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.

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.

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.