Algebraic reconstruction algorithms are iterative algorithms that are used in many area including medicine, seismology or meteorology. These algorithms are known to be highly computational intensive. This may be especially troublesome for real-time applications or when processed by conventional low-cost personnel computers. One of these real time applications is the reconstruction of water vapor images from Global Navigation Satellite System (GNSS) observations. The parallelization of algebraic reconstruction algorithms has the potential to diminish signi cantly the required resources permitting to obtain valid solutions in time to be used for nowcasting and forecasting weather models. The main objective of this dissertation was to present and analyse diverse shared memory libraries and techniques in CPU and GPU for algebraic reconstruction algorithms. It was concluded that the parallelization compensates over sequential implementations. Overall the GPU implementations were found to be only slightly faster than the CPU implementations, depending on the size of the problem being studied. A secondary objective was to develop a software to perform the GNSS water vapor reconstruction using the implemented parallel algorithms. This software has been developed with success and diverse tests were made namely with synthetic and real data, the preliminary results shown to be satisfactory. This dissertation was written in the Space & Earth Geodetic Analysis Laboratory (SEGAL) and was carried out in the framework of the Structure of Moist convection in high-resolution GNSS observations and models (SMOG) (PTDC/CTE-ATM/119922/2010) project funded by FCT.

A avaliação do conteúdo do vapor de água atmosférico é uma tarefa crucial para o estudo da meteorologia. Presentemente o vapor de água não é observado pelos sensores meteorológicos com uma resolução espacial e temporal suficiente, revelando-se como uma das maiores fontes de erro na previsão dos modelos numéricos, particularmente em situações de ocorrência de fenómenos meteorológicos severos. O objetivo principal deste trabalho consistiu em desenvolver um sistema tomográfico baseado em dados GNSS (Global Navigation Satellite System), que permitisse estimar o campo 3D do vapor de água troposférico numa região, de forma a avaliar a sua elevada variabilidade espácio-temporal num referencial 4D (3D espaciais mais o tempo). As observações oblíquas que rastreiam continuamente a atmosfera a partir de um conjunto de estações GNSS no terreno permitem, através da discretização do espaço da troposfera numa grelha 3D, a formulação de um sistema de equações que relaciona a medida do atraso troposférico do sinal GNSS e o vapor de água em cada espaço da grelha. O problema inverso, proposto pela tomografia GNSS, é resolvido aplicando técnicas de mínimos quadrados com incorporação de constrangimentos espácio-temporais na estabilização do sistema, que são necessários devido à cobertura insuficiente da grelha 3D por parte das observações GNSS. É investigada a inclusão de diversas medições meteorológicas externas no sistema, como perfis de radiossondas, imagens de satélite processadas com a técnica da interferometria SAR e a inclusão de produtos provenientes de sensores multiespectrais como o MODIS (Moderate-resolution imaging spectroradiometer) ou o AIRS (Atmospheric Infrared Sounder). Os lançamentos de radiossondas fornecem informação sobre a distribuição vertical da humidade na troposfera, que é fundamental para resolver o sistema tomográfico, enquanto a aquisição de imagens de satélite introduz uma alta densidade espacial de informação, devido à elevada quantidade de píxeis fornecida numa só imagem. A metodologia para realizar a tomografia GNSS foi desenvolvida de raiz e aplicada a um conjunto de estações existentes na região da Grande Lisboa, sendo um estudo pioneiro ao nível do país. Foram reunidas imagens InSAR, MODIS e AIRS localizadas sobre esta área, para realizar os constrangimentos espácio-temporais no sistema de equações. A aferição da qualidade dos resultados obtidos pela tomografia é realizada através de perfis radiossondagens e simulações da atmosfera determinadas através de simulações de modelos WRF (Weather Research and Forecast). É observado que a introdução de medições externas de humidade, para além de permitir preencher melhor o espaço da grelha tomográfica facilitando o processo de inversão do sistema de equações, permite obter uma solução 3D do vapor de água mais próxima da realidade. Neste trabalho foram também efetuados alguns estudos não relacionados diretamente com a tomografia. Foi analisada uma série contínua de dados para avaliar a relação entre o comportamento do sinal meteorológico GNSS e a ocorrência de precipitação nas estações meteorológicas locais. É observada uma correlação positiva entre eventos de precipitação intensa e o aumento rápido do PWV medido em estações GNSS. Ficou demonstrando que a combinação de dados meteorológicos com dados GNSS numa estação pode fornecer informação adicional para a previsão local e em tempo quase real de precipitação intensa. Outro estudo importante consistiu na simulação de dados GNSS, a partir dos sistemas GPS (Global Positioning System) e Galileo, avaliando o benefício para a solução tomográfica quando o sistema europeu estiver operacional. É avaliada uma série temporal contínua de soluções de um dia através da introdução de perturbações numa solução de atmosfera padrão, tendo-se verificado que o aumento do número de observações com a introdução do sistema Galileo aumenta a capacidade da tomografia GNSS na reconstrução das perturbações. A comparação visual e estatística das soluções da tomografia GNSS, avaliando a sua precisão através de perfis de radiossonda ou de simulações do modelo atmosférico WRF, indica em geral uma boa concordância com estas técnicas para todas as experiências e testes de sensibilidade realizados neste trabalho. A possibilidade de no futuro se integrar simultaneamente as observações dos diversos sistemas na tomografia GNSS poderá permitir a obtenção de soluções mais realistas.

The contribution of the evapotranspiration from a certain region to the precipitation over the same area is referred to as water recycling. In this paper, we explore the spatiotemporal links between the recycling mechanism and the Iberian rainfall regime. We use a 9 km resolution Weather Research and Forecasting simulation of 18 years (1990-2007) to compute local and regional recycling ratios over Iberia, at the monthly scale, through both an analytical and a numerical recycling model. In contrast to coastal areas, the interior of Iberia experiences a relative maximum of precipitation in spring, suggesting a prominent role of land-atmosphere interactions on the inland precipitation regime during this period of the year. Local recycling ratios are the highest in spring and early summer, coinciding with those areas where this spring peak of rainfall represents the absolute maximum in the annual cycle. This confirms that recycling processes are crucial to explain the Iberian spring precipitation, particularly over the eastern and northeastern sectors. Average monthly recycling values range from 0.04 in December to 0.14 in June according to the numerical model and from 0.03 in December to 0.07 in May according to the analytical procedure. Our analysis shows that the highest values of recycling are limited by the coexistence of two necessary mechanisms: (1) the availability of sufficient soil moisture and (2) the occurrence of appropriate synoptic configurations favoring the development of convective regimes. The analyzed surplus of rainfall in spring has a critical impact on agriculture over large semiarid regions of the interior of Iberia.