Sensitivity analysis of atmospheric phenomena models for precipitation assessment on the Paraíba do Sul River Watershed

Authors

DOI:

https://doi.org/10.5902/2179460X66757

Keywords:

Atmospheric modeling system, Rainfall simulation, Convective Boundary Condition, Cloud microphysics

Abstract

This paper is aimed at performing a group of experiments to evaluate the sensitivity to cumulus and microphysics schemes, as represented in numerical simulations of the Weather Research and Forecasting (WRF) model. The convective schemes of Kain-Fritsch (KF), Betts-Miller-Janjic (BMJ), Grell-Devenyi (GD), Grell-Freita (GF), Grell 3D (G3D), Tiedtke and New Tiedtke (NT) were tested in association with the microphysics schemes of Kessler, Purdue Lin, WSM3, WSM5, WSM6, ETA (Ferrier) and Goddard (totaling forty-nine experiments) in order to identify the combination which best represents the cumulative rainfall distribution in the Paraíba do Sul watershed. In order to evaluate the best performance experiments, they were submitted to statistical tests of bias (BIAS), root mean square error (RMSE), absolute mean error (MAE) and Coefficient of Determination (R2). Results show that combinations WSM5 and GD; Goddard and G3D; Perdue Lin and G3D; WSM5 and G3D form a group of four physical configurations statistically similar and able to predict well the mean rainfall in the Paraiba do Sul watershed. It was noticed also that the cumulus scheme has a greater weight than microphysics in rainfall simulations being GD3 the best performing.

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Author Biographies

Dhiego Silva Sales, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense, Macaé, RJ

Possui graduação em Geografia pelo Instituto Federal Fluminense (2010), pós-graduação lato sensu em Geografia e Meio Ambiente pela FACCREI (2015), pós-graduação lato sensu em Engenharia do Petróleo e Gás pela UCP (2016) e mestrado em Engenharia Ambiental pelo Instituto Federal Fluminense (2020). Na indústria, tem experiência em geotecnologias aplicadas à indústria do petróleo, atuando principalmente nos seguintes temas: operações de construção subsea. Na área de educação, tem experiência em ensino de geografia para o ensino médio e completação e perfuração de poços de petróleo para o curso técnico de petróleo e gás do IFF. Desenvolve pesquisa na área de modelagem computacional de sistemas ambientais, atuando principalmente nos seguintes temas: geoprocessamento e sensoriamento remoto, simulação hidrológica, simulação chuva-vazão e simulação para estudo de Ilha de Calor Urbana.

Jader Lugon Junior, Instituto Federal Fluminense, Campos dos Goytacazes, RJ

Jader Lugon Junior é bolsista DT nível 2 pelo CNPq de Produtividade em Desenvolvimento Tecnológico e Extensão Inovadora, fez estágio de pós-doutorado (2018-2019) sob a supervisão do Professor Antônio José da Silva Neto em Modelagem Computacional no Instituto Politécnico da Universidade do Estado do Rio de Janeiro (nota 6 CAPES), onde também concluiu o doutorado (2005) e mestrado (2000). Ele completou sua especialização em Engenharia de Segurança do Trabalho (2010) e a sua graduação como Engenheiro Mecânico (1985) pela Universidade Federal Fluminense. Atua no Instituto Federal Fluminense (IFFluminense) como Coordenador do Doutorado Profissional em Modelagem e Tecnologia para Meio Ambiente Aplicadas em Recursos Hídricos, como Professor no curso de Mestrado Profissional em Engenharia Ambiental e no curso de graduação de Engenharia de Controle e Automação. Orientou 2 teses de doutorado, 20 dissertações de mestrado, além de ter orientado 13 trabalhos de iniciação científica e 6 trabalhos de conclusão de curso de graduação. Participa do grupo de pesquisa NUPERN - Núcleo de Pesquisa em Petróleo, Energia e Recursos Naturais (IFFluminense), do NPGRH - Núcleo de Pesquisa em Gestão Recursos Hídricos (IFFluminense) e colabora com pesquisadores do LEMA - Laboratório Patrícia Oliva Soares de Experimentação e Simulação Numérica em Transferência de Calor e Massa (IPRJ UERJ). Atua na área de Engenharia Mecânica com ênfase em Fenômenos de Transporte. Em seu currículo Lattes os termos mais frequentes no contexto de produção científica e tecnológica são: Estudos Ambientais, Recursos Hídricos, Problema Inverso, Difusão Anômala, Adsorção Gás-Líquido, Secagem e Transferência de Massa.

Vicente de Paulo Santos de Oliveira, Instituto Federal Fluminense, Campos dos Goytacazes, RJ

É professor Titular do Instituto Federal Fluminense e Doutor em Engenharia Agrícola pela Universidade Federal de Viçosa (2003) formado na Área de Concentração em Recursos Hídricos e Ambientais. Atua em cargos de direção no IFFluminense desde de 2007, onde foi Diretor da Unidade de Pesquisa e Extensão Agroambiental (UPEA) nos períodos de jan/2007 a mar/2008 e de abr/2012 a abr/ 2016, período no qual coordenou o credenciamento da Unidade junto a EMBRAPII com aprovação em março de 2015, e a UPEA passou a se denominar Polo de Inovação Campos dos Goytacazes do IFFluminense (PICG) pela Portaria MEC Nº 819 de 13/8/2015. Foi Pró-Reitor de Pesquisa, Extensão e Inovação do IFFluminense no período de abril/2016 a junho/2020. É Coordenador do Núcleo de Pesquisas em Gestão dos Recursos Hídricos (NPGRH), Conselheiro do Comitê da Bacia Hidrográfica do Baixo Paraíba do Sul e do Itabapoana (CBHBPSI), dos Conselhos Consultivos da Estação Ecológica Estadual Guaxindiba (EEEG) e da Reserva Particular do Patrimônio Natural Fazenda Caruara (RPPN Caruara). Tem experiência na área de Engenharia Agrícola, com ênfase em Conservação de Solo e Água, atuando principalmente nos seguintes temas: recursos hídricos, conservação de água/solo e educação ambiental. Atualmente é Diretor de Implantação do Campus Itaboraí e de Projetos de Sustentabilidade do IFFluminense, onde atua como professor do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental (PPEA), do Mestrado Profissional em Propriedade Intelectual e Transferência de Tecnologia para Inovação (ProfNIT) e do Doutorado Profissional em Modelagem e Tecnologia para o Meio Ambiente Aplicadas em Recursos Hídricos (AmbHidro). ´ É Bolsista de Produtividade Desen. Tec. e Extensão Inovadora do CNPq - Nível 2.

Nivaldo Silveira Ferreira, Universidade Estadual Norte Fluminense, Macaé, RJ

Possui graduação em Meteorologia pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (1986), mestrado em Meteorologia pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (1991) e doutorado em Meteorologia pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (2002). Atualmente é professor associado da Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro. Tem experiência na área de Geociências, com ênfase em Meteorologia Dinâmica, atuando principalmente nos seguintes temas: semi-árido - técnica computacional de localização da zcit, previsão numérica de tempo - técnicas computacionais de assimilação de dados em modelos de área limitada, precipitação, meteorologia dinâmica e vórtice ciclônico de ar superior.

Antônio José Silva Neto, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Nova Friburgo, RJ

Antônio José da Silva Neto é Engenheiro Mecânico/Nuclear (UFRJ,1983), M.Sc. em Engenharia Nuclear (COPPE/UFRJ, 1989) e Ph.D. em Engenharia Mecânica (North Carolina State University, 1993). Trabalhou na Comissão Nacional de Energia Nuclear (1984-1986), na Promon Engenharia (1986-1997), e desde 1997 é professor no Instituto Politécnico da Universidade do Estado do Rio de Janeiro (Prof. Adjunto 1997-2012, Prof. Associado 2012-2013, Prof. Titular 2013- ). É membro titular da Academia Nacional de Engenharia (2017- ). Foi Coordenador de Área da FAPERJ em Engenharia Mecânica e Nuclear (2012-2018). Foi Presidente (2014-2017) da Sociedade Brasileira de Matemática Aplicada e Computacional (SBMAC), 1o. Vice-Presidente (2010-2013) e membro do Conselho (2005-2009). Foi Presidente (2009-2013) da Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas (ABCM), Vice-Presidente (2005-2009) e Diretor Secretário (2001-2005). Foi membro do Conselho Deliberativo do CNPq (2014-2016). Criou a Secretaria Municipal de Ciência, Tecnologia, Inovação e Ensino Profissionalizante e Superior, em Nova Friburgo, RJ, e foi o Secretário (Jan/2010 a Maio/2011). Desde 2007 coordena projetos de cooperação internacional com a Universidade Tecnológica de Havana José Antonio Echeverría de Cuba (CUJAE/Cuba). Em 2014 recebeu o título honorífico de Professor Convidado da CUJAE/Cuba. É Cientista do Nosso Estado (FAPERJ) desde 2002. É Procientista da UERJ (Concurso interno) desde 1997. Publicou 15 livros, seis pela Springer-Verlag (três como editor), dois pela EdUERJ (um como editor), um pela Editora Manole (como editor), 2º colocado na Categoria Educação do Prêmio Jabuti 2011, um pela Editora Omnipax (como editor), um pela Editora Alternativa, e quatro pela SBMAC (um como editor), 61 capítulos, 165 artigos em periódicos e 457 trabalhos completos em eventos. Seu índice h na base Scopus é 18 (https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=6701634821), na Web of Science é 15 (https://publons.com/researcher/3076930/antonio-jose-silva-neto/metrics/) e no Google Scholar é 26 (https://scholar.google.com.br/citations?user=e9_8y2IAAAAJ&hl=pt-BR&oi=ao). Supervisionou 14 pós-doutores. Orientou 29 teses de doutorado (sendo nove como coorientador); orientou 48 dissertações de mestrado (sendo 13 como coorientador); além de ter orientado 49 trabalhos de iniciação científica e 59 de conclusão de curso. É Editor Associado dos periódicos Journal of Heat Transfer (JHT), Inverse Problems in Science and Engineering (IPSE), Computational & Applied Mathematics (CAM) e Tendências em Matemática Aplicada e Computacional (TEMA). Participou da criação do Doutorado Profissional em Modelagem e Tecnologia para Meio Ambiente Aplicadas em Recursos Hídricos, AmbHidro, do Instituto Federal Fluminense (2019). Participou da Comissão de Avaliação Interdisciplinar da CAPES (2006-2016), tendo sido o Presidente Adjunto da Câmara Temática de Engenharia, Tecnologia e Gestão (2008-2016). Foi Coordenador do Programa de Pós-Graduação em Modelagem Computacional do Instituto Politécnico da UERJ (2005-2007). Foi membro da comissão de criação do Curso de Graduação em Engenharia Mecânica do Instituto Politécnico da UERJ (1997-1998). Foi Diretor Técnico Científico do Instituto Metal-Mecânico de Nova Friburgo (2003-2006 e 2012-2013). Foi o Coordenador de Projetos e Desenvolvimento Tecnológico do Instituto Politécnico da UERJ (1997-2008 e 2012-2013). Entre 1997 e 2020 coordenou/participou de 125 projetos de pesquisa e/ou extensão. Desde 1991 é membro das Sociedades de Honra Acadêmica Phi Kappa Phi e Pi Mu Epsilon. Atua na área de Engenharia Mecânica, com ênfase em Transferência de Calor, e em Matemática Aplicada e Computacional, com ênfase em Métodos Numéricos. Em seu Currículo Lattes os termos mais frequentes na contextualização da produção científica e tecnológica são: Problemas Inversos, Radiação Térmica, Condução de Calor, Equação de Boltzmann, Meios Participantes e Estimativa de Termo Fonte.

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2022-12-01 — Updated on 2022-12-06

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Sales, D. S., Junior, J. L., Oliveira, V. de P. S. de, Ferreira, N. S., & Silva Neto, A. J. . (2022). Sensitivity analysis of atmospheric phenomena models for precipitation assessment on the Paraíba do Sul River Watershed. Ciência E Natura, 44, e55. https://doi.org/10.5902/2179460X66757 (Original work published December 1, 2022)

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Vol. 44 (2022): Continuous Publication

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Meteorology

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