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Type: Tese
Title: Detecção de turbulência de céu claro por abordagem híbrida com aprendizado de máquina e modelagem atmosférica
Author(s)/Inventor(s): Rosette, Alessana Carrijo
Advisor: França, Gutemberg Borges
Co-advisor: Velho, Haroldo Fraga de Campos
Abstract: Esta tese desenvolve um modelo híbrido para detecção de turbulência de céu claro (Clear Air Turbulence — CAT) severa, aplicado a uma região de alta concentração de tráfego aéreo no sudeste do Brasil, delimitada pelas longitudes 43°W a 49°W e latitudes 19°S a 25°S, abrangendo o período de 2018 a 2021. A metodologia integra modelagem atmosférica com os modelos GFS e WRF e técnicas de aprendizado de máquina. A seleção de atributos preditores foi realizada por meio de testes de hipóteses com controle da taxa de falsas descobertas (FDR), implementados no software BRB-Array Tools, resultando em 13 atributos para o GFS e 11 para o WRF. Os atributos selecionados foram utilizados para treinar e avaliar 14 algoritmos de aprendizado de máquina, incluindo algoritmos clássicos e redes neurais do tipo MLP, por meio de validação cruzada estratificada. Com os dados do GFS, o MLP com uma camada e 10 neurônios apresentou a maior AUC pontual (0,95) e a maior estabilidade entre as redes neurais avaliadas (AUC média = 0,931). Com os dados do WRF, o SVM obteve o melhor desempenho médio (AUC média = 0,969). A análise de estabilidade das métricas, conduzida por bootstrap, demonstrou superioridade consistente do WRF sobre o GFS para os modelos estatisticamente mais robustos, confirmando que a maior resolução espacial do WRF confere ganho real de capacidade discriminante. Os resultados demonstram que a abordagem híbrida proposta é eficiente e robusta para a detecção de CAT severa, com potencial de aplicação em sistemas operacionais de monitoramento meteorológico aeronáutico
Abstract: This thesis develops a hybrid model for severe clear-air turbulence (CAT) detection, applied to a high air-traffic region in southeastern Brazil, bounded by longitudes 43°W to 49°W and latitudes 19°S to 25°S, covering the period from 2018 to 2021. The methodology integrates atmospheric modeling using the GFS and WRF models with machine learning techniques. Predictor attribute selection was performed through hypothesis testing with false discovery rate (FDR) control, implemented in the BRB-Array Tools software, yielding 13 attributes for the GFS and 11 for the WRF. The selected attributes were used to train and evaluate 14 machine learning algorithms, including classical classifiers and MLP neural networks, through stratified crossvalidation. Using GFS data, the MLP with one layer and 10 neurons achieved the highest single-fold AUC (0.95) and the greatest stability among neural network architectures evaluated (mean AUC = 0.931). Using WRF data, the SVM obtained the best mean performance (mean AUC = 0.969). Metric stability analysis conducted via bootstrap demonstrated consistent superiority of the WRF over the GFS for the statistically most robust models, confirming that the higher spatial resolution of the WRF confers a real gain in discriminant capacity. The results demonstrate that the proposed hybrid approach is efficient and robust for severe CAT detection, with potential for operational application in aeronautical meteorological monitoring systems
Keywords: Turbulência atmosférica
Aprendizado de máquina
Ondas gravitacionais
Meteorologia em aeronáutica
Atmospheric turbulence
Machine learning
Gravity waves
Meteorology in aeronautics
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: May-2026
Publisher country: Brasil
Language: por
Right access: Acesso Aberto
Citation: ROSETTE, Alessana Carrijo. Detecção de turbulência de céu claro por abordagem híbrida com aprendizado de máquina e modelagem atmosférica. 2026. 188 f. Tese (doutorado) - Instituto de Geociências, Programa de Pós-Graduação em Meteorologia, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2026.
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