APRESENTAÇÃO DO SISTEMA DE MODELAGEM

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1 APRESENTAÇÃO DO SISTEMA DE MODELAGEM INSTALADO NO PROJETO AR DO RIO Claude Derognat RESPONSÁVEL PELO GRUPO DE MODELAGEM REGIONAL, ARIA TECHNOLOGIES ARIA Technologies SA 8-10, rue de la Ferme Boulogne Billancourt France Telephone: +33 (0) Fax: +33 (0) /www.aria.fr

2 APRESENTAÇÃO GERAL Cenário Previsão diária Plataforma de modelagem Qualidade do ar Emissão Meteorologia

3 CONEXÃO DE REDE

4 EQUIPAMENTO COMPUTACIONAL Cluster Hardware: Nó mestre: Dell T710 (8 CPU) 3 nós de cálculo: R610 (2 CPU com 6 núcleos à 3.3GHz) = 36 CPU 12 CPU dedicados as previsões / 24 em modo cenário Armazenamento: 2.7 TO (TB) Software: OS: LINUX Compilador Fortran, biblioteca MPI, biblioteca de Pós-tratamento, serviço VPN, Servidor Web - Apache Hardware: Estações de Trabalho Windows INEA 2 estações de trabalho Windows SMAC 2 estações de trabalho Windows Software: Interface de usuário

5 PLATAFORMA DA MODELAGEM Vento Temperatura Precipitação Fontes Naturais Fontes Fixas Fontes Área Fontes móveis Umidade Radiação Solar Camada Limite Campos meteorológicos Concentração de poluentes gasosos Concentração de poluentes de partículas Campo de concentração GUI Aplicativo Web 5

6 PLATAFORMA DA MODELAGEM: METEOROLOGIA REGIONAL: WRF (I) WRF: (Weather Research and Forecast Model) Modelo público, ou seja, recurso livre e compartilhado cujo desenvolvimento é compartilhado e o suporte é centralizado. Seu desenvolvimento é liderado pela NCAR, NOAA/GSD e NOAA/NCEP/EMP com parceria de AAE, a FAA, LNR e em colaboração com universidades e outras agências governamentais dos EUA e do exterior. ARW (utilizado no AR DO RIO) / NMM O apoio e o desenvolvimento do ARW estão centrados na NCAR/MMM O desenvolvimento do NMM é centrado no NCEP/EMP e o suporte é fornecido pelo NCAR/DTC; Muitos módulos são compartilhados por ambos os núcleos Aplicações: ARW & NMM Física da Atmosfera/ Pesquisa de determinado processo Pesquisa de Estudos de Casos orientados ou operacionais Previsão em tempo real Ensino Aplicações: apenas ARW Versão clima (Regionalização) Química On-line Simulações globais Simulação de casos idealizados (exemplo: propagação de ondas em fluidos estratificado, ) Modelo prognostico não-hidrostático

7 PLATAFORMA DA MODELAGEM : METEOROLOGIA REGIONAL: WRF (II) Jimi Dudhia, NCAR

8 PLATAFORMA DA MODELAGEM: METEOROLOGIA REGIONAL: WRF (III) Configuração dos domínios Escala Grande (LS) Escala Local (LcS) 3 níveis de aninhamento Escala Regional (RS) 27, 9, 3 km de resolução horizontal 55*55 pontos da grade para cada domínio Centrado no Rio de Janeiro Passo de Tempo 90 s (30 s, 10 s) Aninhamento 1-way : nenhuma influência do domínio menor sobre o domínio maior 51 níveis verticais Topo a 10 hpa Física: configuração padrão Microfísica: WSM 3- esquema de gelo classe simples Esquema de radiação: Esquema RRTM (onda longa)/ Esquema Dudhia(Onda curta) Camada superficial: Monin-Obukhov scheme Esquema de solo: modelo de superfície Noah Land CLP: esquema YSU Cumulus: esquema Kain-Fritsch (sem esquema de Cumulus no domínio LcS) Próximas etapas: Próximas etapas: 1. Comparação observado/simulado 2. Calibração do modelo WRF

9 SISTEMA DE MODELIZAÇÃO AR DO RIO: PLATAFORMA DA MODELAGEM: METEOROLOGIA LOCAL: SWIFT NSWIFT Representar a dispersão em pequena escala no meio urbano denso com um tempo de cálculo muito baixo Acordo: «80% de solução em 1% de tempo cálculo» Aplicação em defesa civil : Simulação da dispersão de poluentes em tempo real liberado durante um ataque (gases tóxicos, antraz, etc...) O código MSS é integrado no HPAC 5 ( Hazard Prediction Advisory Capability ): software distribuído em mais de 2000 cópias pelo US-DOD Representar a dispersão em pequena escala no meio urbano denso em um bairro durante 24 horas com um tempo de cálculo muito baixo Representar a dispersão em uma estatística de casos significativos (centenas de condições) com um tempo de cálculo razoável Aplicação microescala civil: saídas de estacionamentos, ventilação, otimização da localização de sensores em um local de grandes dimensões Abordagem complementar aos códigos CFD

10 PLATAFORMA DA MODELAGEM: METEOROLOGIA LOCAL: SWIFT SIG calmin-metmin-relmin-rugmin Shape file Shaft obsmin Micro-Swift Binaire ARIA de Champs Météorologiques 3D Arconv Netcdf

11 PLATAFORMA DA MODELAGEM: METEOROLOGIA LOCAL: SWIFT WRF2ARIA (Modulo (Modulo de extração de dados de saída do WRF para SWIFT) Utilizado em 4 domínios Considera o conjunto de perfis disponíveis no domínio (Vento, temperatura, umidade) WRF alimenta também SWIFT com os campos necessários para o calculo da turbulência: radiação, gradiente de temperatura N-SWIFT : (versão aninhada 4 nível de aninhamento: Escala Urbana ~80*80 pontos na malha Resolução Horizontal: 1.5 km aninhada do SWIFT) 5 nível de aninhamento: Escala Zoom ~60*60 pontos na malha Resolução Horizontal: 500 m Próximas etapas: Próximas etapas: 1. Comparação medição/cálculo 2. Calibração do modelo WRF WRF Escala Local SWIFT Escala Zoom SWIFT Escala Urbana

12 PLATAFORMA DA MODELAGEM: QUALIDADE DO AR REGIONAL (I) MODELO CHIMERE Desenvolvido pelo Instituto Pierre-Simon Laplace (IPSL/CNRS), INERIS, LISA (CNRS) por: Bernard AUMONT, Matthias BEEKMANN, Bertrand BESSAGNET, Nadège BLOND, Claude DEROGNAT, Alma HODZIC, Cécile HONORE, Laurent MENUT, Jean ROUX, Hawke SCHMIDT, Robert VAUTARD... Modelo de transporte químico determinístico de multiescala inicialmente dedicado a previsões diárias de poluentes gasosos e partículas em suspensão. Aplicação: Ferramenta operacional de previsão da qualidade do ar, para O 3 e NO 2 à J+0, J+1 et J+2 Suporte aos estudos qualitativos sobre a sensibilidade da poluição aos diferentes fatores que contribuem (Redução das emissões de tráfego, controle de emissões industriais, implantação de novas industrias ) Pesquisa: Em laboratórios digitais onde as experiências de sensibilidade são efetuadas, e novas parametrização são testadas Fornecer as condições de contorno para o modelo de maior resolução Suporte as campanhas de medição: Seleção de dias para os POIs (Período de Observação Intensiva) Abrange escalas espaciais variadas que variam de escala regional (vários milhares de quilômetros) a escala urbana ( km). Funciona com vários mecanismos químicos, simplificados ou mais complexos, com ou sem aerossóis primários e secundários, sais marinhos...

13 PLATAFORMA DA MODELAGEM: QUALIDADE DO AR REGIONAL (II)

14 PLATAFORMA DA MODELAGEM: QUALIDADE DO AR REGIONAL (III) Integração numérica: Balanço «Perdas-Produção» Advecção Esquema de 3 ordem para as espécies lentas: PPM (Piecewise Parabolic Method) Esquema de 1 ordem para as outras espécies: UPWIND (C=Ci 1j si U>0 et C=Cij si U<0) Difusão Vertical (Kz en m 2.s -1 ) : Troen e Mahrt (1986) Química Solver : algoritmo de segunda ordem TWOSTEP (Verwer,1994), e baseado na aplicação do esquema de iterações Gauss- Seidel As frequências de fotólise são calculadas em condição de céu claro em função da altitude utilizando o modelo TUV ([Madronich et al., 1998]) Mecanismo químico completo: mais de 300 reações, 80 espécies de EMEP) / Deposição Mecanismo químico reduzido:120 reações e 44 espécies (e conceito de operadores químicos) Abordagem das Resistências (Wesely et al., 1989), (Wesely ehickx, 1977) Nas nuvens: deposição úmida de ácido nítrico (HNO 3 ) e amônio (NH 3 ) na fase gasosa Nas gotículas de água (nas nuvens): deposição úmida por H2O2, SO2, HNO3 e NH3 ([Mircea estefan, 1998]) Aerossóis (Abordagem por seções) 7 espécies (partículas primárias, nitrato, sulfato, amônio, aerossol orgânico secundário biogênico e antrópico, e água). 6 seções de 10 nm à 40 µm. Processos físicos: Nucleação / Coagulação / Condensação Química aquosa: Enxofre : SO2/(HSO-3/SO2-) Química heterogênea: [Jacob, 2000] : acido nítrico e hidroperóxido

15 PLATAFORMA DA MODELAGEM: QUALIDADE DO AR REGIONAL (IV) Configuração dos domínios 3 níveis de aninhamento 0.24, 0.08, de resolução horizontal 54*54 pontos na malha Escala Grande (LS) Escala Local (LcS) Escala Regional (RS) O maior possível incluído no WRF são equivalentes Forçante Meteorológica : WRF Condições de contorno LMDZ-Inca para a fase gasosa GOCART para a fase de particulados Inventário de emissão Larga Escala(LS/RS) : EDGAR + VOCA inventário local Escala Local: Inventário detalhado sendo realizado Fontes pontuais Fintes lineares Fontes área Próximas etapas: Próximas etapas: 1. Comparação medição/cálculo 2. Primeiro diagnóstico no nível de preenchimento do inventário de emissão

16 PLATAFORMA DA MODELAGEM: QUALIDADE DO AR LOCAL (I) FARM (Flexible Air quality Regional Model) Modelo Euleriano tridimensional que simula o transporte, a criação e a deposição de poluentes primários e secundários Este modelo deriva do código americano STEM (G.R. Carmichael, Centre for Global and Regional Environmental Research, Univ. of Iowa) apresentando uma comunidade de usuários importantes (Kitada et al., 1984; Carmichael et al., 1986; Hong and Carmichael, 1986; Chang et al., 1990; Carmichael et al., 1991; Shim and Carmichael, 1991; Mathur et al., 1992; Carmichael et al., 1998) FARM considera: Emissões de poluentes provenientes de fontes difusas e pontuais, com estimação de altura de emissão; Transporte tridimensional advectivo e de difusão turbulenta; Módulo de nuvem simples ou detalhada; Módulo flexível de configuração da transformação de espécies químicas na fase gasosa; Módulo de deposição seca levando em conta os campos meteorológicos e uso do solo; Deposição úmida pela precipitação Possibilidade de aninhamento one-way e two-way Interface com um sistema de modelagem completa de simulações multi-escalas de qualidade do ar.

17 PLATAFORMA DA MODELAGEM: QUALIDADE DO AR LOCAL (I) Configuração dos domínios: Idênticos aos abrangidos por SWIFT Próximas etapas: 1. Finalizar as configurações padrão 2. Ativar no sistema, previsão e cenário 3. Comparação medição/cálculo após CHIMERE Escala Local CHIMERE Escala Urbana FARM Escala Zoom FARM

18 MODO DE CENÁRIO: INTERFACE USUÁRIO (I) WRF/CHIMERE IHM Simulação de cenário De referência ou alternativo de emissões Definição da cobertura temporal Emissões: escolha dos arquivos de entrada e possibilidade de modulá-los pelo SNAP Lançamento sequencial (meteorologia, em seguida emissão, em seguida dispersão) ou todos conectados Visualização das simulações: cenário/previsão Mapa 2D Séries cronológicas e Perfis Exportação EWB: programa de visualização 3D Google Earth

19 MODO DE CENÁRIO: INTERFACE USUÁRIO (II) GFS Inventário de Emissão

20 MODO DE CENÁRIO: INTERFACE USUÁRIO (III) EWB Google Earth IVT

21 MODO DE PREVISÃO : DIFUSÃO WEB (I) Divulgação externa dos resultados da previsão diária Objetivo Hospedagem no site Web do INEA da previsão diária (Objetivo Mínimo) Permite a extração de séries cronológicas quando requerido (Sob condições) Recurso: fluxo de internet suficiente Compatibilidade dos serviços no caso de um único servidor de hospedagem Visualização OpenLayers (com ou sem extração de séries cronológicas) Interface de Programação Web Google Earth (Interface de programação de aplicativos ou API)

22 MODO DE PREVISÃO : DIFUSÃO WEB (II) Air Quality Plataforma da Modelagem emission U s u á r i o s Widgeb/App Web meteorology Lenvis grid data web service Lenvis REST service Difusão já em funcionamento porém limitada Único usuário Sistema de autenticação Implementação condicionada

23 SISTEMA DE MODELAGEM AR DO RIO: MODO DE PREVISÃO : DIFUSÃO WEB (III) : EXEMPLO LENVIS Plataforma de modelagem Emissão Meteorologia Widget para aplicação no iphone (Android em desenvolvimento)

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