular, visto a grande atualidade do fenômeno, a utilização dos modelos matemáticos de dispersão na gestão da qualidade do ar em ambiente urbano.

The mathematical models of pollutant dispersion in the atmosphere represent an important technical instrument, as for the knowledge of the state of the atmosphere, united to the monitoring net, as for the environmental administration. In this work the operational and theoretical characteristics of air pollution models are evidenced. Models of new generation that can represent the atmospheric turbulence directly through the value of the Monin-Obukhov length and of the friction velocity are introduced. Besides, it is pointed out that a correct use of the transport and diffusion models in the atmosphere depends of a study about their capacities of representing real situations confronting the calculated values of the models with experimental observations. It is deepened in matter, seen the great present time of the phenomenon, the use of the mathematical models of dispersion in the management of the air quality in urban environment.

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.