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ISSN (Print) 0187-6236 - ISSN (Online) 2395-8812
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  • Thermodynamic simulation of the seasonal cycle of temperature, pressure
           and ice caps on Mars

    • Abstract: ABSTRACT We present a thermodynamic model to simulate the atmospheric temperature and pressure, the regolith temperature and the polar CO2 ice caps vertical thickness and horizontal extent of Mars. This is done using the temperatures of the atmosphere and regolith for each Martian day of the year, determined from the thermodynamic equation. Assuming a CO2 atmosphere, we calculate its emission spectrum using the spectral calculator E-Trans with the HITRAN database (E-Trans/HITRAN), resulting in only a band at 15 mm and the rest transparent, through which the radiation emitted by the regolith and ice caps (considered as black bodies) goes toward space. We also include the solar radiation extinction and longwave emission of atmospheric dust. The equation calculates the energy balance between the absorbed solar radiation and the outgoing longwave radiation, incorporating also the latent heat released by CO2 condensation, the sensible heat flux from the surface to the atmosphere, the latent heat flux due to the CO2 ice sublimation and the heat exchange between the surface regolith layer and its lower layers. The atmospheric planetary scale horizontal turbulent heat transport is parameterized with an exchange coefficient, which is an order of magnitude smaller than that employed in the terrestrial troposphere. Considering a long-time average, the regolith vertical temperature profile is explicitly found using the thermal inertia including conductivity; its temperature regulation is achieved through the thermal conduction from the surface during the warm season. This stored energy goes back to the surface during the cold season. Our model simulates the seasonal variation of the polar ice caps and consequently of the surface atmospheric pressure through the CO2 mass balance between them. Finally, it is explicitly shown that the amplitude of the global seasonal pressure cycle is modulated by a local thermal-orographic effect, which increases (decreases) this amplitude in the low (high) regions, which agrees with the observations of the Viking Landers 1 and 2, and the Mars Climate Data Base. Our prediction for Hellas Planitia gives an amplification factor of up to 2.15, coinciding with other authors.RESUMEN Se presenta un modelo termodinámico para simular la temperatura y presión atmosféricas de Marte, la temperatura del regolito y el espesor vertical de los casquetes polares de CO2 y su extensión horizontal. Esto se hace usando las temperaturas de la atmósfera y el regolito para cada día marciano del año, determinado a partir de la ecuación termodinámica. Suponiendo una atmósfera de CO2, se calcula su espectro de emisión usando el calculador espectral E-Trans con la base de datos HITRAN (E-TRANS/HITRAN), lo que da como resultado una banda de 15 µm y el resto transparente, a través del cual la radiación emitida por el regolito y los casquetes de hielo (considerados como cuerpos negros) se escapa hacia espacio. También se incluye la extinción de la radiación solar por polvo atmosférico y su emisión de onda larga. La ecuación establece el equilibrio de energía entre la radiación solar absorbida y la radiación de onda larga saliente, incorporando también el calor latente liberado por la condensación de CO2, el flujo de calor sensible desde la superficie a la atmósfera, el flujo de calor latente debido a la sublimación de hielo de CO2 e intercambio de calor entre la capa de regolito superficial y sus capas inferiores, y el transporte de calor turbulento horizontal a escala planetaria atmosférica con un coeficiente de intercambio que es un orden de magnitud menor que el empleado en la troposfera terrestre. Considerando un promedio a largo plazo, el perfil vertical de temperatura del regolito se encuentra explícitamente utilizando la inercia térmica, incluida la conductividad; su regulación de temperatura se logra a través de la conducción térmica desde la superficie durante la estación cálida, y esta energía almacenada vuelve a la superficie durante la estación fría. Nuestro modelo simula la variación estacional de los casquetes polares y, en consecuencia, de la presión atmosférica superficial, a través del balance de masa de CO2 entre ellos. Finalmente, se muestra explícitamente que la amplitud del ciclo de presión global estacional está modulada por un efecto termo-orográfico local, que aumenta (disminuye) esta amplitud en las regiones bajas (altas), y concuerda con las observaciones de los Viking Landers 1 y 2, y la Base de Datos Climáticos de Marte. Nuestra predicción para Hellas Planitia da un factor de amplificación de hasta 2.15, en coincidencia con otros autores.
       
  • Evaluation of clearness index and cloudiness index using measured global
           solar radiation data: A case study for a tropical climatic region of
           Nigeria

    • Abstract: ABSTRACT This study uses a two-year dataset (January 2016-December 2017) on global solar radiation to model the clearness and cloudiness indices at Ile-Ife, Nigeria, a tropical location. Analysis of the daily variations showed that most days at the location are uniform in cloudiness, with scarcely any day either extremely cloudy or extremely clear. On a monthly basis, the clearness index ranged from 0.27 to 0.51, while cloudiness index ranged from 0.44 to 0.72, confirming that the variations of both ratios are influenced by changes in the position of the sun, turbidity and clouds. The seasonal variations of the two parameters were observed to be inverse, so that increases in the clearness index induced by cloudless sky and dry months correspond to decreases in the cloudiness index values and vice versa. The minimum values (0.10 and 0.28) of the clearness index at the location are observed to be higher than the minimum value of 0.05 stipulated for the clearness index in cloudy conditions. Two empirical equations for estimating the maximum clearness index in terms of the average clearness index and the cloudiness index in terms of the clearness index are developed and recommended for other locations with climatological conditions similar to those of the study site. It was furthermore observed from the evaluation of formulated empirical equations that the Hollands and Huget and the Saunier et al. models performed well and improved by about 23.62 and 3.66%, respectively, after calibration, to make the models suitable for their application at other tropical areas.RESUMEN En este estudio se utiliza una base de datos de radiación solar de dos años (enero 2016-diciembre 2017) para modelar índices de claridad y nubosidad en Ile-Ife, Nigeria, una localidad tropical. Los análisis de variación diaria mostraron que en la mayor parte de los días la nubosidad es uniforme en el sitio de estudio, con muy pocos días extremadamente claros o nubosos. En el plano mensual, el índice de claridad fluctuó entre 0.27 y 0.51, en tanto que el índice de nubosidad varió de 0.44 a 0.72, lo cual confirma que las variaciones en ambos índices son inducidas por cambios en la posición del sol, así como por la turbidez y las nubes. Se observó que las variaciones estacionales de ambos parámetros son inversas, de manera que los incrementos en el índice de claridad favorecidos por cielos despejados y meses sin lluvia corresponden a descensos en los valores del índice de nubosidad y viceversa. Los valores mínimos del índice de claridad (0.10 y 0.28) en el sitio de estudio fueron mayores al valor mínimo (0.5) establecido para dicho índice en condiciones de nubosidad. Se desarrollaron dos ecuaciones empíricas para calcular el máximo índice de claridad a partir del índice de claridad promedio y el índice de nubosidad a partir del índice de claridad, y se sugiere su uso para locaciones con condiciones climatológicas similares al área de estudio. También se comprobó que los modelos de Hollands y Huget y de Saunier et al. tuvieron un buen desempeño, el cual mejoró en alrededor de 23.62 y 3.66%, respectivamente, después de la calibración, por lo que se consideran adecuados para su uso en otras zonas tropicales.
       
  • Preliminary study of soot and polycyclic aromatic hydrocarbons in emitted
           particles from adobe kilns that use scrap tires as fuel

    • Abstract: ABSTRACT Artisanal pottery in Mexico is largely manufactured in handmade adobe kilns using scrap tires as main fuel in rural and periurban areas, making this activity one of the main sources of atmospheric pollutants. An intensive sampling campaign was conducted in a Mexican small town in order to characterize the toxic species emitted by more than 400 adobe kilns working in two scenarios: low and normal activity, as well as to determine their carcinogenic potential. PM10 concentrations ranged 50-80 µg m−3 and 77-290 µg m−3 during low and normal activity periods, while PM2.5 concentrations were 33-57 µg m−3 and 37-177 µg m−3 in the same periods. Organic carbon and elemental carbon presented concentrations around four and seven times greater, respectively, during a normal activity period than during a low activity period in both particle sizes. Quantified polycyclic aromatic hydrocarbons were twice greater during the normal activity period than during the low activity period. Carcinogenic PAHs accounted for 53-59% of total PAHs in all cases and the carcinogenic potential (B[a]Peq) in PM10 during the normal activity was 25 times higher than the European Commission recommendation, proving thereby the high risk that nearby population faces to those emissions.RESUMEN La alfarería artesanal en México se fabrica principalmente en hornos de adobe hechos a mano, utilizando llantas de desecho como principal combustible en áreas rurales y periurbanas, lo que convierte a esta actividad en una de las principales fuentes de contaminantes atmosféricos. Se realizó una campaña intensiva de muestreo en un pequeño poblado mexicano con el fin de caracterizar las especies tóxicas emitidas por más de 400 hornos de adobe que funcionan durante dos escenarios: baja actividad y actividad normal, así como determinar su potencial carcinogénico. Las concentraciones de PM10 fluctuaron de 50 a 80 µg m-3 y de 77 a 290 µg m-3 durante los períodos de actividad baja y normal, respectivamente, mientras que las concentraciones de PM2.5 variaron de 33 a 57 µg m-3 y de 37 a 177 µg m-3, respectivamente, en el mismo periodo. El carbono orgánico y el carbono elemental presentaron concentraciones alrededor de cuatro y siete veces mayores, respectivamente, durante el periodo de actividad normal respecto al periodo de baja actividad en ambos tamaños de partículas. Los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) cuantificados fueron dos veces mayores durante el periodo de actividad normal que en el periodo de baja actividad. Los HAP cancerígenos representaron de 53 a 59% del total de HAP en todos los casos y su potencial cancerígeno (B[a]Peq) en PM10, durante la actividad normal, fue 25 veces mayor que el valor recomendado por la Comisión Europea, lo que demuestra el alto riesgo que tiene la población cercana por estar expuesta a esas emisiones.
       
  • Is the energy balance in a tropical lowland rice paddy perfectly
           closed'

    • Abstract: ABSTRACT A two-year (2015 and 2016) field experiment was carried out to study the surface energy budget and energy balance closure (EBC) in a tropical lowland rice paddy in Cuttack, India. Maintenance of a standing water layer in lowland irrigated rice ecosystem makes it unique and this strongly influences the surface energy balance which may alter the surface runoff, ground water storage, water cycle, surface energy budget, and possibly microclimate of the region. To study this, an experiment was conducted using eddy covariance system to measure the surface energy balance components during two cropping seasons (dry season, DS and wet season, WS) and two consecutive fallow periods (dry fallow, DF and wet fallow, WF). The rice was grown in puddled wet lands in DS and WS and the ground was left fallow (DF and WF) during the rest of the year. Results displayed that daily average latent heat flux at surface (LE) and at canopy height (LEc) dominated over sensible heat flux at surface (H) and canopy height (Hc), respectively due to the presence of water source coming from the standing water in the rice field. The EBC was evaluated by ordinary least square (OLS), energy balance ratio (EBR) and residual heat flux (RHF). In OLS, the slope ranged 0.38-0.89 (2015) and 0.28-0.99 (2016) during the study period. Average RHF was 10.3-12.0% higher in WS as compared to DS. It was concluded that the EBC estimated using RHF is the most suitable way to calculate closure for lowland rice paddy since it can distinguish different seasons distinctively, followed by OLS. Much variation was not observed in EBR after inclusion of storage terms (water, soil, photosynthesis, canopy) to the classical EBR.RESUMEN Se realizó un experimento de campo de dos años de duración (2015-2016) para estudiar el balance de energía en superficie y el cierre del balance de energía (CBE) en una plantación tropical de arroz en tierras bajas de Cuttack, India. El mantenimiento de una capa permanente de agua en arrozales de tierras bajas convierte a estos ecosistemas en entornos singulares que influyen de manera importante en el balance de energía en superficie, lo cual puede alterar la escorrentía superficial, el almacenamiento de aguas subterráneas, el ciclo hidrológico, el inventario de energía en superficie y posiblemente el microclima regional. Para estudiar lo anterior se realizó un experimento en el que se utilizó un sistema de covarianza de remolinos para medir los componentes del balance de energía en superficie en dos temporadas de cultivo (seca y húmeda), y dos temporadas de barbecho subsiguientes. El arroz se cultivó en tierras inundadas durante las temporadas seca y húmeda y el terreno se dejó barbechado durante el resto del año. Los resultados muestran que el promedio diario del flujo de calor latente predomina sobre el flujo de calor sensible, tanto en la superficie como en el vértice de la cubierta vegetal, debido a la presencia de una fuente de agua permanente en el campo de arroz. El CBE se evaluó por medio de mínimos cuadrados lineales, índice del balance de energía y flujo de calor residual. Respecto de los mínimos cuadrados ordinarios, la pendiente varió durante el periodo de estudio de 0.38 a 0.89 (2015) y de 0.28 a 0.99 (2016). El flujo residual de calor promedio fue 10.3 a 12.0% mayor en la temporada húmeda en comparación con la temporada seca. Se concluyó que el flujo de calor residual es más adecuado para calcular el CBE de un cultivo de arroz en tierras bajas, ya que puede distinguir las estaciones con claridad, seguido por el método de mínimos cuadrados lineales. No se observó una variación importante en el índice de balance de energía clásico después de la inclusión de los factores de almacenaje en éste (agua, suelo, fotosíntesis, cubierta vegetal).
       
  • Investigating the performance of SWAT and IHACRES in simulation streamflow
           under different climatic regions in Iran

    • Abstract: ABSTRACT It is often reported that simpler models, due to their low parameter requirements, perform better than more complex models. To test this, the current study compared a simple rainfall-runoff model (IHACRES) with a complex watershed model (SWAT). Based on these two approaches, six models were developed for three climatically distinct (arid, semi-arid and semi-humid) watersheds in Iran. The coefficient of determination (R2) and the Nash-Sutcliffe model efficiency coefficient (NS) were calculated in each case. In arid, semi-arid, and semi-humid watersheds the SWAT model (R2 = 0.52, 0.68, 0.66; NS = 0.54, 0.63, 0.64, respectively) outperformed the IHACRES model (R2 = 0.37, 0.70, 0.57; NS = 0.22, 0.57, 0.56, respectively) for the same respective climate zones. Overall, SWAT performed better than IHACRES, although both models had acceptable performances in the semi-arid and semi-humid watersheds. In the arid watershed, the IHACRES model performed poorly compared to SWAT.RESUMEN A menudo se reporta que los modelos más simples tienen mejor desempeño que los más complejos debido a que requieren menos parámetros. Para probar lo anterior, en el presente estudio se comparó un modelo simple de escorrentía de precipitación (IHACRES) con un modelo complejo de cuencas (SWAT). Con base en estos dos enfoques se desarrollaron seis modelos para tres cuencas climatológicamente diferentes (árida, semiárida y semihúmeda) en Irán. En cada caso se calculó tanto el coeficiente de determinación (R2) como el coeficiente Nash-Sutcliffe (NS) de eficiencia del modelo. En cuencas áridas, semiáridas y semihúmedas el modelo SWAT (R2 = 0.52, 0.68, 0.66; NS = 0.54, 0.63, 0.64, respectivamente) tuvo mejor desempeño que el modelo IHACRES (R2 = 0.37, 0.70, 0.57; NS = 0.22, 0.57, 0.56, respectivamente) para las zonas climáticas respectivas. En general, el modelo SWAT tuvo mejor desempeño que el modelo IHACRES, aunque ambos se desempeñaron de manera satisfactoria en cuencas semiáridas y semihúmedas. En la cuenca árida, el modelo IHACRES tuvo un desempeño deficiente en comparación con el modelo SWAT.
       
  • Influence of Santa Ana winds on the surface circulation of Todos Santos
           Bay, Baja California, Mexico

    • Abstract: ABSTRACT The influence of easterly and northeasterly dry and warm Santa Ana winds (SAw) on the surface circulation of Todos Santos Bay, Mexico, is studied from surface currents and wind data measured during the most extreme periods of activity (autumn-winter season). Sea surface currents were measured using a system of coastally-based HF radar stations between 2009 and 2015. Winter-mean surface circulation showed a cyclonic tendency. Atmospheric variables allowed the grouping of ~122 SAw events, 23% of which caused a noticeable change in the background circulation. Event-mean current patterns showed dissimilar responses to the acting winds, with some SAw events driving weak offshore currents, another that developed an eddy-pair circulation inside the bay, and one rather intense (winds of 8-10 m s-1) that developed a clockwise circulation overturning the cyclonic long-term winter-mean. In general, changes in the circulation were related to an offshore transport of surface waters into the open ocean.RESUMEN Se utilizan datos de vientos y corrientes superficiales para estudiar la influencia de vientos de Santa Ana (SAw), relativamente secos y cálidos del este y noreste, sobre la circulación superficial de la Bahía de Todos Santos, México. El análisis se realiza para periodos de vientos intensos en la época de otoño-invierno. Las corrientes superficiales fueron medidas entre 2009 y 2015 usando un sistema de estaciones de radar HF sobre la costa. La circulación superficial promedio durante el invierno mostró una tendencia ciclónica. Las variables atmosféricas permitieron identificar ~122 eventos SAw, de los cuales 23% causó un cambio notable en la circulación media. Los patrones de circulación promedio durante los eventos cálidos mostraron respuestas diferentes a los vientos forzantes. En algunos eventos la influencia de los vientos generó corrientes débiles hacia afuera de la costa, mientras que en otros se desarrolló una circulación de dos remolinos ciclónicos dentro de la bahía. Un evento intenso (8-10 ms-1) desarrolló una circulación anticiclónica, opuesta a la circulación ciclónica promedio de invierno. En general, los cambios en la circulación mostraron relación con un transporte en la misma dirección del viento hacia el océano abierto.
       
  • Parametric study of hurricanes intensity as they move over land

    • Abstract: ABSTRACT Two of the most important tropical cyclone parameters, which are used as a measure of their intensity, are the maximum surface wind speed (local parameter) and the pressure difference between the free atmosphere and the pressure in the center of the storm (global parameter). In this paper we reexamined the relationship between these parameters via the Euler number, which is a nondimensional parameter that relates the overall pressure difference to the dynamic pressure generated by the maximum value of the wind speed. The calculations were performed all along the track of 20 tropical cyclones using the National Hurricane Center’s extended best track database for the Atlantic basin. It was found that when the cyclone is over water, the Euler number tends to remain constant, while over land the parameter varies drastically with a tendency to grow. These results confirm that over sea, when they have reached hurricane strength, tropical cyclones evolve slowly remaining near the steady state, highlighting the importance of transient states during strong dissipation. The Euler number seems to be independent of the global warming.RESUMEN Dos de los parámetros más importantes del ciclón tropical, que se utilizan como una medida de su intensidad, son la velocidad máxima del viento en la superficie (parámetro local) y la diferencia de presión entre la atmósfera libre y la presión en el centro de la tormenta (parámetro global). En este documento reexaminamos la relación entre estos parámetros a través del número de Euler. El número de Euler es un parámetro adimensional que relaciona la diferencia de presión global con la presión dinámica generada por el valor máximo de la velocidad del viento. Los cálculos se realizaron a lo largo del recorrido de veinte ciclones tropicales utilizando la base de datos del Centro Nacional de Huracanes de EUA para la cuenca del Atlántico. Se encontró que cuando el ciclón está sobre el agua, el número de Euler tiende a permanecer constante, mientras que sobre tierra el parámetro varía drásticamente con una tendencia a crecer, confirmando que en el mar, cuando ha alcanzado la intensidad de huracán, los ciclones tropicales evolucionan lentamente permaneciendo cerca del estado estacionario, resaltando la importancia de los efectos transitorios al tocar tierra la tormenta. El número de Euler en ciclones tropicales es independiente del calentamiento global.
       
  • Analysis and selection of optimal sites for wind farms: case study, region
           north of Mexico

    • Abstract: ABSTRACT The analytic hierarchy analysis process allowed establishing a hierarchical model of a target function under a set of criteria aimed at choosing the best sites for the installation of wind farms in the north of Mexico. In this study, a large number of known and estimated criteria of diverse types (technical, economic, environmental, and social) were used, based on preliminary studies and information that allowed for the identification of the most relevant variables. The process simplifies a complex problem into simpler ones that can be analyzed independently, facilitating the efforts of decision takers since it allows envisaging the feasible alternatives. Once the most weighty and relevant variables were obtained, each variable was transformed into feasibility maps, and through the technique of map algebra coupled to a geographic information system, the sites were assessed in feasibility percentages in a general map fulfilling the set of imposed variables. The best scenarios for the location of a wind farm corresponded to the southern part of the state of Coahuila. The multicriteria analyses focused on decision-making within the planning process and characterization of feasible sites for a wind farm, are tools that optimize the selection of different variables, favoring the most relevant for the project by considering decision elements that are difficult to assess or quantify.RESUMEN El proceso de análisis jerárquico permitió establecer un modelo jerárquico de función objetivo con un conjunto de criterios, con la finalidad de seleccionar los mejores sitios para la instalación de un parque eólico en la región norte de México. En este estudio se utilizó un gran número de criterios conocidos y estimados de distintos tipos (técnicos, económicos, ambientales y sociales) basados en estudios e información preliminar. Dichos criterios permitieron identificar las variables de mayor importancia. El proceso simplifica un problema complejo dividiéndolo en procesos más simples que pueden analizarse de forma independiente, facilitando así la labor de los encargados de la toma de decisiones, ya que permiten contemplar alternativas viables. Obtenidas las variables de mayor peso e importancia para el estudio se transformó cada una de ellas en mapas de factibilidad. Luego, mediante la técnica de algebra de mapas acoplada a un sistema de información geográfica se evaluaron los sitios (en porcentajes de factibilidad) en un mapa general que cumple con el conjunto de las variables impuestas. Los mejores escenarios para la ubicación de un parque eólico se localizaron en la parte sur del estado de Coahuila. Los análisis de criterios múltiples enfocados a la toma de decisiones en el proceso de planeación y caracterización de sitios factibles de un parque eólico, son herramientas que optimizan la selección de distintas variables favoreciendo las más importantes del proyecto, al permitir que se tomen en cuenta elementos de decisión difíciles de evaluar o cuantificar.
       
 
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