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Title: Caracterização de profundidade óptica de aerossóis atmosféricos no nordeste brasileiro: um estudo através do sistema de modelagem EURAD-IM com assimilação de dados
Other Titles: Atmospheric aerosol optical depth characterization in the brazilian Northeast: a study using a modeling system with data assimilation
Authors: Oliveira, Aline Macedo de
Keywords: EURAD-IM;MODIS;Aerossóis atmosféricos;Assimilação de dados;Nordeste do Brasil
Issue Date: 24-Sep-2019
Citation: OLIVEIRA, Aline Macedo de. Caracterização de profundidade óptica de aerossóis atmosféricos no nordeste brasileiro: um estudo através do sistema de modelagem EURAD-IM com assimilação de dados. 2019. 123f. Tese (Doutorado em Ciências Climáticas) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2019.
Portuguese Abstract: Desde os primeiros modelos numéricos criados para a Previsão Numérica do Tempo (PNT) procuram-se formas para melhorar precisão e qualidade dos seus resultados. Modelos numéricos aplicados à previsão químico-atmosférica são considerados recentes quando comparados aos aplicados a PNT. Com o intuito de melhorar o resultado dos modelos numéricos, adota-se o uso de técnicas como a assimilação de dados (AD). A AD faz uso de dados já modelados com observações disponíveis para fornecer um resultado o mais fidedigno com a realidade. Dentre os diversos tipos de modelos, por vezes, considera-se modelos de transporte químico que estudam e preveem o comportamento de gases e partículas na atmosfera. Dentre estes o modelo EURAD (EURopean Air Pollution Dispersion) e sua forma inversa, o EURADIM, desenvolvido pela Universidade de Colônia, na Alemanha, opera em escalas regional e hemisférica, faz o cálculo de transporte, difusão e transformação química de cerca de 70 espécies químicas. Além disto, inclui o método de assimilação de dados variacional em três e quatro dimensões (3D-VAR e 4D-VAR), que tem como objetivo, minimizar a função de custo, definida no tempo e espaço. O objetivo principal deste trabalho é caracterizar a Profundidade Óptica dos Aerossóis (AOD) através de um método de assimilação de dados em três dimensões, 3D-VAR do modelo EURAD-IM e do uso de dados de sensoriamento remoto para a região nordeste do Brasil (NEB). No NEB a falta de dados observacionais in situ torna a avaliação dos dados de modelagem um desafio. Por esta razão a AOD derivada do MODerate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) a bordo dos satélites AQUA e TERRA foi utilizada de duas formas: para caracterizar as partículas de aerossóis na região e, em seguida, para a assimilação de dados no modelo EURAD-IM. Para a primeira, fez-se uma análise de 10 anos (de 2005 a 2014) e observou-se que no NEB, os aerossóis no NEB caracterizam-se por baixa carga na maior parte dos anos, com valor da média dos dez anos de 0,2, exceto em duas estações definidas, nos meses de janeiro a março e de agosto a outubro. Os aerossóis na região são oriundos de emissões de partículas de outras regiões. Este padrão foi observado durante todos os anos do período analisado. Além disto, observou-se a presença de sal marinho (aerossol dominante na região), poeira do deserto, poluição urbana e queimadas, entre outros. As simulações com o modelo EURAD-IM foram realizadas no ano de 2014 para a região. Como dados de entrada meteorológicos foi utilizado o modelo meteorológico Weather Research and Forecasting (WRF) e como condições de fronteira química, dados do Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS). Foi observado que o EURADIM tem uma boa correlação com os dados do MODIS, exceto nos meses em que a AOD tem valores mais elevados (principalmente de agosto a outubro). Nestes meses o EURAD-IM superestima os valores de AOD para a região. Estudos de caso considerando a assimilação de dados, mostraram que o método funciona para o estado, mostra boa correlação com os dados observados, melhorando os resultados da modelagem pura.
Abstract: Since numerical weather prediction (NWP) studies began, many efforts have been made in order to obtain improved results with higher accuracy and quality. When compared to meteorological forecast, chemical weather predictions have the same importance as with each day the concern on how atmospheric pollutants on climate change grows. To obtain better prediction, different modeling techniques are adopted. One of them is data assimilation (DA), which matches observational and modeled data in order to obtain more accurate results. Usually this type of technique is use when there is lack of data, which makes traditional modeling less trustworthy. The main goal of the work is to characterize the AOD though a variational data assimilation method in three dimensions (3DVAR) of the EURAD-IM inverse model for the Northeast Brazil (NEB) and remote sensing data. EURAD (European Air Pollution Dispersion) and its inverse form EURAD-IM developed at the University of Cologne, in Germany, is a Eulerian model that operates from local to hemispheric scale and calculates transport, diffusion and chemical transformation of about 70 chemical species. In NEB the short amount and quality of emission sources makes modeling a challenge. For this reason, Aerosol Optical Depth (AOD) derived from the MODerate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) on board of AQUA and TERRA were considered. These data were used to investigate and characterize aerosols particles in the region for a ten-year (from 2005 to 2014) period and to validate the model results. In this it was observed that AOD in NEB has a feature of low particle load, with the medium value for the period of 0.2, except during two seasons, named as typical periods. Those periods occur from January to March and from August to October, in all the years. It was also observed that NEB is influenced by different types of particles, sea salt (the main type), biomass burning, urban pollution, dust and dust plus pollution. Also, observed that dust and biomass burning particles from the African continent are advected towards NEB during the typical periods. The simulations with EURAD-IM were performed in the year of 2014 and consider as boundary conditions, data from The Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS) and as meteorological driver, simulations from The Weather Research and Forecasting (WRF) model. It was observed that EURAD-IM and MODIS data correlates well, except during the months when AOD showed elevated values. On those EURAD overestimates AOD in NEB. Study case with consideration on DA, showed that 3D-VAR works well for the region. It also showed to be suitable for the NEB providing a good correlation with the observational data and better results when compared with pure model simulations.
URI: https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/28489
Appears in Collections:PPGCC - Doutorado em Ciências Climáticas

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