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http://hdl.handle.net/11422/29067
| Type: | Tese |
| Title: | Do determinístico ao aprendizado de máquina: uma nova abordagem para estimar a turbulência atmosférica |
| Author(s)/Inventor(s): | Pereira Neto, Antonio Vicente |
| Advisor: | França, Gutemberg Borges |
| Co-advisor: | Velho, Haroldo Fraga de Campos |
| Abstract: | A representação da turbulência atmosférica na Camada Limite Planetária constitui uma das principais fontes de incerteza em modelos numéricos de tempo e clima. Neste trabalho, propõe-se a utilização de redes neurais artificiais do tipo Multi-Layer Perceptron como modelos substitutos (surrogate models) para emular o esquema de parametrização turbulenta de Holtslag–Boville no modelo unidimensional brasileiro BAM-1D. As redes neurais foram treinadas a partir de dados gerados pelo BAM-1D forçado por observações da campanha GoAmazon 2014/15, utilizando como entradas variáveis atmosféricas normalizadas e como saídas os coeficientes turbulentos (kvm, kvh) e termos de contragradiente (cgs, cgh), bem como a altura da Camada Limite Planetária. A implementação das redes foi realizada diretamente em linguagem Fortran, permitindo sua integração como substitutas diretas (drop-in replacements) do esquema físico original. Os resultados indicam que a rede neural reproduz com elevada fidelidade a estrutura vertical e a variabilidade temporal dos coeficientes turbulentos, apresentando coeficientes de determinação elevados para kvm e kvh, além de baixos erros estatísticos (RMSE, MAE e viés). A análise dos perfis de temperatura e vento demonstra que a substituição do esquema HB não compromete a coerência termodinâmica e dinâmica do modelo, com diferenças concentradas principalmente nos níveis próximos à superfície e em regimes altamente convectivos. Adicionalmente, a avaliação da precipitação como métrica integrada indica que a rede neural preserva a ocorrência e a fase temporal dos eventos, embora apresente diferenças na intensidade de picos convectivos, refletindo a natureza não linear do processo. Em termos computacionais, a abordagem baseada em aprendizado de máquina apresenta potencial de redução de custo, mantendo consistência física. Os resultados confirmam a viabilidade do uso de redes neurais como modelos substitutos em parametrizações atmosféricas, abrindo perspectivas para o desenvolvimento de modelos híbridos mais eficientes e precisos |
| Abstract: | The representation of atmospheric turbulence in the Planetary Boundary Layer is one of the main sources of uncertainty in numerical weather and climate models. In this work, the use of artificial neural networks of the Multi-Layer Perceptron type is proposed as surrogate models to emulate the Holtslag–Boville turbulence parameterization scheme in the Brazilian one-dimensional model BAM-1D. The neural networks were trained using data generated by BAM-1D simulations forced by observations from the GoAmazon 2014/15 campaign, using normalized atmospheric variables as inputs and turbulent coefficients (kvm, kvh) and counter-gradient terms (cgs, cgh), as well as the Planetary Boundary Layer height, as outputs. The implementation of the networks was carried out directly in Fortran, allowing their integration as drop-in replacements for the original physical scheme. The results indicate that the neural network reproduces with high fidelity the vertical structure and temporal variability of the turbulent coefficients, presenting high coefficients of determination for kvm and kvh, as well as low statistical errors (RMSE, MAE, and bias). The analysis of temperature and wind profiles demonstrates that replacing the HB scheme does not compromise the thermodynamic and dynamic consistency of the model, with differences mainly concentrated near the surface and in highly convective regimes. Additionally, the evaluation of precipitation as an integrated metric indicates that the neural network preserves the occurrence and temporal phase of events, although differences in the intensity of convective peaks are observed, reflecting the nonlinear nature of the process. From a computational perspective, the machine learning-based approach shows potential for cost reduction while maintaining physical consistency. The results confirm the feasibility of using neural networks as surrogate models in atmospheric parameterizations, opening perspectives for the development of more efficient and accurate hybrid models |
| Keywords: | Turbulência atmosférica Aprendizado do computador Camada limite planetária Redes neurais (Computação) Modelos matemáticos Processamento de dados Atmospheric turbulence Machine learning Planetary boundary layer Neural networks (Computer science) Mathematical models Data processing |
| Subject CNPq: | CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::GEOCIENCIAS::METEOROLOGIA |
| Program: | Programa de Pós-Graduação em Meteorologia |
| Production unit: | Instituto de Geociências |
| Publisher: | Universidade Federal do Rio de Janeiro |
| Issue Date: | 3-Mar-2026 |
| Publisher country: | Brasil |
| Language: | por |
| Right access: | Acesso Aberto |
| Citation: | PEREIRA NETO, Antonio Vicente. Do determinístico ao aprendizado de máquina: uma nova abordagem para estimar a turbulência atmosférica. 2026. 124 f. Tese (doutorado) - Instituto de Geociências, Programa de Pós-Graduação em Meteorologia, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2026. |
| Appears in Collections: | Meteorologia |
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