GREGORI DE ARRUDA MOREIRA

GREGORI DE ARRUDA MOREIRA

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Analyzing the turbulent planetary boundary layer by remote sensing systems
2019 - MOREIRA, GREGORI de A.; GUERRERO-RASCADO, JUAN L.; BENAVENT-OLTRA, JOSE A.; ORTIZ-AMEZCUA, PABLO; ROMAN, ROBERTO; BEDOYA-VELASQUEZ, ANDRES E.; BRAVO-ARANDA, JUAN A.; REYES, FRANCISCO J.O.; LANDULFO, EDUARDO; ALADOS-ARBOLEDAS, LUCAS
The planetary boundary layer (PBL) is the lowermost region of troposphere and is endowed with turbulent characteristics, which can have mechanical and/or thermodynamic origins. This behavior gives this layer great importance, mainly in studies about pollutant dispersion and weather forecasting. However, the instruments usually applied in studies of turbulence in the PBL have limitations in spatial resolution (anemometer towers) or temporal resolution (instrumentation aboard an aircraft). Ground-based remote sensing, both active and passive, offers an alternative for studying the PBL. In this study we show the capabilities of combining different remote sensing systems (microwave radiometer – MWR, Doppler lidar – DL – and elastic lidar – EL) for retrieving a detailed picture on the PBL turbulent features. The statistical moments of the high frequency distributions of the vertical wind velocity, derived from DL, and of the backscattered coefficient, derived from EL, are corrected by two methodologies, namely first lag correction and 􀀀2=3 law correction. The corrected profiles, obtained from DL data, present small differences when compared with the uncorrected profiles, showing the low influence of noise and the viability of the proposed methodology. Concerning EL, in addition to analyzing the influence of noise, we explore the use of different wavelengths that usually include EL systems operated in extended networks, like the European Aerosol Research Lidar Network (EARLINET), Latin American Lidar Network (LALINET), NASA Micro-Pulse Lidar Network (MPLNET) or Skyradiometer Network (SKYNET). In this way we want to show the feasibility of extending the capability of existing monitoring networks without strong investments or changes in their measurements protocols. Two case studies were analyzed in detail, one corresponding to a well-defined PBL and another corresponding to a situation with presence of a Saharan dust lofted aerosol layer and clouds. In both cases we discuss results provided by the different instruments showing their complementarity and the precautions to be applied in the data interpretation. Our study shows that the use of EL at 532 nm requires a careful correction of the signal using the first lag time correction in order to get reliable turbulence information on the PBL.
Análises da camada limite planetária a partir de sistemas de sensoriamento remoto
2018 - MOREIRA, GREGORI de A.
A Camada Limite Planetária (PBL - Planetary Boundary Layer) é uma parte relevante da atmosfera com uma extensão variável e que claramente desempenha um papel importante em áreas de estudo, como: a qualidade do ar ou a previsão do tempo. Sistemas de sensoriamento remoto passivo e ativo têm sido amplamente utilizado para analisar as características da PBL. A combinação de diferentes técnicas de sensoriamento remoto permite obter uma imagem completa da dinâmica desta camada. Neste estudo, analisamos o comportamento da PBL utilizando quatro tipos de sistemas de sensoriamento remoto: Radiômetro de Micro-ondas (MWR), Lidar Elástico (EL), Lidar Doppler (DL) e Ceilômetro. As medições foram realizadas em duas cidades, Granada (Espanha) e São Paulo (Brasil). Primeiramente, em Granada, a altura da PBL (PBLH) obtida a partir dos dados do MWR foi validada pela PBLH gerada pela análise dos dados de radiossondas, mostrando uma boa concordância. Em um segundo estágio, sistemas ativos de sensoriamento remoto foram usados para a obtenção da PBLH. Assim, o método do filtro de Kalman foi aplicado aos dados do EL enquanto o método da variância da velocidade vertical do vento foi aplicado aos dados do DL. As PBLH derivadas dessas abordagens foram comparadas com o PBLH fornecida pelo MWR, sendo que os resultados mostram uma boa concordância na maioria dos casos, embora algumas discrepâncias apareçam nas situações de mudanças intensas da PBL (crescimento e/ou diminuição). Em seguida, é realizada a análise dos dados das medidas coletadas com um ceilômetro e um radiômetro de micro-ondas durante quatro e cinco anos, respectivamente, em Granada. As metodologias aplicadas para a detecção da PBLH (método de gradiente para o ceilômetro e a combinação do método de parcela e do método de gradiente de temperatura para o radiômetro de micro-ondas) forneceram uma descrição satisfatória da estrutura da PBL em casos simples. Além disso, o comportamento da PBL foi caracterizado por um estudo estatístico das PBLH convectiva e estável, as quais foram obtidas a partir das medidas do radiômetro de micro-ondas. A análise do estudo estatístico realizado para a PBLH mostra algumas coincidências com outros estudos já realizados para a mesma variável, como o padrão diário e os ciclos anuais. Mas também há algumas diferenças, as quais são causadas por latitudes, topografia e clima distintos. Foi realizada também uma análise combinada de longo prazo da Camada Residual (gerada pelos dados do Ceilômetro) e da Camada Estável e Convectiva (obtida pelos dados do radiômetro de micro-ondas), oferecendo assim um quadro completo da evolução da PBL por combinação sinérgica de técnicas de sensoriamento remoto. Essa é a razão pela qual sistemas com alta resolução temporal e espacial, como os lidars, têm sido cada vez mais aplicados em estudos sobre essa região atmosférica. Neste trabalho, também foi realizada, em São Paulo, uma análise do sinal retroespalhado em três comprimentos de onda (355, 532 e 1064 nm), o qual provê informações da turbulência através da análise dos momentos de alta ordem (variância, assimetria e curtose). O comprimento de onda de 355 nm apresenta pouca aplicabilidade na metodologia proposta, devido à sua baixa intensidade (por conta da predominância do retroespalhamento molecular) e grande presença de ruído, enquanto o comprimento de onda de 532 nm apresentou resultados semelhantes aos fornecidos pelo comprimento de onda de 1064 nm, o qual foi usado como referência. Em seguida, foram analisados dois estudos de caso utilizando os comprimentos de onda de 532 e 1064 nm (em separado). Essa abordagem forneceu informações sobre a altura da PBL (derivada pelo método de variância (Menut et al., 1999), deslocamento de camadas de aerossol (assimetria) e nível de mistura em várias alturas (curtose), mostrando a viabilidade da metodologia proposta, quando os comprimentos de onda de 532 e 1064 nm são usados para a descrição da PBL a partir dos momentos de alta ordem. Além disso, demonstrou-se, com dados de DL, EL e MWR obtidos em Granada, como algumas variáveis (temperatura do ar, concentração de aerossóis, vento vertical, umidade relativa e radiação líquida) podem influenciar a dinâmica da PBL. Os momentos de alta ordem das distribuições de velocidade vertical derivadas dos dados do DL e o sinal retroespalhado obtido a partir do EL foram corrigidos por duas metodologias (first lag e correção de -2/3). Os perfis corrigidos apresentam pequenas diferenças quando comparados com os perfis não corrigidos, mostrando baixa influência do ruído e a viabilidade da metodologia proposta. Foi realizada uma análise detalhada de dois estudos de casos, o primeiro correspondendo a uma PBL bem definida, enquanto o segundo corresponde a uma situação com a presença de uma camada de nuvens e poeira saariana. Em ambos os casos, os resultados fornecidos pelos diferentes instrumentos acabaram se complementando, de modo que o uso sinérgico dos diferentes sistemas nos permitiu um monitoramento detalhado da PBL.
Study of the planetary boundary layer by microwave radiometer, elastic lidar and Doppler lidar estimations in Southern Iberian Peninsula
2018 - MOREIRA, GREGORI de A.; GUERRERO-RASCADO, JUAN L.; BRAVO-ARANDA, JUAN A.; BENAVENT-OLTRA, JOSE A.; ORTIZ-AMEZCUA, PABLO; ROMAN, ROBERTO; BEDOYA-VELASQUEZ, ANDRES E.; LANDULFO, EDUARDO; ALADOS-ARBOLEDAS, LUCAS
The Planetary Boundary Layer (PBL) is a relevant part of the atmosphere with a variable extension that clearly plays an important role in fields like air quality or weather forecasting. Passive and active remote sensing systems have been widely applied to analyze PBL characteristics. The combination of different remote sensing techniques allows obtaining a complete picture on the PBL dynamic. In this study, we analyze the PBL using microwave radiometer, elastic lidar and Doppler lidar data. We use co-located data simultaneously gathered in the framework of SLOPE-I (Sierra Nevada Lidar aerOsol Profiling Experiment) campaign at Granada (Spain) during a 90- day period in summer 2016. Firstly, the PBL height (PBLH) obtained from microwave radiometer data is validated against PBLH provided by analyzing co-located radiosondes, showing a good agreement. In a second stage, active remote sensing systems are used for deriving the PBLH. Thus, an extended Kalman filter method is applied to data obtained by the elastic lidar while the vertical wind speed variance method is applied to the Doppler lidar. PBLH′s derived by these approaches are compared to PBLH retrieved by the microwave radiometer. The results show a good agreement among these retrievals based on active remote sensing in most of the cases, although some discrepancies appear in instances of intense PBL changes (either growth and/or decrease).
Estimating the planetary boundary layer height from radiosonde and doppler lidar measurements in the city of São Paulo - Brazil
2018 - MARQUES, MARCIA T.A.; MOREIRA, GREGORI de A.; PINERO, MACIEL; OLIVEIRA, AMAURI P.; LANDULFO, EDUARDO
This study aims to compare the planetary boundary layer height (PBLH) values estimated by radiosonde data through the bulk Richardson number (BRN) method and by Doppler lidar measurements through the Carrier to Noise Ratio (CNR) method, which corresponds to the maximum of the variance of CNR profile. The measurement campaign was carried during the summer of 2015/2016 in the city of São Paulo. Despite the conceptual difference between these methods, the results show great agreement between them.
A new methodology for PBL height estimations based on lidar depolarization measurements: analysis and comparison against MWR and WRF model-based results
2017 - BRAVO-ARANDA, JUAN A.; MOREIRA, GREGORI de A.; NAVAS-GUZMAN, FRANCISCO; GRANADOS-MUNOZ, MARIA J.; GUERRERO-RASCADO, JUAN L.; POZO-VAZQUEZ, DAVID; ARBIZU-BARRENA, CLARA; REYES, FRANCISCO J.O.; MALLET, MARC; ARBOLEDAS, LUCAS A.
The automatic and non-supervised detection of the planetary boundary layer height (z(PBL)) by means of lidar measurements was widely investigated during the last several years. Despite considerable advances, the experimental detection still presents difficulties such as advected aerosol layers coupled to the planetary boundary layer (PBL) which usually produces an overestimation of the z(PBL). To improve the detection of the z(PBL) in these complex atmospheric situations, we present a new algorithm, called POLARIS (PBL height estimation based on lidar depolarisation). POLARIS applies the wavelet covariance transform (WCT) to the range-corrected signal (RCS) and to the perpendicular-to-parallel signal ratio (delta) profiles. Different candidates for z(PBL) are chosen and the selection is done based on the WCT applied to the RCS and delta. We use two ChArMEx (Chemistry-Aerosol Mediterranean Experiment) campaigns with lidar and microwave radiometer (MWR) measurements, conducted in 2012 and 2013, for the POLARIS' adjustment and validation. POLARIS improves the z(PBL) detection compared to previous methods based on lidar measurements, especially when an aerosol layer is coupled to the PBL. We also compare the z(PBL) provided by the Weather Research and Forecasting (WRF) numerical weather prediction (NWP) model with respect to the z(PBL) determined with POLARIS and the MWR under Saharan dust events. WRF underestimates the z(PBL) during daytime but agrees with the MWR during night-time. The z(PBL) provided by WRF shows a better temporal evolution compared to the MWR during daytime than during night-time.
Comparison between two algorithms based on different wavelets to obtain the planetary boundary layer height
2014 - MOREIRA, GREGORI de A.; LOPES, FABIO J. da S.; GUERRERO RASCADO, JUAN L.; GRANADOS MUNOZ, MARIA J.; BOURAYOU, RIAD; LANDULFO, EDUARDO
A comparison between image methods and WRF model in determination the top of atmospheric boundary layer
2013 - MOREIRA, GREGORI de A.; LANDULFO, EDUARDO; SANTIAGO, ALEXANDRE M.; SALVADOR, NADIR; LORIATO, AYRES G.; ALBUQUERQUE, TACIANA T. de A.; REIS JUNIOR, NEYVAL C.
Métodos para obtenção da altura da camada limite planetária a partir de dados de Lidar
2013 - MOREIRA, GREGORI de A.
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.