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 – 92100 Boulogne Billancourt – France
Telephone: +33 (0)1 46 08 68 60 – Fax: +33 (0)1 41 41 93 17
E-mail: [email protected] – http:/ /www.aria.fr
SISTEMA DE MODELAGEM AR DO RIO:
APRESENTAÇÃO GERAL
Cenário
Previsão
diária
Plataforma de
modelagem
Qualidade
do ar
Emissão
Meteorologia
SISTEMA DE MODELAGEM AR DO RIO:
CONEXÃO DE REDE
SISTEMA DE MODELAGEM AR DO RIO:
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
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
Vento
Fontes
Naturais
Fontes
Fixas
Fontes
Área
Fontes
móveis
Umidade
Temperatura
Radiação
Solar
Precipitação
Camada
Limite
Campos
meteorológicos
Concentração de
poluentes gasosos
GUI
Concentração de
poluentes de partículas
Campo de
concentração
Aplicativo Web
5
SISTEMA DE MODELAGEM AR DO RIO:
PLATAFORMA DA MODELAGEM: METEOROLOGIA REGIONAL: WRF (I)
WRF: (Weather Research and Forecast Model
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 nãonão-hidrostático
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 domínios
Escala Grande (LS)
Escala Local (LcS)
Escala Regional (RS)
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 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:
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
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
SIG
Shape file
Shaft
calmin-metmin-relmin-rugmin
obsmin
Micro-Swift
Binaire ARIA de Champs Météorologiques 3D
Arconv
Netcdf
SISTEMA DE MODELAGEM AR DO RIO:
PLATAFORMA DA MODELAGEM: METEOROLOGIA LOCAL: SWIFT
WRF2ARIA
(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 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:
1. Comparação medição/cálculo
2. Calibração do modelo WRF
SWIFT Escala Zoom
SWIFT Escala Urbana
WRF Escala Local
SISTEMA DE MODELAGEM AR DO RIO:
PLATAFORMA DA MODELAGEM: QUALIDADE DO AR REGIONAL (I)
MODELO CHIMERE
Desenvolvido pelo Instituto PierrePierre-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 O3 e NO2 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 (100-200 km).
Funciona com vários mecanismos químicos, simplificados ou mais complexos, com ou sem
aerossóis 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 m2.s-1) : Troen e Mahrt (1986)
Química
Solver : algoritmo de segunda ordem TWOSTEP (Verwer,1994), e baseado na aplicação do esquema de iterações GaussSeidel
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 domínios
Escala Grande (LS)
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
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:
1. Comparação medição/cálculo
2. Primeiro diagnóstico no nível de
preenchimento do inventário de emissão
Escala Local (LcS)
Escala Regional (RS)
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:
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.
SISTEMA DE MODELAGEM AR DO RIO:
PLATAFORMA DA MODELAGEM: QUALIDADE DO AR LOCAL (I)
Configuração dos domínios:
domínios:
Escala Zoom FARM
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 Urbana FARM
Escala Local CHIMERE
SISTEMA DE MODELAGEM AR DO RIO:
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
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)
EWB
Google
Earth
IVT
SISTEMA DE MODELAGEM AR DO RIO:
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)
SISTEMA DE MODELAGEM AR DO RIO:
MODO DE PREVISÃO : DIFUSÃO WEB (II)
Plataforma da
Modelagem
Air Quality
emission
meteorology
U
s
u
á
r
i
o
s
Lenvis grid data
web service
Widgeb/App Web
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
Emissão
Meteorologia
Widget para
aplicação no iPhone
(Android em
desenvolvimento)