Diagnosis and impact of time variations of regionally averaged background error covariances

Tese de doutoramento, Ciências Geofisicas e da Geoinformação (Meteorologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2012Current data assimilation systems aim at produce the best possible estimate of the atmospheric state to be used as initial conditions by a forecasting model. This estimate is called the model analysis. In the formalism of the Three-Dimensional Variational Data Assimilation (3D-Var), the analysis should minimize a quadratic cost function that measures the distance between the estimate and the available information, namely the observations and the background, taking into account their respective precisions. Observation error covariances contain information about errors in the observation process (measurement and representativeness uncertainties). Background error covariances are used to filter and propagate the observational information in a spatial multivariate way. They compose the gain matrix that determines how the analysis increments (that is to say, the analysis corrections to the background) are obtained from the innovations (i.e., the differences between observations and background at the observation locations). However, since the true atmospheric state can not be exactly known, background error covariances (in particular) can only be estimated. Nowadays, Numerical Weather Prediction (NWP) centers often use an off-line specification of background error covariances. This relies on running an ensemble of perturbed assimilation cycles during a past period, to simulate the error evolution during the successive analysis/forecast steps. Moreover, as the full background error covariance matrix is far too large to be handled explicitly, sparse covariance models are usually employed, and they are calibrated by using ensemble forecast perturbations. These sparse covariance models are often based on simplifications such as horizontal homo geneity and temporal stationarity. This is the case of the ALADIN/France regional system which has been used in this study. The impact of seasonal and daily variations are studied. Results indicate that specifying background error covariances corresponding to a one-day sliding average (preceding each each analysis date) has a positive impact on the short-range forecast quality, compared to the currently operational static covariances. This positive impact arises to a large extent from the update of the monthly component of covariance variations. The update of the daily component contributes to additional positive impacts, which are however relatively localized and modest during this period. These impacts are illustrated by case studies for humidity during an anticyclonic situation, and for wind during a cyclonic event. These results support the idea to consider an on-line updated specification of background error covariances.Em previsão numérica do tempo (PNT), um sistema de assimilação de dados tem como objetivo produzir a melhor estimativa possível do estado da atmosfera num dado instante utilizando toda a informação relevante disponível. Esta estimativa ´e conhecida como ”análise” e visa fornecer condições iniciais de qualidade a um modelo de previsão numérica. Como informação relevante consideram-se tipicamente as observações e uma estimativa conhecida a priori que normalmente corresponde a uma previsão de curto alcance, obtida por integração do modelo numérico a partir de uma análise anterior. As observações são de dois tipos: as observações in situ (como são as observações de altitude resultantes de radiossondagens e as observações de superfície obtidas a partir de uma rede de estacões assentes sobre a superfície terrestre) e por deteção remota (como são as radiações medidas a partir de satélites geostacionários ou de ´orbita polar e ainda as refletividades medidas por radares meteorológicos). No formalismo da assimilação variacional tri-dimensional conhecido como 3D-Var, a análise resulta da minimização de uma função custo quadrática que mede a distância da análise às observações e à estimativa a priori tomando em consideração a precisão com que estas fontes de informação são conhecidas. Em particular, é utilizada a covariância dos erros das observações. Esta covariância contêm a informação sobre os erros de medição e de representatividade que afetam as observações. É também utilizada a covariância dos erros da estimativa a priori com a função de filtrar e propagar, espacialmente e de forma multivariada, a informação observada. Estas duas entidades, a matriz de covariância dos erros das observações e a matriz de covariância dos erros da estimativa a priori, compõem a chamada ”matriz ganho” da equação da análise. Esta equação determina como é que as correções à estimativa a priori (i.e., os incrementos da análise) são obtidas a partir das inovações (i.e., as diferenças entre as observações e a estimativa a priori nos locais das observações). Contudo, dado que o estado exato da atmosfera não pode ser conhecido, também as covariâncias dos erros apenas podem ser estimadas com base em hipóteses que só podem ser confirmadas, ou não, a posteriori em amostras independentes daquelas onde se calibram as estatísticas dos erros. Este é um dos principais desafios científicos da assimilação de dados na atualidade. Os centros modernos de PNT usam frequentemente uma especificação da covariância dos erros da estimativa a priori que é obtida por processos independentes do ciclo de assimilação em tempo não-real. Dado que não varia ao longo do ciclo de assimilação, diz-se tratar-se de uma especificação de tipo ”estático”. Além disso, recorrem a técnicas de ensemble baseadas na perturbação do ciclo de assimilação durante um determinado período de tempo (passado) para simular a evolução dos erros ao longo dos diversos passos da análise e da previsão (por dizer respeito a estados passados da atmosfera, esta especificação é vulgarmente designada de ”climatológica”). Como a matriz da covari ância dos erros da estimativa a priori é demasiado grande para ser manipulada de forma explícita, os centros de PNT também empregam modelos que envolvem apenas matrizes esparsas de covariâncias, os quais são calibrados a partir de ensembles de previsões perturbadas usando metodologias mais ou menos simplificadas e eventualmente sub-optimizadas. Muito frequentemente, estes modelos são baseados em simplificações, como são as da homogeneidade espacial e a da estacionaridade dos erros, que inibem a representação da dependência da covariância com a evolução da situação meteorológica. Em particular, esta inibição ´e intrínseca `a atual versão operacional do modelo de área limitada ALADIN/France utilizado neste estudo. Esta tese em Assimilação de Dados tem como objetivo principal demonstrar, num contexto real de PNT, a importância duma representação adequada das variações temporais da covariância do erro da estimativa a priori que é utilizada num sistema de área limitada. Tendo como base o sistema numérico de área limitada ALADIN/France, este estudo evidencia claramente o efeito positivo resultante da utilização de uma especificação dessas estimativas em tempo- (quasi.) real. A simulação dos erros da estimativa a priori foi efetuada por técnicas de ensemble sob a hipótese de que o modelo de previsão é perfeito, isto é , de que não existe qualquer erro do modelo (determinista ou estocástico) e para qualquer membro do ensemble. Os erros assim estimados foram utilizados para calibrar o modelo de covariâncias esparsas utilizadas no sistema ALADIN/France. A primeira fase do trabalho, descrita porMonteiro & Berre (2010), visou a generalização da hipótese de estacionaridade utilizada no cálculo das covariâncias dos erros da estimativa a priori (previsões a 6 horas), através do diagnóstico da sua variação temporal. Com base nessas estimativas, foram igualmente calculadas escalas integrais de correlação horizontal e vertical. Foi efetuado o diagnóstico da variação temporal nas estimativas da covariância em função da mudança da estacão do ano (inverno versus verão), do dia (em conexão com a mudança da situação sinóptica) e da hora (relacionada com o ciclo diurno). Para tal consideraram-se dois períodos de um mês, um no inverno e outro no verão, e em cada um destes períodos construiram-se dois sistemas de ensembles de 6 membros, os quais resultaram da perturbação independente do mesmo conjunto de observações. Esta duplicação permitiu confirmar a robustez das estatísticas. De uma forma geral, verificou-se que no verão as variâncias dos erros tendem a ser superiores às que se observam no inverno (para os parâmetros da temperatura, humidade relativa e vento). Em particular, no verão registaram-se correlações que são mais estreitas horizontalmente e mais extensas verticalmente e que estão relacionadas com o aumento da atividade convetiva na região geográfica em estudo (em comparação com a que se observa no inverno). No que respeita `as varia¸c˜oes di´arias verificou-se (no per´ıodo de inverno em estudo) que o desvio padrão do erro a priori ´e em geral maior quando a situação sinóptica tem maior instabilidade baroclínica (por exemplo, em situações de desenvolvimento depressionário) particularmente no inverno, sendo acompanhada de redução do comprimento de correlação horizontal do erro no caso da humidade e da temperatura. Além disso, observou-se que as variações diárias da variância do error são por vezes mais acentuadas do que as variações sazonais (se compararmos covariâncias para uma situação anticiclónica de inverno com as de um caso depressionário de inverno, por exemplo). Finalmente, verificou-se que as variações das covariâncias ao longo de um ciclo diurno são significativas na camada limite da atmosfera no período de verão: os desvios padrão tendem a ser maiores para as previsões válidas ao 18 UTC, quando a escala do comprimento da correlação horizontal é reduzida (especialmente para os parâmetros da humidade e da temperatura) e as funções de correlação vertical são extensas, sendo este um efeito esperado, dado o aumento da atividade convetiva que acontece com o aquecimento da superfície terrestre durante a tarde, sobre o domínio geográfico em causa. Na segunda parte do trabalho, foi estudado o efeito da variação sazonal e diária das matrizes de covariância do erro a priori sobre a qualidade das previsões do sistema ALADIN/France ao longo de um mês de inverno. Para tal realizaram-se três experiencias separadas. Na primeira consideraram-se as covariâncias calculadas a partir de uma média mensal (extática) ao longo de um período passado (esta experiencia reproduz as condições do sistema operacional em que a covariância climatológica é referente a um período de outono); na segunda, as covariâncias foram calculadas a partir de uma média mensal (extática) sobre o período de tempo em estudo (inverno); na terceira, as covariâncias foram calculadas a partir de uma média diária móvel (precedente a cada data da análise). Os resultados indicaram que a especificação das covariâncias dos erros da estimativa a priori correspondente a uma média diária móvel tem um efeito positivo na qualidade da previsão de curto prazo (para alcances entre as 12 e 18 h, para a temperatura e vento e até às 24 h para a humidade) quando comparada com a qualidade resultante de uma especificação estática climatológica (a utilizada no atual sistema operacional). Este efeito positivo resulta principalmente da atualização sazonal (do mês de outono para o mês de inverno) das covariâncias. A atualização diária contribui também para um efeito positivo adicional mas este é mais localizado e modesto. O efeito da variação diária é ilustrado através de dois casos de estudo, verificados durante o mês de inverno: uma situação anticiclónica em que a melhoria é nítida sobre a humidade e um evento ciclónico em que a melhoria é mais evidente sobre o campo do vento. Neste caso, regista-se uma melhoria da previsão extremos espaciais do vento a prazos até às 36 h. Em conclusão, os resultados obtidos sustentam a ideia de que é adequado implementar uma especificação em tempo- (quasi) real das covariâncias do erro da estimativa a priori, em substituição da atual aproximação estática climatológica e, tal como foi visto na primeira parte do trabalho, um ensemble de 6 membros já permite obter estimativas diárias robustas a um baixo custo computacional, apesar das muitas melhorias metodológicas que ainda podem ser feitas

Buckling analysis of laminated anisotropic kirchhoffs plates via the boundary element method

A new fundamental solution for laminated anisotropic Kirchhoff’s plates with out-of-plane and in-plane compressive loads is derived here. The multicompressed solution for both isotropic and anisotropic cases is obtained via the Radon Transform. Some fundamental kernels of the integral equations are described in detail. BEM results of displacements and critical buckling loads of several plates with different boundary conditions and geometries are presented. Comparisons with available analytical solutions and some published numerical results confirm the reliability and accuracy of the proposed formulation151

Green infrastructure planning principles: An integrated literature review

UIDB/MAR/04292/2020 UIDB/04085/2020Green infrastructure is a strategically planned network of natural and semi-natural areas, including green and blue spaces and other ecosystems, designed and managed to deliver a wide range of ecosystem services at various scales. Apart from the ecological functions, green infrastructure, as a planning tool, contributes to social and economic benefits, leading to the achievement of sustainable, resilient, inclusive and competitive urban areas. Despite recent developments, there is still no consensus among researchers and practitioners regarding the concept of green infrastructure as well as its implementation approaches, which makes it often difficult for urban planners and other professionals in the field to develop a robust green infrastructure in some parts of the world. To address this issue, an integrative literature review was conducted to identify which green infrastructure planning principles should be acknowledged in spatial planning practices to promote sustainability and resilience. As a result of this literature review, the most common eight green infrastructure planning principles were selected—connectivity, multifunctionality, applicability, integration, diversity, multiscale, governance, and continuity. These principles intend to promote and simplify the development and use of green infrastructure by different academic and implementation organizations and provide a more defined model for sustainable landscape management in order to help practitioners and decision makers during the conceptualization and planning of green infrastructure.publishersversionpublishe

Towards precise recognition of pollen bearing bees by convolutional neural networks

Automatic recognition of pollen bearing bees can provide important information both for pollination monitoring and for assessing the health and strength of bee colonies, with the consequent impact on people's lives, due to the role of bees in the pollination of many plant species. In this paper, we analyse some of the Convolutional Neural Networks (CNN) methods for detection of pollen bearing bees in images obtained at hive entrance. In order to show the in uence of colour we preprocessed the dataset images. Studying the results of nine state-of-the-art CNNs, we provide a baseline for pollen bearing bees recognition based in deep learning. For some CNNs the best results were achieved with the original images. However, our experiments showed evidence that DarkNet53 and VGG16 have superior performance against the other CNNs tested, with unsharp masking preprocessed images, achieving accuracy results of 99:1% and 98:6%, respectively.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

The case study of Setúbal, Portugal

Green infrastructure is a strategically planned network of natural and semi-natural areas that are designed and managed to deliver a wide range of ecosystem services. It incorporates green and blue spaces and other physical features in terrestrial and marine areas. Despite the increase of green infrastructure planning in several regions of the world, such as Europe and North America, there is still a complexity and diversity associated with the concept of green infrastructure that influences the variance in approaches of green infrastructure planning. This research proposed a multi-criteria method that was organized in four steps for designing a green infrastructure for the municipality of Setúbal (Portugal) that efficiently integrated the ecological and social components in the planning and policymaking processes, as well as green infrastructure planning principles. The results show a green infrastructure that comprised around 91% of the territory of the case study, organized into two systems: the fundamental green infrastructure, which was related to the areas whose ecological interests were more favorable, and the urban green infrastructure, which aimed to enhance and intensify ecological processes in built-up areas. This approach focused on the protection of ecological functions, the preservation of the cultural and natural heritage, and the prevention of risks at a local level; it also followed several green infrastructure planning principles, namely, connectivity, multifunctionality, diversity, integration, and applicability.publishersversionpublishe

Student-centered e-Learning: designing curricular units in higher education using multiple intelligences theory

The role of Higher Education (HE) in society has been irreversibly transformed by recent technological advances and the widespread access to the Internet, particularly concerning the knowledge production and to the training of qualified workforces. Higher Education Institutions (HEI) have been reacting slowly, in a “traditional” way, both to the fragmentation of their target audience and to the ever changing requisites of the global labour market. An example of that is the design of Curricular Units (CU) in e-Learning in HE that remains, in most cases, a teacher-centered model, one-size fits all. We consider that e-Learning can indeed be a useful platform to promote learning that meets the needs and expectations of a heterogeneous audience as well as the labour market. It is, however, necessary to address some of the problems that hinder its success, namely the high dropout rates, which in some cases can reach up to 50% [1]. Within this perspective and to promote a more engaging and personalised learning system that accommodates different ways of learning, we bring to discussion the Multiple Intelligences (MI) Theory [3] as a guide to the instructional design of CU in e-Learning in HE. MI Theory application in e- Learning has been reported to promote intrinsic motivation [4], which is related to the increase of retention rates, a critical factor for HEI, both regarding their economy and credibility. In this context, we defined the following research question: is it possible to rethink the design of CU for e-Learning in HE based on MI theory to promote student-centered learning? Having this issue as a compass, our project’s primary goal is to develop a framework that supports student-centered education, to guide the instructional design of CU for e-Learning in HE, based on the MI theory. We will use a Development Research methodology consisting of the following steps: 1. Problem analysis, 2. Solution design based on the theoretical framework, 3. Develop (prototype) a solution, 4. Evaluate and test, 5. Reflect and document the general design principles. With this study we intend: (i) to contribute to the discussion and practical application of MI in e- Learning in HE, promoting student-centered learning; (ii) to promote wider awareness of the learning processes [5] both by the students and by the HE teachers; (iii) to contribute to ensure greater intrinsic motivation [4] and learning, helping to reduce dropout rates in e-Learning in HE. The need to promote a diversity of intelligences increasingly necessary for the integration in the global labour market and the training of individuals able to contribute to solve the complex problems of our societies, aligned to the widely accepted realization that HE needs to engage in considerable structural changes, makes it for an interesting time to investigate the application of Multiple Intelligences Theory in HE instructional development. In this paper, we present a research proposal with the aim to promote discussion on the subject, receive feedback from peers and audit the interest of potential future partners’ contributions as a way to enrich the research project.EU's programme ERASMUS+CIEC – Research Centre on Child Studies, IE, UMinho (FCT R&D unit 317), PortugalERASMUS+ "Better e-Learning for All", Project number: 2015-1-TR01-KA204-02195

Sobre as comunidades de Pterospartum tridentatum sensu lato em Portugal continental

FRANCO (1971) aquando da publicação da Nova Flora de Portugal só considerou ocorrer no território nacional Pterospartum tridentatum (L.) Willk., sob o nome de Chamaespartium tridentatum (L.) P. Gibbs, contudo TALAVERA (1999), na Flora Ibérica, considerou que esta espécie era constituída por três subespécies: Pterospartum tridentatum subsp. tridentatum, Pterospartum tridentatum subsp. cantabricum (Spach) Talavera & P. Gibbs, Pterospartum tridentatum subsp. lasianthum (Spach) Talavera & P. Gibbs, que posteriormente RIVAS-MARTÍNEZ et al. (2002) reputaram serem espécies independentes. Com esta nota pretendemos esclarecer as comunidades em que estes táxones desempenham um papel importante em Portugal continental

A SEGURANÇA DO PACIENTE CIRÚRGICO, O PAPEL DOS PROFISSIONAIS E O IMPACTO SÓCIOECONÓMICO NUMA UNIDADE LOCAL DE SAÚDE

Os eventos adversos são uma realidade nos cuidados de saúde, com particular interesse para o paciente cirúrgico, pelo que é determinante que se conheça a sua dimensão, no sentido de os evitar, sempre que possível. A interiorização de uma cultura de segurança, como uma prioridade, por parte dos profissionais, pode contribuir para o desenvolvimento de sistemas que conduzam a cuidados mais seguros. Deste modo, pode reduzir-se a ocorrência dos eventos e os seus impactos negativos, principalmente nos dias de internamento e nos custos adicionais associados. Nesta perspectiva, foi desenvolvido um estudo exploratório numa Unidade Local de Saúde, com o objectivo de conhecer a cultura de segurança existente nos serviços cirúrgicos, referente ao ano de 2008, e se esta é influenciada por três dimensões: a liderança, o trabalho de equipa e a comunicação. Associado a este estudo, foi desenvolvido um outro para conhecer os impactos socioeconómicos de determinados eventos adversos relacionados com a cirurgia, também relativamente ao ano de 2008. Os resultados obtidos demonstram que a cultura de segurança é influenciada por qualquer das três dimensões referidas, constatando-se que a cultura existente nestes serviços se situa num nível intermédio, classificado como aceitável. Ao nível dos resultados socioeconómicos, verificou-se que para os 40 casos identificados, em que ocorreram eventos adversos, houve um adicional de 753,4 dias de internamento, correspondendo a 553,412€ de custos adicionais, com uma taxa de mortalidade associada de 17,5% e a necessidade de voltar ao bloco operatório em 55% dos casos

Optimized exploitation of aquifers: application to the Querenca-Silves aquifer system

A great deal of optimization models have been developed to support aquifer planning and management with the goal of arriving at the best decisions in relation to the number and siting of infrastructures to be built and how to operate them. A mixed-integer multi-objective linear model has been taken from the literature to define the best decision for the development of the aquifer of Querenca-Silves (Portugal). It identifies efficient solutions for the location and design of pumping stations and their catchment area to supply a given number of demand centers, without disregarding the effect of groundwater management on the piezometric surface of aquifers and the many facets of groundwater management. The multi-objective model includes two objectives: (1) the minimization of aggregate water elevation height, and (2) the minimization of aggregate water transport length, weighted by the flows conveyed from the facilities to the centers. The effect of groundwater extraction on the piezometric surface of the aquifer is modelled with a response matrix method, with the establishment of maximum drawdown to prevent over-exploitation

The application of the Habitats Directive in Portugal

A succinct review of the application of the Habitats Directive in Portugal is presented. Since 1971 until 2000 Portugal has defined approximately 8,8% of its territory as national protected areas. With the application of the Habitats Directive nature conservation policies extended to more than 17,4 % of the territory increasing by 98% and the knowledge on vegetation community’s habitats was certainly deepened. Including special protection areas (Birds Directive) the Portuguese territory under one or more conservation status totals 21,5%. Finally, the support given by the Portuguese Phytosociology Association – ALFA in the detailed description of the Directive habitats is divulged, showing the importance, usefulness and efficacy of phytosociologic studies