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Dissertação de Mestrado
DOI
10.11606/D.85.2013.tde-01112013-130348
Documento
Autor
Nome completo
Gregori de Arruda Moreira
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2013
Orientador
Banca examinadora
Landulfo, Eduardo (Presidente)
Held, Gerhard
Oliveira, Amauri Pereira de
Título em português
Métodos para obtenção da altura da camada limite planetária a partir de dados de LIDAR
Palavras-chave em português
algoritmo
camada limite planetária
gradiente
LIDAR
wavelet
Resumo em português
Esta dissertação aborda um estudo sobre algoritmos matemáticos (Método da Variância, Método das Imagens, Método do Gradiente (MG), WCT - Wavelet Covariance Transform), os quais possibilitam a obtenção da altura máxima da Camada Limite Planetária (CLP) a partir de dados fornecidos por um sistema lidar. Em um primeiro momento será descrita a CLP e as suas principais variáveis, assim como também os métodos juntamente com os seus pontos positivos e negativos. Em seguida serão abordadas duas situações de medida: a primeira consiste em um estudo de casos realizado na cidade de Vitória-ES, para o qual foram escolhidas três situações típicas (calmaria, presença de subcamadas de aerossóis e/ou camadas de nuvens e turbulência) em que os métodos foram: testados, comparados entre si, com a análise visual do perfil e o BRN (Bulk Richardsons Number); a segunda situação aborda uma medida feita na cidade de São Paulo-SP durante um período de 12 horas contínuas, sendo o grande diferencial deste experimento, o lançamento de radiossondas dentro de intervalos de 3 horas, isso aliado a utilização de modelagem WRF (Weather Research Forecasting) permitiu uma maior comparação e validação dos dados. A partir dos estudos de casos foi possível observar que com o aumento da complexidade do perfil apresentado pela atmosfera, há um decréscimo na qualidade dos resultados apresentados pelos métodos e um aumento no tempo de processamento, já que há necessidade de um maior refinamento nos parâmetros que serão utilizados. Nas situações de "calmaria"o perfil da atmosfera se mostra mais simplificado, o que facilita a escolha de qual método utilizar, sendo que com exceção da Variância, todos os outros métodos forneceram resultados satisfatórios. Para o caso de "presença de subcamadas de aerossóis e/ou nuvens"a qualidade dos resultados apresentados pelos métodos decai sendo exceção da Variânci, uma vez que esta passa a apresentar resultados mais próximos do esperado devido ao aumento na complexidade do sinal lidar. Na situação caracterizada como "turbulência", todos os métodos passam a apresentar maiores dificuldades para detectar corretamente a CLP, sendo que o WCT se mostra o mais robusto, porém exige uma complexa escolha de parâmetros, demandando um alto tempo de processamento. Na medida de 12 horas contínuas todos os métodos conseguem representar satisfatoriamente a ascensão e o decaimento da CLP, ficando as maiores divergências para o meio do dia, principalmente quando há dispersão dos aerossóis gerando atenuação no sinal, com isso os métodos mais sensíveis (MG e Método das Imagens) passam a apresentar várias oscilações, dificultando a detecção do topo da CLP. As análises realizadas permitiram observar as vantagens e desvantagens de cada método, assim como descobrir qual possui o uso mais indicado para cada cenário meteorológico, sendo o algoritmo WCT o mais robusto em todas as situações apresentadas.
Título em inglês
Methods to obtain heigth of Planetary Boundary Layer by LIDAR data
Palavras-chave em inglês
algorithm
gradient
LIDAR
planetary boundary layer
wavelet
Resumo em inglês
This dissertation discusses a study about mathematical algorithms (Variance Method, Method of Images, Gradient Method, WCT - Wavelet Covariance Transform) that allow obtaining the maximum height of the Planetary Boundary Layer (PBL) from data provided by the lidar system. Initially it will be described the PBL and their main variables, as well as methods along with their strengths and weaknesses. After, two situations of measurements will be discussed: the first one consists of a case study conducted in the city of Vitória-ES, where were chosen three typical situations ("calm", "sublayers of aerosols and/or layers of cloud cover"and "turbulence") and the methods were compared among themselves and here after validated qualitatively by a visual verify and quantitatively by obtain of the Bulk Richardson Number (BRN) extracted from radiosounding data; the second situation deals with a measurement made in the city of São Paulo - SP for a period of 12 continuous hours, and the great advantage of this experimen, launching radiosondes within 3 hour intervals, the use of this combined with WRF ( Weather Research Forecasting) model allowed a most accurate comparison and validation. Based on case studies it was observed with the increased of complexity of the profile presented by the atmosphere, there is a decrease in the quality of the results provided by the methods and an increase in processing time being necessary greater refinement of the parameters that are used. In situations of "calm"the profile of the atmosphere appears more simplified, which facilitates the choice of which method to use, and with exception of Variance, all other methods provided satisfactory results. For the situation of "presence of sublayers of aerosols and/or clouds"the quality of the results presented by the methods decays, with the exception of Variance, once this begins to show results closer than expected due to the increase in the complexity of the signal handling. In situations characterized as "turbulence", all methods have more difficulties to correctly detect the PBL, and the WCT shown the most robust than others, but requires a complex choice of parameters and a high processing time. The measurement of 12 hours continuous all methods can satisfactorily represent the rise and decay of PBL, the largest differences being for the middle of the day, especially when there is dispersion of aerosol generating attenuation in the signal, thus the most sensitive methods (Gradient Method and Method of Images) present several variations, making it difficult to detect the top of the PBL. The analyzes allowed to observe the advantages and disadvantages of each method, as well as find out which has the most appropriate use for each meteorological scenario, being the WCT the most robust algorithm in all situations presented.
 
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2013MoreiraMetodos.pdf (23.09 Mbytes)
Data de Publicação
2013-11-13
 
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