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BRAMS

O modelo BRAMS (The Brazilian developments on the Regional Atmospheric Modeling System) foi desenvolvido tendo como ponto de partida o modelo RAMS (Regional Atmospheric Modeling System, Cotton et al., 2003), originalmente desenvolvido na Universidade do Estado do Colorado, em Fort Collins, EUA. BRAMS/RAMS são modelos numéricos de previsão do tempo multiuso, projetados para simular circulações atmosféricas que vão desde ondas em escala planetária até grandes turbilhões da camada limite planetária. O BRAMS desenvolveu sua própria identidade e divergiu do RAMS com vários novos recursos e modificações que foram incluídos para melhorar a representação numérica de processos físicos fundamentais em regiões tropicais e subtropicais (Freitas et al., 2005b, 2009, 2017). Adicionalmente, o BRAMS inclui um módulo para processos de química de gases e aerossóis (Longo et al., 2013), bem como um esquema de superfície de última geração para simular os ciclos biogeoquímicos de energia, água, carbono, dentre outros (Moreira et al., 2013).  Estas funcionalidades adicionais do BRAMS, relativas às originais do RAMS, o promovem a um modelo ambiental totalmente integrado. A Figura abaixo ilustra os principais processos de escala sub-grade envolvidos na distribuição de gases e aerossóis no sistema BRAMS, bem como o esquema de superfície.

Box brams-jules com fundo transparente.
Processos sub-grade envolvidos nas emissões, transporte, transformação e remoção de gases traço e aerossóis resolvidos no BRAMS e sua interface com o esquema de superfície JULES. 

 

O BRAMS versão 6.0, conta com as características e opções de configuração física listadas a seguir. Para maiores detalhes, veja Freitas et al. (2017) e referências lá citadas.

Equações básicas

Não hidrostático, time-split compressível. Com opção para formulação com conservação de massa completa para a equação prognóstica da função de Exner.

Coordenadas

Cartesiana padrão na vertical, acompanhando a altura do terreno.

Cartesiana padrão na horizontal com transformação polar-estereográfica rotacionada.

Grade Computacional

Arakawa-C escalonada na horizontal.Lorenz na vertical, com espaçamento vertical da grade variável com a altura. Aninhamento unilateral.

Esquemas de integração temporal

Combinação híbrida de leapfrog e forward-in-time, com opção para filtro de tempo.

Robert-Asselin-William (William, 2009). 

Runge-Kutta de 2ª e 3ª ordem (Wicker e Skamarock, 1998, 2002, Rodrigues et al., 2019).

Adams-Bashforth-Moulton 3ª ordem (Wicker, 2009).

Passo no tempo pequeno dividido no tempo para os modos de onda acústica e gravitacional.

Passo no tempo pequeno horizontalmente explícito, verticalmente implícito. 

Opção de amortecimento de divergência.

Esquemas de Advecção

Forward upstream de 2ª ordem (Tremback et al., 1987).

Esquema de advecção monotônica para escalares (Walcek, 2000).

Opções de advecção de 1ª a 6ª ordem (horizontal e vertical, Wicker e Skamarock, 1998, 2002) com restrição de positividade (Skamarock, 2006).

Fechamento de Turbulência

Formulações de fechamento de Smagorinsky (1963), Lilly (1962) e Hill (1974).

Esquema de Deardorff (1980) level 2.5.

Esquema Mellor-Yamada level 2.5 (Mellor&Yamada, 1982).

Formulação baseada em TKE Nakanishi & Nino (2004).

Formulação baseada na teoria de Taylor (Campos Velho, 1998).

Microfísica de nuvens

Esquema de um único momento (Walko et al., 1995).

Esquema de dois momentos (Meyers et al., 1997).

Esquema de dois momentos de Thompson e ciente do aerossol (Thompson and Eidhammer, 2014).

Radiação

CARMA (Toon et al., 1989) esquemas para radiação de onda longa e onda curta.

RRTMG (Iacono et al., 2008) esquemas para radiação de onda longa e onda curta.

Convecção

Kuo modificada para convecção profunda (Tremback, 1990).

Para convecção rasa com base na abordagem do motor térmico (Souza, 1999).

Versão de conjunto para convecção profunda (Grell&Deveny, 2002).

Versão de conjunto para convecção profunda e rasa, ciente da escala e do aerossol, (Grell&Freitas, 2014).

Processos de superfície e camada limite inferior

LEAF-3 parametrização solo-vegetação-neve (Walko et al., 2000).

Esquema para áreas urbanas TEB (Town Energy Budget) (Freitas et al., 2007).

Parametrização de superfície JULES (Joint UK Land Environment Simulator scheme) (Moreira et al., 2013).

Aplicações em energia eólica

Parametrização para geração de energia eólica e perturbação da energia cinética turbulenta causada por aerogeradores (Rodrigues et al., 2020).

 

O BRAMS é equipado com um esquema de aninhamento unilateral de múltiplas grades para realizar redimensionamento em malhas computacionais de resolução espacial crescente. Capacidades originais e formulações físicas disponíveis no modelo RAMS e herdadas pelo BRAMS são descritas em Cotton et al. (2003) e suas referências.

O BRAMS pode ser executado em supercomputadores, clusters e sistemas pessoais X86 massivamente paralelos com alta eficiência. O seu desenvolvimento segue uma abordagem modular para design de código, permitindo que os usuários escrevam e conectem módulos adicionais conforme necessário. Do ponto de vista computacional, a otimização e estrutura de código aprimorada do BRAMS garantem grande escalabilidade em diversas arquiteturas. Atualmente, o BRAMS está na versão 6.0 e o seu código é mantido por uma equipe de desenvolvedores multi-institucional, liderado pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE). O BRAMS e seus componentes são de código aberto e estão disponíveis sob a Licença Pública Geral GNU na página http://brams.cptec.inpe.br.

REFERÊNCIAS

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