https://hdl.handle.net/1884/71565 2026-04-24T16:18:04Z https://hdl.handle.net/1884/86275 Estudo da camada limite atmosférica e predição de energia cinética da turbulência em regiões de topografia complexa Resumo: Estudamos os efeitos exercidos pela topografia complexa sobre o escoamento da Camada Limite Atmosférica (CLA). Foram realizadas simulações do escoamento com o emprego do modelo WRF-LES, sobre as regiões de Askervein (Taylor; Teunissen, 1985) e Riverton, ambas com topografia complexa, mas de morfologias e clima diversos. Os resultados das simulações para diversas variáveis micrometeorológic/as foram considerados como dado de entrada para predição dos valores de energia cinética da turbulência (TKE) em diferentes alturas, com emprego de modelos de árvore de decisão. Os valores de TKE utilizados para o treinamento foram obtidos também pelas simulações do WRF-LES, com emprego do esquema de TKE de ordem 1,5 de parametrização dos efeitos subgrade. Os resultados das simulações de Smagorinsky e TKE não apresentaram diferenças significativas. Os resultados dos modelos de árvore de decisão mostraram um bom desempenho na predição de TKE até 700 m em Askervein, e 800 m em Riverton. Ainda, indicaram uma prevalência da forçante mecânica na região de Askervein, de característica predominantemente neutra; Em Riverton, com condições mais afastadas da neutralidade, a forçante termodinâmica teve importância predominante para todos os casos estudados. Os efeitos do relevo foram mais significativos nas condições próximas à neutralidade, ou para alturas de até 50 m da superfície.; Abstract: We studied the effects exerted by complex topography on the Atmospheric Boundary Layer (ABL) flow. Flow simulations were performed using the WRF-LES model over the regions of Askervein (Taylor; Teunissen, 1985) and Riverton, both characterized by complex topography but with different morphologies and climates. The results of the simulations for various micrometeorological variables were used as input data for predicting turbulence kinetic energy (TKE) values at different heights using decision tree models. The TKE values used for training were also obtained from WRF-LES simulations, employing the 1.5-order TKE scheme for subgrid effects parameterization. The results of Smagorinsky and TKE simulations showed no significant differences. The decision tree model results demonstrated good performance in predicting TKE up to 700 m in Askervein and 800 m in Riverton. Additionally, they indicated a prevalence of mechanical forcing in the Askervein region, which exhibited predominantly neutral characteristics. In Riverton, with conditions further from neutrality, thermodynamic forcing played a predominant role in all studied cases. The effects of terrain were more significant in conditions close to neutrality or at heights up to 50 m above the surface. Orientador: Prof. Dr. Ricardo Carvalho de Almeida; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental. Defesa : Curitiba, 12/09/2023; Inclui referências 2023-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/1884/85859 Integrando redes neurais : avaliação do impacto do MP2,5 na saúde para cidades de médio porte em perspectiva aos novos limites da OMS Resumo: A poluição atmosférica é atualmente a principal causa de mortes evitáveis no mundo, e grande parte dessas mortes ocorre em países de baixa/média renda, onde há falta de monitoramento da qualidade do ar, geralmente em cidades de médio/ baixo porte. Além disso, as formas solúveis dos elementos contidos no material particulado fino (MP2,5) têm o potencial de penetrar profundamente no pulmão, onde são translocados por meio da barreira sanguínea para o sistema circulatório, acumulando-se em outros órgãos do corpo humano causando efeitos sistêmicos à saúde. No entanto, geralmente, as diretrizes globais de qualidade do ar são baseadas nas funções dose-resposta apenas da concentração mássica do MP, tratando todas as partículas finas como igualmente tóxicas, independente de sua fonte e composição. Este estudo teve como objetivo investigar a tendência de longo prazo do MP2,5 na cidade de médio porte de Londrina, Brasil. MP2,5 foi amostrado diariamente por quase dois anos, e obteve-se a concentração mássica de MP2,5, carbono negro e composição elementar. As possíveis fontes do poluente foram estudadas empregando-se a Análise de Componentes Principais Absoluta e o Fator de Enriquecimento. O risco à saúde foi avaliado com a bioacessibilidade do conteúdo inorgânico do MP no fluido pulmonar artificial, com a avaliação de risco químico à saúde e por meio da avaliação do efeito da exposição ao MP2,5 nas internações hospitalares por desfechos respiratórios (DR) e circulatórios (DC) com a aplicação de Redes Neurais Artificiais (RNA). Três diferentes RNA foram testadas (Perceptron de Múltiplas Camadas (MLP), Máquinas de Aprendizado Extremo, e as Redes Neurais com Estados de Eco), e o desempenho delas foi avaliado por meio do Erro Quadrático Médio (MSE) e o Erro Percentual Absoluto Médio (MAPE). A concentração média do MP2,5 ficou abaixo da diretriz da OMS, no entanto, a exposição ao MP2,5 possui riscos de 5 a cada 100.000 habitantes desenvolverem doenças carcinogênicas ao longo da vida. Além disso, foi observada a influência do MP2,5 nas internações hospitalares por DR e DC com a MLP, RNA que apresentou os menores valores de MSE (12,49 para DR e 15,64 para DC) e MAPE (27,1 para DR e 28,42 para DC). A bioacessibilidade média de 58,6%, 41,7% e 16,5% para Cu, Pb e Mn, respectivamente revelou o variável potencial de mobilidade para o sistema circulatório das fontes do MP na cidade: trânsito, poeira de rua e processos industriais. Esses resultados indicam que mesmo para cidades de médio porte existem riscos à saúde associados à exposição à poluição atmosférica, e ressaltam a necessidade de mais desenvolvimento de pesquisas nestas localidades. Além disso, há um amplo espectro de suscetibilidade ao poluente em relação às características econômicas específicas de cada cidade em particular, mesmo em cidades de pequeno/médio porte, destacando a hipótese geral tácita de que nenhum nível de MP2,5 é seguro, mesmo abaixo dos limites de qualidade do ar da OMS. Dada a evidência emergente de que a composição química do MP é tão, ou até mais, importante do que os níveis de concentração de massa, esta pesquisa pode abrir caminho para as colaborações inter e intra-cidades necessárias para lidar com esse problema de saúde global; Abstract: Air pollution is currently the leading global risk factor for death, and a significant proportion of these deaths occur in low- and middle-income countries (LMICs), where there is a lack of air quality monitoring, general in middle- and small-sized cities. Moreover, the soluble forms of the elements present in fine particulate matter (PM2.5) can deeply penetrate the lungs. From there, they translocate across the blood barrier into the circulatory system and accumulate in various organs, leading to systemic health effects. The global air quality guidelines are generally based on the doseresponse functions of only the PM2.5 mass concentration, treating all fine particles as equally toxic, regardless of their source or composition. This study aimed to investigate the long-term trend of PM2.5 in the middle-sized Brazilian city of Londrina. PM2.5 was sampled daily for almost two years, and PM2.5 concentration, black carbon, and elemental composition were obtained. The possible sources were identified using absolute principal component analysis and enrichment factor analysis. The health risk was evaluated by assessing the bioaccessibility of inorganic contents in artificial lung fluid, conducting a chemical health assessment for resident exposure, and using artificial neural networks (ANN) to assess the effect of PM2.5 exposure on hospital admissions due to respiratory (RO) and circulatory (CO) outcomes. Tree different ANN models were tested (Multilayer Perceptron (MLP), Extreme Learning Machines (ELM), and Echo State Networks (ESN)), and their performance was evaluated based on the mean square error (MSE), and the Mean Absolute Percentual Error (MAPE). Although the average concentration of PM2.5 was below WHO guidelines, the exposure do PM2.5 leads to the risk of 5 in each group of 100,000 inhabitants to develop carcinogenic diseases over a lifetime. Furthermore, the influence of MP2.5 exposure on hospital admissions for RO and CO was observed with MLP, ANN that presented the lowest values of MSE (12.49 for RO and 15.64 for CO) and MAPE (27.1 for RO and 28.42 for CO).The average bioaccessibility of 58.6% for Cu, 41.7% for Pb and 16.5% for Mn, revealed the diverse mobility potential for the circulatory system for PM sources in the city: traffic, street dust and processes industrial. These results indicate that even in medium-sized cities, there are health risks associated with air pollution exposure, and highlight the need for more research in this regions. Moreover, there is a broad spectrum of susceptibility to pollutants, likely related to the specific and diversified economic base of each city, even in smalland medium-sized cities, highlighting the tacit general assumption that no level of PM2.5 is safe, even below WHO air quality limits. Given the further emerging evidence that PM chemical composition is as, or even more, important than mass concentration levels, the research reported in the paper could pave the way for the necessary inter- and inner-city collaborations that are needed to address this global health challenge Orientador: Prof. Dr. Ricardo H. Moreton Godoi; Coorientadora: Profa. Dra. Yara de Souza Tadano; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental. Defesa : Curitiba, 06/11/2023; Inclui referências 2023-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/1884/84901 Bioacessibilidade de MP2,5 e mudanças na composição química elementar após a implementação da Global Sulphur Cap 2020 na região portuária de Paranaguá-PR Resumo: A frota oceânica mundial é responsável por 80% do comércio de bens e serviços e consome cerca de 4,3 milhões de barris de óleo combustível pesado (HFO) diariamente. Potencialmente liberando no meio ambiente enormes quantidades de gases e material particulado fino (MP2,5). Após serem inalados, os elementos que compõe o MP2,5 tem a possibilidade de serem solubilizados no fluido pulmonar, o que permite compreender a rota de acesso e o comportamento dos aerossóis na região alveolar humana. Como parte dos benefícios associados às mudanças climáticas e à saúde, a Organização Marítima Internacional (IMO) estabeleceu um novo limite de teor de enxofre (S) para o combustível (HFO), a Global Sulphur Cap 2020 (GSC- 2020). Investigou-se se o fluido artificial lisossomal (ALF) seria capaz de avaliar a bioacessibilidade do MP2,5 proveniente da região portuária do município de Paranaguá-PR. E adicionalmente, verificamos a influência da regulamentação GSC-2020 na composição química elementar do MP2,5. Utilizando o amostrador impactador Harvard, amostras de MP2,5 foram coletadas entre julho 2019 a outubro de 2020. De acordo com os resultados, as concentrações de V e Ni em MP2,5 diminuíram significativamente (p<0,05) de 2019 (25,4±15 e 5,8±3 ng m-3, respectivamente) para 2020 (3,5±1 e 2,2±1 ng m-3, respectivamente). Além disso, a razão V/Ni mudou significativamente (p<0,05) de 4,3 em 2019 para 1,8 em 2020, sugerindo uma possível mudança na assinatura das emissões das embarcações marítimas. A emissão de S também diminuiu (p<0,05), com concentrações médias de 2,0±0,8 Mig m-3 e 1,2±0,4 Mig m-3, respectivamente, em 2019 e 2020. A contribuição das emissões de navios para MP2,5 foi denominado como MP2.5 primário e também apresentou declínio em 2020, com percentuais inferiores a 5%, enquanto atingiu cerca de 80% em 2019. A bioacessibilidade média (%) foi classificada como Pb>Ni>V seja em 2019 como também em 2020. Já para a concentração atmosférica solubilizada (ng m-3) o cenário apresentado foi V>Ni>Pb em 2019 e Pb>Ni>V em 2020. Em 2019 e 2020, os índices de exposição por inalação, HQ e HI não indicaram riscos à saúde humana. Contudo, esses índices diminuíram em 2020 como resultado da menor exposição aos contaminantes inorgânicos como V e Ni. Esses benefícios devem encorajar discussões futuras e a expansão de novos instrumentos legislativos para limitar as emissões de poluição portuária.; Abstract: The world's ocean fleet accounts for 80% of trade in goods and services and consumes around 4.3 million barrels of heavy fuel oil (HFO) daily. Potentially releasing huge amounts of gases and fine particulate matter (PM2.5) into the environment. After inhaling, the elements that compose PM2.5 can be solubilized in the pulmonary fluid. Making it possible to understand the access route and the behavior of aerosols in the human alveolar region. As part of the benefits associated with climate change and health, the International Maritime Organization (IMO) has established a new sulfur (S) content limit for fuel (HFO), the Global Sulfur Cap 2020 (GSC- 2020). We investigated if the artificial lysosomal fluid (ALF) is capable of evaluating the bioaccessibility of PM2.5 from the port region of Paranaguá-PR. Additionally, we verified the influence of the GSC-2020 regulation on the elemental chemical composition of PM2.5. Using the Harvard impactor sampler, PM2.5 samples were collected between July 2019 to October 2020. According to our results, concentrations of V and Ni in PM2.5 decreased significantly (p<0.05) from 2019 (25.4±15 and 5.8±3 ng m-3, respectively) to 2020 (3.5±1 and 2.2±1 ng m- 3, respectively). Furthermore, the V/Ni ratio changed significantly (p<0.05) from 4.3 in 2019 to 1.8 in 2020, suggesting a possible shift in the signature of vessel emissions. S emission also decreased (p<0.05), with mean concentrations of 2.0±0.8 Mig m-3 and 1.2±0.4 Mig m-3, respectively, in 2019 and 2020. The contribution of ship emissions to PM2.5 has been termed primary PM2.5 and, also dropped in 2020, with percentages below 5%, while reaching around 80% in 2019. The average bioaccessibility (%) was classified as Pb>Ni>V both in 2019 and 2020. As for the solubilized atmospheric concentration (ng m-3), the scenario presented was V>Ni>Pb in 2019 and Pb>Ni>V in 2020. In 2019 and 2020, the inhalation exposure, HQ and HI indices did not indicate risks to human health. However, these rates declined in 2020 as a result of lower exposure to heavy metals such as V and Ni. These benefits should encourage future discussions and the expansion of new legislative instruments to limit port pollution emissions. Orientador: Prof. Dr. Ricardo H. M. Godoi; Coorientador: Prof. Dr. Rodrigo A. Reis; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental. Defesa : Curitiba, 19/05/2023; Inclui referências: p. 117-145 2023-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/1884/84309 Internal seiche field in thermally stratified lakes Resumo: As ondas internas são oscilações que ocorrem no interior um fluido estável estratificado. Em lagos e reservatórios, essas ondas têm sido detectadas e apontadas como um dos processos mais importantes para a dinâmica e mistura vertical que ocorem nestes ambientes. Uma fração do momento e da energia do vento que atravessa a superfície da água é responsável por gerar seichas internas. Apesar do grande número de publicações descrevendo diferentes mecanismos que podem influenciar as taxas de dissipação e acelerar o amortecimento das ondas internas em lagos e reservatórios termicamente estratificados, muitos detalhes de sua aplicação em observações de campo são específicos de locais e não buscam avaliar os efeitos de forma combinada. Esta pesquisa tem como objetivo avaliar alguns mecanismos que podem contribuir para inibir a geração de seichas internas através de medições de campo e simulações numéricas. Os resultados destacam a importância da batimetria na dissipação de energia cinética turbulenta, indicando que o fundo inclinado atua como um mecanismo principal para inibir a formação de seichas internas. A morfologia dos lagos e reservatórios e a mistura autoinduzida atuam como mecanismos secundários para extrair energia de eventos de ressurgência, que são responsáveis por desencadear a formação e evolução de seichas internas em lagos termicamente estratificados. Simulações numéricas indicam que uma maior quantidade de energia é transferida do vento para a seicha interna à medida que a estratificação foge de uma estrutura de duas camadas, sugerindo que o perfil de estratificação não é responsável por inibir a ocorrência de seichas internas, mas pode modificar sua estrutura, favorecendo a formação de ondas internas com modos verticais superiores. O resultado deste estudo pode ser de grande relevância na descrição do ciclo biogeoquímico em lagos e reservatórios, uma vez que cada mecanismo pode ter diferentes efeitos desencadeadores no ciclo de nutrientes e outros elementos em lagos termicamente estratificados.; Abstract: Internal waves are oscillating disturbances within a stable density-stratified fluid. In stratified water basins, these waves have been detected and pointed out as one of the most important processes of water movement and vertical mixing. A fraction of the wind momentum and energy that cross the water surface are responsible for generating large standing internal waves, also called basin-scale internal seiches, in stratified basins. Despite the huge number of publications describing different mechanisms that can influence the dissipation rates and accelerate the wave damping of internal seiche in thermally stratified lakes and reservoirs, many details of their application to field observations are site specific and do not evaluate the effects in a combined way. This research paid particular attention to some mechanisms that may contribute in inhibiting the generation of internal seiche through field measurements and numerical simulations. Our results underline the importance of bathymetry on energy dissipation, indicating that the gentle sloping bottom may act as a primary mechanism to inhibit the formation of internal seiches. The basin shapes (reservoir bends) and self-induced mixing near the wave crest act as secondary mechanisms to extract energy from upwelling events, which is responsible for triggering internal seiches in thermally stratified lakes. Numerical simulations indicate that a higher amount of energy is transferred from the wind to the internal seiche for an increasing deviation of the stratification from a two-layer structure, suggesting that the stratification profile is not responsible for inhibiting the occurrence of basin-scale internal waves, but only for modifying its structure, favoring the formation of internal waves with higher vertical modes. The outcome of this study may be of great relevance in describing the biogeochemical cycle in lakes and reservoirs, since each mechanism may have different trigger effects on the cycle of nutrients and other elements in thermally stratified lakes. Orientador: Dr.-Ing Tobias Bleninger; Coorientador: Dr. Andreas Lorke; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, e a Universidade de Kaiserslautern-Landau. Defesa : Curitiba, 27/06/2023; Inclui referências: p. 99-109; Área de concentração: Engenharia Ambiental 2023-01-01T00:00:00Z