APRESENTAÇÃO DO SISTEMA DE MODELAGEM

INSTALADO NO

AR DO RIOPROJETO AR DO RIO

ARIA Technologies SA8-10, rue de la Ferme – 92100 Boulogne Billancourt – France

Telephone: +33 (0)1 46 08 68 60 – Fax: +33 (0)1 41 41 93 17 E-mail: info@aria.fr – http:/ /www.aria.fr

Claude Derognat

RESPONSÁVEL PELO GRUPO DE MODELAGEM REGIONAL, ARIA TECHNOLOGIES

SISTEMA DE MODELAGEM AR DO RIO:APRESENTAÇÃO GERAL

Cenário

Previsão diária

Meteorologia

Emissão

Qualidade do ar

Plataforma de modelagem

SISTEMA DE MODELAGEM AR DO RIO:CONEXÃO DE REDE

SISTEMA DE MODELAGEM AR DO RIO:EQUIPAMENTO COMPUTACIONAL

ClusterHardware:

•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:Software:•OS: LINUX• Compilador Fortran, biblioteca MPI, biblioteca de Pós-tratamento, serviço VPN, Servidor Web - Apache

Estações de Trabalho Windows Hardware:

•INEA 2 estações de trabalho Windows•SMAC 2 estações de trabalho Windows

Software:•Interface de usuário

SISTEMA DE MODELAGEM AR DO RIO:PLATAFORMA DA MODELAGEM

Fontes Naturais

Fontes Fixas

Fontes móveis

Fontes Área

Vento Temperatura

Radiação Solar

Umidade

Precipitação

Camada Limite

5

Campos meteorológicos

Campo de concentração

Concentração de poluentes gasosos

Concentração de poluentes de partículas

GUI Aplicativo Web

SISTEMA DE MODELAGEM AR DO RIO:PLATAFORMA DA MODELAGEM : METEOROLOGIA REGIONAL : WRF (I)

WRF:WRF: ((WeatherWeather ResearchResearch andand Forecast Forecast ModelModel))� 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.

ARWARW (utilizado no AR(utilizado no AR DO RIO)DO RIO) // NMMNMM

� 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� Muitos módulos são compartilhados por ambos os núcleos

Aplicações: ARWAplicações: ARW && NMMNMM

� Física da Atmosfera/ Pesquisa de determinado processo

� Pesquisa de Estudos de Casos orientados ou operacionais

� Previsão em tempo real

� Ensino

Aplicações: apenas ARWAplicações: apenas ARW

� Versão clima (Regionalização)

� Química On-line

� Simulações globais

� Simulação de casos idealizados (exemplo: propagação de ondas em fluidos estratificado, …)

Modelo prognostico nãoModelo prognostico não--hidrostáticohidrostático

SISTEMA DE MODELAGEM AR DO RIO:PLATAFORMA DA MODELAGEM : METEOROLOGIA REGIONAL : WRF (II)

Jimi Dudhia, NCAR

SISTEMA DE MODELAGEM AR DO RIO:PLATAFORMA DA MODELAGEM : METEOROLOGIA REGIONAL : WRF (III)

Configuração dos domíniosConfiguração dos domínios� 3 níveis de aninhamento

� 27, 9, 3 km de resolução horizontal

� 55*55 pontos da grade para cada domínio

� Centrado no Rio de Janeiro

Passo de TempoPasso de Tempo� 90 s (30 s, 10 s)

� Aninhamento 1-way : nenhuma influência do domínio menor sobre o domínio maior

51 níveis verticais51 níveis verticais

Escala Grande (LS)

Escala Regional (RS)

Escala Local (LcS)

51 níveis verticais51 níveis verticais� Topo a 10 hPa

Física: Física: configuração padrãoconfiguração 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

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� 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

SISTEMA DE MODELAGEM AR DO RIO:PLATAFORMA DA MODELAGEM : METEOROLOGIA LOCAL : SWIFT

obsmin

Shaftcalmin-metmin-relmin-rugmin

Shape fileSIG

Micro-Swift

Binaire ARIA de Champs Météorologiques 3D

Arconv

Netcdf

SISTEMA DE MODELAGEM AR DO RIO:PLATAFORMA DA MODELAGEM : METEOROLOGIA LOCAL : SWIFT

SWIFT Escala Zoom

WRF Escala Local

SWIFT Escala Urbana

WRF2ARIA WRF2ARIA (Modulo(Modulo de extração de de extração de dados de saída do WRF para SWIFT)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…temperatura…

NN--SWIFT : SWIFT : (versão (versão aninhadaaninhada do SWIFT)do SWIFT)

� 4° nível de aninhamento: Escala Urbana

� ~80*80 pontos na malha

� Resolução Horizontal: 1.5 km

� 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

SISTEMA DE MODELAGEM AR DO RIO:PLATAFORMA DA MODELAGEM : QUALIDADE DO AR REGIONAL (I)

MODELO CHIMEREMODELO CHIMEREDesenvolvido pelo Instituto PierreDesenvolvido pelo Instituto Pierre--Simon Laplace ( IPSL/CNRS), INERIS, LISA (CNRS) Simon Laplace (IPSL/CNRS), INERIS, LISA (CNRS)

por:por:Bernard AUMONT, Bernard AUMONT, MatthiasMatthias BEEKMANN, Bertrand BESSAGNET, BEEKMANN, Bertrand BESSAGNET, NadègeNadège BLOND, Claude DEROGNAT, Alma HODZIC, BLOND, Claude DEROGNAT, Alma HODZIC, CécileCécile HONORE, Laurent MENUT, Jean ROUX, Hawke SCHMIDT, Robert VAUTARD HONORE, Laurent MENUT, Jean ROUX, Hawke SCHMIDT, Robert VAUTARD .....

Modelo de transporte químico determinístico de multiescal a inicialmente dedicado aprevisões diárias de poluentes gasosos e partículas em suspensão.

Aplicação:

� Ferramenta operacional de previsão da qualidade do ar, para O3 e NO2 à J+0, J+1 et J+2

� Suporte aos estudos qualitativos sobre a sensibilidade da poluição aos diferentes fatores quecontribuem (Redução das emissões de tráfego, controle de emissões industriais, implantação de novasindustrias…)

� Pesquisa: Em laboratórios digitais onde as experiências de sensibilidade são efetuadas, e novasparametrização 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 ObservaçãoIntensiva)

Abrange escalas espaciais variadas que variam de escala regional (vários milhares dequilômetros) a escala urbana (100-200 km).

Funciona com vários mecanismos químicos, simplificados ou mais complexos, com ou semaerossóis primários e secundários, sais marinhos...

SISTEMA DE MODELAGEM AR DO RIO:PLATAFORMA DA MODELAGEM : QUALIDADE DO AR REGIONAL (II)

SISTEMA DE MODELAGEM AR DO RIO: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 � 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) /� Mecanismo químico reduzido:120 reações e 44 espécies (e conceito de operadores químicos)

Deposição� Abordagem das “Resistências” (Wesely et al., 1989), (Wesely eHickx, 1977)� Nas nuvens: deposição úmida de ácido nítrico (HNO3) e amônio (NH3) 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

SISTEMA DE MODELAGEM AR DO RIO:PLATAFORMA DA MODELAGEM : QUALIDADE DO AR REGIONAL (IV)

Configuração dos domíniosConfiguração dos domínios� 3 níveis de aninhamento

� 0.24°, 0.08°, 0.027° de resolução horizontal

� 54*54 pontos na malha

� O maior possível incluído no WRF são equivalentes

ForçanteForçante Meteorológica :Meteorológica : WRF

Condições de contornoCondições de contorno� LMDZ-Inca para a fase gasosa

Escala Grande (LS)

Escala Regional (RS)

Escala Local (LcS)

� LMDZ-Inca para a fase gasosa

� GOCART para a fase de particulados

Inventário de emissãoInventário 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

SISTEMA DE MODELAGEM AR DO RIO: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: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.

Escala Zoom FARM

Escala Local CHIMERE

Escala Urbana FARM

Configuração dos domíniosConfiguração dos domínios::� Idênticos aos abrangidos por SWIFT

��Próximas etapas: Próximas etapas: 1. Finalizar as configurações padrão

2. Ativar no sistema, previsão e cenário

3. Comparação medição/cálculo após CHIMERE

SISTEMA DE MODELAGEM AR DO RIO:PLATAFORMA DA MODELAGEM : QUALIDADE DO AR LOCAL (I)

SISTEMA DE MODELAGEM AR DO RIO:MODO DE CENÁRIO: INTERFACE USUÁRIO (I)

WRF/CHIMERE IHMWRF/CHIMERE IHMSimulação 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

SISTEMA DE MODELAGEM AR DO RIO:MODO DE CENÁRIO: INTERFACE USUÁRIO (II)

GFS Inventário de Emissão

SISTEMA DE MODELAGEM AR DO RIO:MODO DE CENÁRIO: INTERFACE USUÁRIO (III)

EWBGoogleEarth

IVT

Earth

SISTEMA DE MODELAGEM AR DO RIO:MODO DE PREVISÃO : DIFUSÃO WEB (I)

Divulgação externa dos resultados da previsão diáriaDivulgação externa dos resultados da previsão diáriaObjetivo

�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 Visualização �OpenLayers (com ou sem extração de séries cronológicas)�Interface de Programação Web Google Earth (Interface de programação de aplicativos ou API)

meteorology

emission

Air Quality

Usuá

Plataforma da Modelagem

SISTEMA DE MODELAGEM AR DO RIO:MODO DE PREVISÃO : DIFUSÃO WEB (II)

Widgeb/App Web

ários

Lenvis grid data web service

Lenvis REST service

Difusão já em funcionamento porém limitada

�Único usuário�Sistema de autenticação

Implementação condicionada

SISTEMA DE MODELAGEM AR DO RIO:MODO DE PREVISÃO : DIFUSÃO WEB (III) : EXEMPLO LENVIS

Plataforma de modelagem

Meteorologia

Emissão

Widget para aplicação no iPhone (Android em desenvolvimento)