( PDF ) Estudo de um sistema convectivo de mesoescala (SCM) observado nos dias 19 e 20/02/2003 sobre o Rio Grande do Sul

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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO

UNIVERSIDADE FEDERAL DE PELOTAS

FACULDADE DE METEOROLOGIA

ESTUDO DE UM SISTEMA CONVECTIVO DE MESOESCALA (SCM)

OBSERVADO NOS DIAS 19 E 20/02/2003

SOBRE O RIO GRANDE DO SUL

LUCIANA BARROS PINTO

Dissertação apresentada à Universidade

Federal de Pelotas, sob a orientação da Profª.

Dra. Cláudia Rejane Jacondino de Campos,

como parte das exigências do Programa de

Pós-Graduação em Meteorologia, para a

obtenção do título de Mestre em Ciências

(M.S.).

PELOTAS

Rio Grande do Sul - Brasil

Fevereiro de 2006

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Dados de catalogação na fonte:

Ubirajara Buddin Cruz – CRB-10/901

Biblioteca de Ciência & Tecnologia - UFPel

P659e Pinto, Luciana Barros

Estudo de um sistema convectivo de mesoescala

(SCM) observado nos dias 19 e 20/02/2003 sobre o Rio

Grande do Sul / Luciana Barros Pinto ; orientador Claudia

Rejane Jacondino de Campos. – Pelotas, 2006. – 84f. –

Dissertação (Mestrado). Programa de Pós-Graduação em

Meteorologia. Faculdade de Meteorologia. Universidade

Federal de Pelotas. Pelotas, 2006.

1.Meteorologia. 2.Sistemas convectivos de

mesoescala. 3.Ciclo de vida. 4.Ambiente sinótico. 5.Perfil

vertical. I.Campos, Claudia Rejane Jacondino de. II.Título.

iii

No fim tudo dá certo, se não deu certo é porque

ainda não chegou ao fim.

(Fernando Sabino)

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Ao meu maior amor: minha família.

AGRADECIMENTOS

Primeiramente, a Deus e aos meus pais, José Raimundo Pinto Filho e Maria de

Fátima Barros Pinto, que sempre foram meus exemplos de pessoas honestas e

batalhadoras, pois sem o amor, incentivo, carinho e amizade deles, com certeza não

chegaria até aqui.

À minha orientadora professora Drª Cláudia Rejane Jacondino de Campos, que

desde a graduação me acompanha mostrando sempre o jeito mais claro de colocar

minhas idéias, e que para mim é mais que uma professora é uma amiga que levarei

para toda a vida.

Aos meus irmãos e amigos distantes pelo carinho e apoio.

À minha amiga Jeanine Falconi Acosta pela amizade de todos esses anos, pelas

longas horas de conversas e risadas que sempre me serviram de refúgio.

Aos meus amigos Taís Pegoraro Scaglioni, Mateus Santin e Marcelo Félix Alonso,

pela ajuda, paciência e amizade.

Ao Dr. Daniel Vila que teve um papel fundamental na elaboração desse trabalho,

com a sua ajuda, disponibilidade e atenção.

Ao Celaniro Borges de Farias Junior, funcionário do curso de Pós-Graduação, que

sempre esteve pronto para ajudar.

À Universidade Federal de Pelotas pela oportunidade de realizar o curso de Pós-

Graduação em Meteorologia.

Aos professores do Curso de Pós-Graduação por ensinamentos.

À banca examinadora pelas sugestões valiosas para o aprimoramento deste

trabalho.

À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) pela

concessão da bolsa de estudos.

A todos aqueles que de alguma forma contribuíram para a realização desse

trabalho.

vii

RESUMO

PINTO, LUCIANA BARROS. MS., Universidade Federal de Pelotas, Fevereiro 2006.

Estudo de um Sistema Convectivo de Mesoescala (SCM) observado nos dias

19 e 20/02/2003 sobre o Rio Grande do Sul. Professora Orientadora: Drª. Cláudia

Rejane Jacondino de Campos.

Nesse trabalho, foi feito um estudo das características radiativas e morfológicas,

utilizando a técnica ForTrACC (Vila, 2004) e um estudo do ambiente sinótico e dos

perfis verticais de algumas variáveis, utilizando o modelo BRAMS, do caso de

Sistema Convectivo de Mesoescala (SCM) mais precipitante sobre o Rio Grande do

Sul, ocorrido entre novembro de 2002 a fevereiro de 2003. O caso selecionado foi o

do dia 19 e 20/02/2003, onde apenas um sistema foi o responsável pela precipitação

registrada nas estações meteorológicas em superfície. Esse teve o ciclo de vida de

23 horas, com início às 13 UTC do dia 19/02/03, maturação às 04 UTC e dissipação

às 11:30 UTC do dia 20/02/03. Durante todo esse período, apresentou topos frios

com núcleos com temperatura abaixo de 210 K. Ficou evidenciado também, que o

sistema teve um comportamento semelhante ao modelo conceitual, onde primeiro

viii

sofre uma forte convecção, atingindo valores menores de temperatura, para depois

se expandir no estágio de maturação. Pode-se concluir que a relação entre a

temperatura mínima sobre as estações que foram mais afetadas pelo sistema, e a

precipitação registrada em superfície foi inversa, com os maiores valores de

precipitação coincidindo com os menores valores de temperatura mínima. Pela

simulação feita com o modelo BRAMS, com saídas de 1 em 1 hora, pode-se detalhar

todo o ambiente sinótico onde o SCM encontrava-se durante seu ciclo de vida,

sendo capaz de reproduzir as condições favoráveis para sua iniciação,

desenvolvimento e dissipação. Também foi possível descrever o comportamento dos

perfis verticais do vento, umidade específica, velocidade vertical e temperatura

potencial equivalente, para cada etapa do ciclo de vida do sistema.

Palavras-chave: Sistemas convectivos de mesoescala, ciclo de vida, Ambiente

Sinótico, Perfil Vertical.

ABSTRACT

PINTO, LUCIANA BARROS. MS., Federal University of Pelotas, February 2006.

Study of a Convective Mesoscale System (CMS) observed on 19 and 20 February

2003 on Rio Grande do Sul state. Guiding teacher: Drª. Cláudia Rejane Jacondino of

Campos.

In this work, it was made a study of a Convective Mesoscale System(CMS) more

precipitant on Rio Grande do Sul, occurred between November 2002 and February of

2003, where it was analyzed the: i) radioactive and morphologic characteristics the

CMS, using the technique ForTrACC (Torres, 2004) and ii) sinoptic environment and

vertical profiles of some meteorological variables, using BRAMS model. The selected

case occurred on 19 and 20 February 2003, where just one system was the

responsible for the precipitation registered in the meteorological stations in surface.

This CMS had a life cycle of 23 hours, with beginning at 13 UTC from 02/19/03,

maturation at 04 UTC from 02/20/03 and dissipation at 11:30 UTC from 02/20/03.

During that whole period, it presented cold tops with nuclei with temperature below

210 K. It was evidenced also, that the system had similar behavior to the conceptual

model, where first suffers a strong convection, reaching smaller values of

temperature, for later to expand in the maturation phase. It can be ended that the

relationship between the minimum temperature on the stations that were more

affected for the system, and the precipitation registered in surface was inverse, with

the higher precipitation values coinciding with the smallest values of minimum

temperature. For the simulation made with the BRAMS model, using an interval of

exits of 1 hour, could be detailed the whole synoptic environment where CMS was

during its life cycle, being able to reproduce the favorable conditions for its initiation,

development and dissipation. It was also possible to describe the behavior of the

vertical wind profiles, specific humidity, vertical speed and equivalent potential

temperature, for each stage of the system life cycle.

Key-word: Convective Mesoscale System, Life Cycle, Synoptic Environment,

Vertical Profile

ÍNDICE

Páginas

RESUMO ----------------------------------------------------------------------------------------------- vii

LISTA DE FIGURAS ------------------------------------------------------------------------------- xiii

LISTA DE TABELAS--------------------------------------------------------------------------------xvi

INTRODUÇÃO------------------------------------------------------------------------------------------1

ANÁLISE DAS CARACTERÍSTICAS MORFOLÓGICAS E RADIATIVAS ---------- 16

INTRODUÇÃO -------------------------------------------------------------------------------------- 16

MATERIAL E MÉTODOS-------------------------------------------------------------------------- 17

RESULTADOS E DISCUSSÃO -------------------------------------------------------------------- 19

AMBIENTE SINÓTICO E PERFIS VERTICAIS--------------------------------------------- 28

INTRODUÇÃO -------------------------------------------------------------------------------------- 28

MATERIAL E MÉTODOS-------------------------------------------------------------------------- 30

RESULTADOS E DISCUSSÃO -------------------------------------------------------------------- 31

Ambiente de grande escala ---------------------------------------------------------------------- 31

xii

Perfis verticais------------------------------------------------------------------------------------- 43

CONCLUSÃO GERAL------------------------------------------------------------------------------ 47

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS------------------------------------------------------------ 50

ANEXOS------------------------------------------------------------------------------------------------ 57

ANEXO 1: CAMPOS, Cláudia Rejanejacondino de; PINTO, Luciana Barros. Análise das

características físicas e do ambiente sinótico de um SCM ocorrido sobre o Rio Grande do

Sul nos dias 19 e 20 de fevereiro de 2003. In: III CONGRESO CUBANO DE

METEOROLOGÍA, 2005, Havana. CD-ROM do III Congreso Cubano de Meteorología.

2005.--------------------------------------------------------------------------------------------------- 58

ANEXO 2: PINTO, Luciana Barros; CAMPOS, Cláudia Rejane Jacondino de. Análise do

impacto em superfície do Sistema Convectivode Mesoescala ocorrido no norte do Rio

Grande do Sul. In: XIV CONGRESSO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA E VII ENCONTRO

DE PÓS-GRADUAÇÃO, 2005, Pelotas. CD-ROM do XIV Congresso de Iniciação

Científica e VII Encontro de Pós-Graduação. 2005. ------------------------------------------- 68

xiii

LISTA DE FIGURAS

Páginas

FIGURA 1 – Método de calculo da velocidade e direção de propagação do SC....................13

FIGURA 2 – Representação de um diagrama de blocos dos diferentes módulos que integram

o sistema ForTrACC.................................................................................................................14

FIGURA 3 – Precipitação acumulada (mm) das 12UTC do dia 19/02/03 às 12UTC do dia

20/02/03....................................................................................................................................20

FIGURA 4 – Evolução da temperatura mínima e da taxa de expansão dos 66 sistemas que

atuaram sobre a região, das 12 UTC do dia 19/02/03 às 12 UTC do dia 20/02/03..................21

FIGURA 5 – Imagens do satélite GOES 8, no canal infravermelho térmico (TRMM/NCEP),

mostrando a evolução do SCM entre os dias 19 e 20 de fevereiro de 2003.............................23

FIGURA 6 – Evolução do tamanho (pixels) e da Temperatura média (K) do SCM que atingiu

o estado, das 12 UTC do dia 19/02/03 às 12 UTC do dia 20/02/03.........................................24

FIGURA 7 – Evolução do tamanho (pixels) e da Temperatura mínima (K) do SCM que

atingiu o estado, das 12 UTC do dia 19/02/03 às 12 UTC do dia 20/02/03.............................24

xiv

FIGURA 8 – Evolução do tamanho dos topos frios (pixels) do SCM que atingiu o estado, das

12 UTC do dia 19/02/03 às 12 UTC do dia 20/02/03...............................................................25

FIGURA 9 – Evolução da temperatura mínima nas estações meteorológicas de Lagoa

Vermelha e Passo Fundo, das 12 UTC do dia 19/02/03 as 12 UTC do dia 20/02/03. .............26

FIGURA 10 – Imagens de satélite referentes as três etapas do ciclo de vida do SCM, a) início

(13UTC do dia 19/02/2003), b) maturação (07:30UTC do dia 20/02/2003) e c) dissipação

(11:30UTC do dia 20/02/2003). ...............................................................................................32

FIGURA 11 – Campos do BRAMS: a e b) vento (ms

-1

, vetor) e convergência de umidade

(gkg

-1

, hachurado), c e d) temperatura (°C, linha) e umidade (g kg

-1

, hachurado) em 1000 e

850 hPa, respectivamente, e e) velocidade vertical (ms

-1

, hachurado) em 850 hPa.................35

FIGURA 12 – Campos do BRAMS de vento (ms

-1

, vetor) e velocidade vertical (ms

-1

hachurado), no nível de 500 hPa. .............................................................................................36

FIGURA 13 – Campos do BRAMS: a) vento (ms

-1

, vetor) e divergência (10

-4

-1

, hachurado) e

b) temperatura (°C, linha), no nível de 200 hPa.......................................................................36

FIGURA 14 – Campos do BRAMS: a e b) vento (ms

-1

, vetor) e convergência de umidade

(gkg

-1

, hachurado), c e d) temperatura (°C, linha) e umidade (g kg

-1

, hachurado) em 1000 e

850 hPa, respectivamente, e e) velocidade vertical (ms

-1

, hachurado) em 850 hPa.................39

FIGURA 15 – Campos do BRAMS de vento (ms

-1

, vetor) e velocidade vertical (ms

-1

hachurado), no nível de 500 hPa. .............................................................................................40

FIGURA 16 – Campos do BRAMS: a) vento (ms

-1

, vetor) e divergência (10

-4

-1

, hachurado) e

b) temperatura (°C, linha), no nível de 200 hPa.......................................................................40

FIGURA 17 – Campos do BRAMS: a e b) vento (ms

-1

, vetor) e convergência de umidade

(gkg

-1

, hachurado), c e d) temperatura (°C, linha) e umidade (g kg

-1

, hachurado) em 1000 e

850 hPa, respectivamente, e e) velocidade vertical (ms

-1

, hachurado) em 850 hPa.................42

FIGURA 18 – Campos do BRAMS de vento (ms

-1

, vetor) e velocidade vertical (g kg

-1

hachurado), no nível de 500 hPa. .............................................................................................43

FIGURA 19 – Campos do BRAMS de a) vento (ms

-1

, vetor) e divergência (10

-4

-1

hachurado) e b) temperatura (°C, linha), no nível de 200 hPa. ................................................43

FIGURA 20 – Perfil vertical de a) vento (ms-1), b) velocidade vertical (ms-1), c) umidade

específica (g Kg-1) e d) temperatura potencial equivalente (K). As linhas de cor azul

representam a fase de iniciação do sistema, as de cor vermelha, a fase de maturação e, as de

cor verde, a fase de dissipação..................................................................................................46

xvi

LISTA DE TABELAS

Páginas

TABELA 1 – Precipitação registrada em superfície (mm). ....................................................27

INTRODUÇÃO

Os fenômenos convectivos são conhecidos pelos danos que causam em

suas áreas de atuação, visto que sua ocorrência, geralmente, vem acompanhada de

precipitações intensas, fortes rajadas de ventos e granizo. No Rio Grande do Sul,

grande parte da precipitação registrada nas estações quentes, é associada a

Sistemas Convectivos de Mesoescala (SCM). Devido à severidade das condições

associadas a eles, os SCM tem sido de grande interesse dos pesquisadores, que

buscam um melhor entendimento de sua estrutura de formação e manutenção, a fim

de se gerar uma previsão mais confiável da ocorrência dos mesmos, para que se

possam diminuir os prejuízos por eles gerados.

Os SCM possuem formas variadas, sendo definidos como Linhas de

Instabilidade (LI), os que possuem forma de linha e, como Complexos Convectivos

de Mesoescala (CCM), os que apresentam um formato circular, ou como,

simplesmente, SCM, os de formas irregulares. Entretanto, esses sistemas possuem

muitas características em comum. Por exemplo, todos os SCM apresentam área

com contínua precipitação, que pode ser parcialmente estratiforme e parcialmente

convectiva.

Houze (1993) definiu os Sistemas Convectivos de Mesoescala como sendo

sistemas formados por blocos de tempestades individuais e em linhas, com uma

dinâmica mais complexa do que a dos mesmos, por sua formação ser ocasionada

pela união destes sistemas. Ainda segundo ele, o ciclo de vida dos SCM pode ser

dividido em quatro etapas. Durante o estágio de formação, o sistema surge como um

grupo de células isoladas, ora distribuídas aleatoriamente, ora alinhadas. No estágio

de desenvolvimento as células isoladas crescem e se fundem, gerando uma região

de precipitação com diversos núcleos de precipitação intensa interligados por

regiões de precipitação mais fraca. No estágio máximo, forma-se uma grande região

de precipitação estratiforme a partir de células mais antigas que persistem enquanto

existirem células novas. No estágio de dissipação a formação de novas células

diminui, e o sistema se torna uma larga região de precipitação estratiforme,

enfraquecendo-se, restando apenas algumas células convectivas tênues. Esse

comportamento também foi registrado por Machado e Rossow (1993).

A formação desses sistemas convectivos é originada pela existência de

algumas forçantes que disparam a convecção, geralmente iniciada pela

convergência de ar quente e úmido em níveis mais baixos da atmosfera. Entre os

diversos mecanismos que podem originar essa convergência, podemos citar a

circulação mar e terra, a circulação vale e montanha, a convergência ao longo de

superfícies frontais em latitudes médias, a existência de gradientes de umidade no

solo, os jatos de baixos níveis, entre outros. Segundo Maddox (1983) e Jirak e

Cotton (2003), estudando a região central dos EUA, a condição primordial para a

iniciação, organização e manutenção de um SCM, é uma convergência na média

troposfera, aparentemente forçada por um jato em baixos níveis e uma advecção

quente e úmida. Essa condição foi comprovada por Guedes et al (1994) que ao

estudar a região sul da América do Sul, mostrou que a essa condição estava

também associado um jato em altos níveis.

As principais características que podem ser observadas nos SCM são: em

baixos níveis, uma zona convectiva marcada por um fluxo convergente que alimenta

o sistema e mais particularmente as ascendências convectivas. Atrás deste fluxo,

pode-se observar um fluxo divergente que se incorpora ao sistema. Parte deste fluxo

é desviada para os níveis mais próximos da superfície, atrás do fluxo que entra, e

alimenta as subsidências convectivas. Uma outra parte, a mais larga é acelerada

para trás dentro da região estratiforme onde, por essência, a subsidência de ar

ocorre. Nas camadas intermediárias e altas, o fluxo na região convectiva apresenta

um aspecto divergente acima das células convectivas. Após a linha convectiva, este

fluxo se incorpora ao sistema e mais especificamente à região estratiforme sofrendo

deformação (Campos e Chong, 1999). Essas são algumas das características bem

conhecidas dos SCM (Houze e Betts, 1981; Chong et al., 1987; Roux, 1988).

Observa-se também que as subsidências convectivas são claramente separadas da

subsidência de mesoescala. Estas últimas, na região estratiforme contribuem, em

grande parte, para alimentar o fluxo dirigido para trás do sistema e observa-se

também a presença de uma corrente de densidade associada a subsidência

convectiva.

Com relação aos movimentos verticais associados aos SCM, a subsidência

de baixos níveis induz a ocorrência de precipitações convectivas, que são

geralmente associadas a aguaceiros e tempestades de granizos e que alimentam o

ar frio que se acumula abaixo da região convectiva, que forma a frente de rajada do

SCM. Além das subsidências de baixos níveis podem-se observar subsidências de

altitude que tendem a ocorrer em ambos os lados dos núcleos e ascendências, onde

os núcleos de ascendência são organizados verticalmente na região convectiva e

horizontalmente na região estratiforme (Houze, 1993).

Uma outra característica muito importante para se entender a evolução

desse tipo de sistema é o comportamento do perfil vertical de determinadas variáveis

meteorológicas. Guedes e Machado (2003), estudando o perfil vertical das

perturbações convectivas (PC) na região equatorial (15°N e 5°S de latitude e 20°E e

130°W de longitude), para o período de julho de 1983 a dezembro de 1990,

observaram que ao comparar o perfil perturbado com o perfil médio o

comportamento da temperatura e do geopotencial apresentam-se articulados entre si

em todos os níveis de pressão, ou seja, quando há aquecimento ocorre menor

geopotencial e quando há resfriamento aumenta o geopotencial observado.

Mostraram também que durante a evolução da PC, ao longo do seu ciclo de vida, o

geopotencial, a temperatura, a umidade e a velocidade vertical evoluem de forma

combinada entre as fases e acopladas verticalmente, podendo assim, em função

desse acoplamento determinar a iniciação, a intensificação e a duração da própria

PC. Seis horas antes da iniciação já é possível identificar condições dinâmicas e

termodinâmicas que indicariam a presença de uma PC, tais como, aumento da

temperatura, diminuição do geopotencial, aumento da velocidade vertical

principalmente em baixos níveis e aumento da umidade atmosférica. E Torres

(2003), estudando os SCM altamente precipitantes no norte e no centro da

Argentina, mostrou que ao longo de todo o ciclo de vida dos SCM, encontra-se uma

profunda camada de convergência, da superfície até a troposfera média, e

divergência na troposfera superior. Essa convergência é associada a um movimento

vertical ascendente em toda a troposfera, que se reduz em torno de um terço na

dissipação. A vorticidade mostra-se ciclônica na troposfera inferior, destacando-se

que em níveis médios da atmosfera, onde é inicialmente ciclônica, diminui entre as

etapas de início e maturação do SCM, incrementando-se novamente durante a

dissipação, enquanto que em altos níveis a vorticidade anticiclônica aumenta

durante todo o ciclo de vida. E, mostra também, que pela análise da temperatura

potencial equivalente, encontra-se uma camada profunda com instabilidade

convectiva desde a superfície até 600hPa, e estabilidade por cima deste nível. Esse

comportamento das variáveis também foi encontrado por Maddox (1983), Cotton et

al (1989) e Laing y Fritsch (2000).

O tamanho médio dos sistemas é associado ao seu tempo de vida, maiores

sistemas têm maior tempo de vida. Com relação ao horário de formação dos

sistemas, a maioria é detectada inicialmente no período da tarde, horário de máxima

atividade convectiva no ciclo diurno sobre o continente e, um máximo secundário de

formação é observado no fim da noite e início da manhã (entre 5 e 6 horas da

manhã), sugerindo estar relacionado com o máximo de convecção sobre os

oceanos, e, que a fase madura dos sistemas têm dois picos, uma pela tarde e outra

durante a noite e primeiras horas da manhã (Machado et al, 1994; Nicolini et al,

2002; Torres, 2003; Vila, 2004 e Zipser, 2004).

Quanto à trajetória dos SCM que se originam a leste da Cordilheira dos

Andes (entre 25° e 40°S), segundo Guedes (1985), Figueiredo e Scolar (1996),

Nicolini et al (2002) e Torres (2003), a tendência desses sistemas é de deslocar-se

para leste. Já Velasco e Fritsch (1987) mostram uma maior variabilidade de

trajetórias com uma tendência a serem mais zonais (de oeste para leste) na

primavera e início do outono e mais meridionais (de sul para norte) no verão.

Para estudar esses tipos de fenômenos, a meteorologia conta com dados de

experimentos realizados ao longo de todo o globo. Esses experimentos geralmente

coletam dados que serão utilizados em pesquisas de diferentes áreas dentro da

meteorologia. Para estudos mais focalizados em meteorologia de mesoescala temos

alguns exemplos:

• EMEX, realizado sobre a área oceânica tropical da Austrália, durante

os meses de janeiro e fevereiro de 1987 (Webster e Houze, 1991);

• TOGA-COARE, durante dezembro de 1992 a fevereiro de 1993 sobre o

Pacífico Ocidental (Webster e Lukas, 1992);

• TRMM-LBA foi conduzido na Amazônia de novembro 1998 à fevereiro

1999 (Halverson, et al, 2002);

• SALLJEX, de novembro de 2002 a março de 2003, na América do Sul.

(Zipser et al, 2004).

Com o objetivo de se obter um melhor conhecimento do ciclo de vida dos

SCM, assim como um melhor entendimento de suas características físicas e

morfológicas, são desenvolvidas técnicas de acompanhamento dos mesmos. Dentre

essas técnicas, podemos citar o ForTrACC (Forecasting and Tracking of Active

Cloud Clusters), desenvolvida por Vila (2004).

Já para o estudo do ambiente sinótico, para as características dinâmicas e

termodinâmicas dos SCM conta-se hoje com os modelos numéricos de mesoescala,

como o modelo RAMS, que tem sido utilizado por vários países e em diversas áreas

da meteorologia.

Conforme Pielke et al. (1992) pode-se citar alguns exemplos de trabalhos

realizados com o modelo. Simulação de tempestade: Grasso (1993); Formação de

nuvens cumulus: Nicholls et al (1991); Formação de nuvens cirrus em latitudes

médias: Heckman (1991); Sistemas de Mesoescala forçados fisicamente: Wesley

(1991); Circulações termicamente induzidas: Xian e Pielke (1991); Pielke et al

(1990); Lee e Pielke (1992); Dispersão de poluentes na atmosfera: Mora et al (1986);

Camada Limite: Fisch (1996); Fisch et al (1996) e Nobre et al (1996); Termodinâmica

da atmosfera: Carmo (1996); Simulação de CCM: Lima (2004).

Tendo em vista que ainda restam muitas questões a serem respondidas com

relação aos SCM, o objetivo geral deste trabalho foi estudar o comportamento do

sistema ocorrido sobre o R.S. durante os dias 19 e 20 de fevereiro de 2003, que foi o

mais precipitante sobre essa região no período de dezembro de 2002 a fevereiro de

2003, período este que integra o experimento SALLJEX. Os objetivos específicos

foram: descrever o ciclo de vida, em conjunto com as propriedades morfológicas e

radiativas deste sistema; descrever o ambiente sinótico no qual o SCM estava

imerso e; analisar o comportamento dos perfis de algumas variáveis meteorológicas

durante as etapas de iniciação, maturação e dissipação do SCM.

METEDOLOGIA GERAL

Neste trabalho foram estudadas as características morfológicas e radiativas,

o ambiente sinótico e o perfil vertical de algumas variáveis meteorológicas do

Sistema Convectivo de Mesoescala mais precipitante, ocorrido nos dias 19 e 20 de

fevereiro de 2003. Os dados e a metodologia utilizados são descritos a seguir:

Imagens de satélite

Foram utilizadas as imagens do satélite GOES 8 (75º W, 0º ) com uma

resolução espacial de 4 km x 4 km e resolução temporal de ½ hora, correspondentes

ao canal 4 (10,7 μm, infravermelho térmico), disponíveis via anonymous ftp pelo

“Climate Prediction Center” (NCEP). Estes, foram utilizados como base de dados

para a técnica ForTrACC

Dados de superfície

Dados observados de precipitação das 12, 18 e 00UTC (Coordenada de

Tempo Universal) e precipitação total (medida às 12 UTC) de 24 estações

meteorológicas de superfície, pertencentes ao 8° Distrito do Instituto Nacional de

Meteorologia (vinculado ao Instituto Nacional de Meteorologia, INMET). Esses dados

serviram para selecionar quais foram os dias com maiores valores de precipitação

em superfície, para que a partir dessa primeira seleção, fosse possível identificar

qual era o sistema gerador dessa precipitação.

Análises do modelo ETA

Análises do modelo regional ETA, nos horários das 00, 06, 12, 18UTC,

cedidas pelo Centro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos do Instituto

Nacional de Pesquisas Espaciais (CPTEC/INPE), serviram como dados de entrada

para a simulação com o modelo BRAMS.

A técnica ForTrACC

A técnica ForTrACC (Forecasting and Tracking of Active Cloud Clusters) cuja

tradução seria Prognóstico e Seguimento de Sistemas de Nuvens Ativos, é um

conjunto de programas que permite a construção automática de uma base de dados

de sistemas de nuvens a partir de imagens de satélite do canal 4 (10,8 μm) do

satélite GOES 8.

Os principais elementos que compõem este sistema são os seguintes:

• Um algoritmo de detecção e construção de conglomerados de nuvens

(‘clusters’);

• Um programa para o cálculo de diversos parâmetros estatísticos e

morfológicos dos sistemas achados no ponto anterior;

• A técnica de seguimento em si, que permite a construção das

trajetórias dos sistemas ao longo de seu ciclo de vida (‘famílias’);

• A etapa da geração de imagens virtuais ou sintéticas. Esta é utilizada

para cobrir os horários de imagens faltantes.

1. O método de detecção: identificação dos SCM

O método de detecção de um SCM está associado à determinação de um

umbral de temperatura do topo, a partir do qual se pode esperar que esteja refletindo

um sistema convectivo (não garantindo só por este umbral, que pode ser, por

exemplo, um reflexo de cirrus densos). O umbral de temperatura escolhido

arbitrariamente por Vila (2004), foi o mesmo utilizado neste trabalho, ou seja,

temperatura de brilho de 235K para a detecção dos sistemas convectivos. Esta

eleição coincide com os trabalhos de Laurent et al. (2002) e Machado e Laurent

(2004).

Assim mesmo, é importante distinguir aqueles SCM que em alguma etapa

do seu ciclo de vida contiveram núcleos de convecção profunda, daqueles que não

tiveram. Esta distinção busca-se devido a alguns SCM (incluindo alguns cirrus

suficientemente grossos) poderem registrar essa temperatura e não conterem

células de convecção profunda em latitudes médias, o que poderia determinar

propriedades físicas diferentes de cada um desses SCM. Portanto, além de definir

um umbral de temperatura de 235K para a detecção de um SCM deve-se incluir na

análise um segundo umbral de temperatura de brilho para a detecção de convecção

profunda. Neste estudo, assim como em Vila (2004) foi escolhido um umbral de

210K.

Por outro lado, é importante definir quais características devem ter os

núcleos convectivos de um SCM para que o mesmo possa ser descrito tanto

radiativamente como morfologicamente, assim como poder ser seguido ao longo do

seu ciclo de vida. Este tipo de seleção pode afetar fortemente alguns parâmetros

estatísticos como o tempo de vida médio dos SCM, a localização da posição de

formação do sistema convectivo e etc.

2. Cálculo de parâmetros

Para cada SCM são calculados, considerando os dois limiares de

temperatura, os seguintes parâmetros relativos aos SC:

Parâmetros morfológicos

 Tamanho do SCM (número de pixels e área em km

). As coordenadas

de latitude e longitude do centro geométrico do SCM são levadas em

conta;

 Raio efetivo do SCM : é o raio de um circulo cuja área seja igual a

área do SCM

 Fração convectiva e número de células convectivas: as células

convectivas são definidas como os aglomerados de pixels que

possuem a temperatura de brilho imediatamente mais baixa que o

limiar inferior, sendo neste caso 210K.

 Tamanho das cinco maiores células convectivas encontradas no

SCM;

 Eixo de inércia;

 Inclinação e excentricidade do SCM: o cálculo é baseado numa

representação no plano de todos os pontos do sistema. Após a

aplicação da metodologia dos mínimos quadrados nos pontos, a reta

gerada (e sua ortogonal) serão os novos eixos de inércia. Logo, os

pontos (LATi, LONi) são projetados no novo sistema cartesiano (xxi,

yyi):

onde

o valor β representa a inclinação do sistema

A excentricidade é calculada a partir das seguintes equações:

Nesta definição um circulo perfeito tem uma excentricidade igual a 1.

Parâmetros radiativos

 Temperaturas média e mínima do sistema;

 Temperatura média das cinco maiores células convectivas;

Parâmetros de localização

 Coordenadas de centro geométrico;

 Coordenadas do centro geométrico das cinco maiores células

convectivas;

 Data e hora (GMT).

3. Variáveis incluídas no novo modelo estatístico

O método de identificação de um mesmo SCM no tempo "t" e nas imagens

sucessivas em "t+∆t", é baseado no critério de máxima superposição da área dos

SCM em imagens sucessivas. O número de pixels mínimo para considerar a

continuidade do SCM é de 200 pixels (aproximadamente 3.200 km

) para um ∆t= 30

minutos. Se a superposição for menor, o sistema não é considerado como sendo o

mesmo sistema no tempo anterior.

Quatro tipos de situações são considerados neste algoritmo de

acompanhamento:

Sistema novo ou de geração espontânea (N): É aquele SCM que é

identificado numa imagem e não está presente na imagem anterior ou não cumpre

com o critério de mínima superposição dos SCM.

Continuidade (C): É aquele SCM que é identificado numa imagem e está

presente na imagem anterior cumprindo com o critério de mínima superposição dos

SCM. Essa situação pode ser visualizada na Figura 1a.

r sistema no tempo "t+∆t" é

conside

considerado um processo de “merge”. Neste caso, cada

um dos

com as situações

descrita

Split (S): Quando no tempo “t” existe um sistema que cumpre com o critério

de mínima superposição dos SCM com dois ou mais sistemas no tempo "t+∆t", é

considerado um processo de “split”. Neste casso, o maio

rado como a continuidade do SCM no tempo “t”. Essa situação pode ser

visualizada na Figura 1b.

Merge (M): Situação contrária à anterior. Quando no tempo “t” existem dois

ou mais SCM que cumprem com o critério de mínima superposição com só um

sistema no tempo "t+∆t", é

SCM no tempo “t” é considerado como a continuidade de diferentes famílias

de sistemas. Essa situação pode ser visualizada na Figura 1c.

Além dessas considerações sobre o seguimento dos SCM, nesta etapa do

processo é calculada a variação temporal dos parâmetros estatísticos mais

importantes, levando em conta a continuidade do sistema

s no item anterior. As variáveis incluídas numa primeira etapa são: área,

temperatura média do SCM, temperatura mínima e temperatura mínima do kernel de

nove pixels. Outra variável calculada nesta etapa é a velocidade do sistema. O

cálculo é feito naqueles casos em que existe uma continuidade do sistema com a

diferença da posição do centro de massa no instante “t” e o instante "t+∆t" dividido

por "∆t". A partir desta informação é possível gerar uma lista que descreve a

variação temporal do SCM durante seu ciclo de vida desde sua primeira detecção

até a dissipação completa.

Figura 1: Método de calculo da velocidade e direção de propagação do SC.

4. Descrição do modelo ForTrACC

O modelo ForTrACC está desenhado como um sistema de módulos

independentes que são chamados desde uma rotina central que maneja todo o

processo. Na Figura 2 se pode observar um esquema de blocos dos diferentes

componentes que integram o sistema completo.

Figura 2: Representação de um diagrama de blocos dos diferentes módulos que

integram o sistema ForTrACC.

O modelo regional BRAMS

Dentre os modelos regionais mais usados no mundo, está o Regional

Atmospheric Modelling System (RAMS), um modelo de circulação prognóstico

desenvolvido na Universidade do Colorado (EUA) a partir de um modelo de

mesoescala (Pielke, 1974) e de um modelo de nuvens (Trípoli e Cotton, 1982). O

RAMS é fundamentado na integração das equações diferenciais de conservação de

momentum, de massa e de energia, com referência a um sistema de coordenadas

que segue o terreno. Por sua complexidade, o modelo RAMS simula qualquer

situação de escoamento e pode ser aproveitado em diversas situações.

O modelo BRAMS 2.0 é baseado na versão 5.02 do modelo RAMS com

diversos aperfeiçoamentos numéricos e de parametrizações físicas. Um diferencial

significativo entre as versões BRAMS 2.0 e RAMS 4.4 encontra-se na

parametrização de convecção, a qual sofreu profundas inovações na versão atual. O

BRAMS 2.0, além da antiga parametrização convectiva de Kuo, acrescentou ao

leque de parametrizações para convecção profunda os esquemas de Grell (Grell e

Devenyi, 2002) e de Cumulus rasos (Souza, 1999).

A simulação com o modelo BRAMS foi realizada com uma grade aninhada e

fixa, sendo a Grade 1 com 108X78 pontos de grade e resolução horizontal de 36 km

(centrada em 27,5°S e 52,5°W, cobrindo uma área de aproximadamente

3888X2808km²), e a Grade 2 com 186X124 pontos de grade e resolução horizontal

de 9 km (centrada em 29°S e 52,5°W, cobrindo uma área de 1674X111 km²).

Utilizaram-se 32 níveis na vertical em ambas as grades. Os passos no tempo nas

grades 1 e 2 foram de 45 e 15s, respectivamente. A simulação teve início às 00UTC

do dia 19/03/03 e terminou às 00UTC do dia 21/03/03, compreendendo um total de

48 h com saídas de 1 em 1h. Estes dados foram analisados sobre superfícies

isentrópicas e depois interpolados para a grade do modelo.

Os dados de inicialização foram informados ao modelo a cada 3h através do

esquema de nudging nos limites laterais da grade maior. Para as duas grades foram

utilizadas as seguintes opções: topografia com resolução de 10km; diferenciação na

fronteira lateral de Klemp e Wilhelmson (1978), parâmetros de radiação segundo

Mahrer e Pielke (1977), parametrização convectiva de Grell e Devenyi (2002),

parametrização dos coeficientes de difusão segundo Mellor e Yamada (1974),

microfísica de nuvens ativada. Essas parametrizações são as que estão sendo

utilizadas operacionalmente no Grupo de Estudos em Previsão Regional

(GEPRA/FURG).

ANÁLISE DAS CARACTERÍSTICAS MORFOLÓGICAS E RADIATIVAS

INTRODUÇÃO

Os Sistemas Convectivos de Mesoescala (SCM) tem sido alvo de interesse

de pesquisadores nas últimas décadas, devido às características de tempo a eles

associados, como precipitações intensas, fortes rajadas de vento e granizo, que

causam sérios dados à população.

Segundo Houze (1993), os SCM são sistemas formados por blocos de

tempestades individuais e em linhas, com uma dinâmica mais complexa do que a

destes blocos, por resultarem dos mesmos. Ainda segundo ele, o ciclo de vida dos

SCM pode ser dividido em quatro etapas. Durante o estágio de formação, o sistema

surge como um grupo de células isoladas, ora distribuídas aleatoriamente, ora

alinhadas. No estágio de desenvolvimento as células isoladas crescem e se fundem,

gerando uma região de precipitação com diversos núcleos de precipitação intensa,

interligados por regiões de precipitação mais fraca. No estágio máximo, forma-se

uma grande região de precipitação estratiforme a partir de células mais antigas que

persistem enquanto existirem células novas. No estágio de dissipação, a formação

de novas células diminui e o sistema se torna uma ampla região de precipitação

estratiforme, enfraquecendo-se, restando apenas algumas células convectivas

tênues. Esse comportamento também foi registrado por Machado e Rossow (1993).

Diversos autores (Machado et al, 1994; Nicolini et al, 2002; Torres, 2003;

Vila, 2004 e Zipser, 2004) tem analisado vários SCM com o objetivo de determinar o

seu tamanho médio e seu horário preferencial de formação e de maturação. Esses

estudos mostram que o tamanho médio dos sistemas está associado ao seu tempo

de duração, maiores sistemas têm maior tempo de duração.Com relação ao horário

de formação dos sistemas, a maioria é detectada inicialmente no período da tarde,

horário de máxima atividade convectiva no ciclo diurno sobre o continente e um

máximo secundário de formação é observado no fim da noite e início da manhã

(entre 5 e 6 horas da manhã). Também tem sido observado que a fase madura dos

sistemas tem dois picos, um pela tarde e outro durante a noite ou primeiras horas da

manhã.

Outra característica observada é com relação a trajetória dos SCM que se

originam a leste da Cordilheira dos Andes, que segundo alguns autores (Guedes,

1985; Figueiredo e Scolar, 1996; Nicolini et al, 2002 e Torres, 2003) têm a tendência

de se deslocarem para leste, entre 25° e 40° S.

Para o estudo dos SCM conta-se com experimentos de campo realizados ao

redor de todo o globo, como exemplo podemos citar o SALLJEX (South American

Low-Level Jet Experiment) que visa uma melhor compreensão dos Jatos de Baixos

Níveis na América do Sul, ocorrido de novembro de 2002 a fevereiro de 2003,

abrangendo a janela de 40° a 0° S e 85° a 35° W.

Devido às muitas questões a serem ainda respondidas sobre os SCM, o

objetivo deste capítulo é descrever o ciclo de vida e as propriedades morfológicas e

radiativas do SCM mais precipitante ocorrido sobre o Rio Grande do Sul, durante o

período que integra o experimento SALLJEX, utilizando a técnica ForTrACC.

MATERIAL E MÉTODOS

Neste trabalho foram utilizadas as imagens do satélite GOES 8 (75º W, 0º )

com uma resolução espacial de 4 km x 4 km e resolução temporal de ½ hora,

correspondentes ao canal 4 (10,7 μm, infravermelho térmico), disponíveis via

anonymous ftp pelo “Climate Prediction Center” (NCEP). Em conjunto, utilizou-se

dados observados de precipitação das 12, 18 e 24UTC (Coordenada de Tempo

Universal) e precipitação total (medida às 12 UTC) de 24 estações meteorológicas

de superfície, pertencentes ao 8° Distrito do Instituto Nacional de Meteorologia

(vinculado ao Instituto Nacional de Meteorologia,INMET). O período estudado foi de

novembro de 2002 a fevereiro de 2003 e a região de interesse é o estado do Rio

Grande do Sul (RS).

Primeiramente, analisando os dados de precipitação, foi selecionado o dia

com a maior precipitação em superfície registrada na maioria das estações

meteorológicas. Então, foram analisadas as imagens de satélite correspondentes, a

fim de se identificar à existência sobre o RS de algum tipo de SCM que pudesse ter

gerado essa precipitação.

Após a análise objetiva das imagens de satélite, foi utilizado o programa

diagnóstico do ForTrACC (Forecasting and Tracking of Active Cloud Clusters) para

um melhor detalhamento do ciclo de vida e das características morfológicas e

radiativas do sistema, ou dos sistemas, que atuou(atuaram) sobre a região e que

foi(foram) o(s) responsável(is) pela maior parte da precipitação registrada em

superfície nesse dia.

Como descrito por Vila et al (2004), o ForTrACC é um método automático

para a documentação das características dos SCM através do seu ciclo de vida,

utilizando informações dos canais térmicos dos satélites geoestacionários. Os

principais elementos que compõem este método são os seguintes: 1) um algoritmo

de detecção e construção de aglomerados de nuvens (‘clusters’) usando um limiar

de temperatura; 2) um programa para o cálculo dos diversos parâmetros estatísticos

e morfológicos dos sistemas achados na etapa anterior (Vila, 2003; Machado 1998);

3) uma técnica de seguimento em si, baseada na superposição de áreas entre

imagens sucessivas, o que permite a construção das trajetórias dos sistemas ao

longo de seu ciclo de vida (‘famílias’) (Mathon e Laurent, 2001; Laurent et al, 2002) e

4) a etapa da geração de imagens virtuais ou sintéticas, utilizadas para cobrir os

horários de imagens faltantes. Neste trabalho foram utilizados os limiares de

temperatura de brilho de 235K, para definir o SCM e, de 210K, para definir as células

convectivas imersas nesses SCM, que são os valores utilizados pelo ForTrACC

(Vila, 2004).

Esse programa, como descrito no parágrafo acima, é dividido em etapas, e

uma das principais é a da formação das “famílias”. Nessa etapa, o programa

acompanha os sistemas desde o seu surgimento até a sua dissipação, levando em

consideração todas as fusões e divisões feitas por ele ao longo do seu ciclo de vida

e, a esse conjunto ele dá o nome de família. Assim, família é o comportamento dos

sistemas ao longo da sua trajetória durante todo o ciclo de vida. Neste trabalho uma

família será denominada como sistema, ou SCM.

Para a seleção do caso, foi observado para cada estação meteorológica de

superfície do RS, quais foram os SCM que atuaram sobre elas entre às 12UTC do

dia 19/02/03 até as 12 UTC do dia 20/02/03. Para isso, foi utilizado um programa

que confronta o conjunto de sistemas gerado pelo ForTrACC com os dados de

latitude e longitude de cada estação.

Uma vez selecionado o caso e definido o conjunto de sistemas que mais

atuou sobre as estações meteorológicas estudadas, com o conjunto de dados

gerados pelo ForTrACC, pode-se estudar o ciclo de vida, a trajetória e as

características morfológicas e radiativas do sistema.

Por fim, os dados de precipitação das estações em superfície e os dados de

temperatura mínima gerados pelo ForTrACC foram analisados para determinar a

atuação do SCM em superfície.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Pela análise dos dados de precipitação em superfície e das imagens de

satélite, correspondente aos dias que apresentaram precipitação, o caso

selecionado foi o ocorrido durante os dias 19 e 20 de fevereiro de 2003, onde em

algumas estações de superfície foram registrados valores de precipitação acima de

75mm.

A figura 3 mostra a precipitação acumulada entre as 12:00 UTC do dia

19/02/03 de fevereiro e às 12:00 UTC do 20/02/03. Pode-se observar pela análise

desta figura, que os maiores valores de precipitação foram registrados no centro e

norte do RS, com um núcleo de valores mais intensos (maiores que 100mm) no

nordeste do estado.

Figura 3: Precipitação acumulada (mm) das 12UTC do dia 19/02/03 às 12UTC do dia

20/02/03.

O conjunto de sistemas gerado pelo ForTrACC mostrou que 66 sistemas

atuaram sobre a grade estudada, entre às 12:00 UTC do dia 19 e 12:00 UTC do dia

20 de fevereiro de 2003. O tempo médio de vida destes sistemas foi de,

aproximadamente, 1,9 hora, isso devido ao fato de 71% dos casos (47 sistemas)

terem tempo de vida inferior a 2 horas. Os casos restantes (29%) dos sistemas

tiveram um tempo de vida médio de 5 horas. O deslocamento médio destes

sistemas foi para sudeste, o que reforça a idéia de que a trajetória dos SCM que se

originam a leste da Cordilheira dos Andes (entre 25° e 40°S), tem a tendência de

deslocar-se para leste, como sugerido por Guedes (1985), Figueiredo e Scolar

(1996), Nicolini et al (2002) e Torres (2003).

200

205

210

215

220

225

12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00

Hora local (h)

Tmin (K)

-60

-40

-20

100

120

140

DA/ DT

TMIN DA/DT

Figura 4: Evolução da temperatura mínima e da taxa de expansão dos 66 sistemas

que atuaram sobre a região, das 12 UTC do dia 19/02/03 às 12 UTC do dia

20/02/03.

A figura 4 mostra a relação entre a temperatura mínima média (abaixo de

210K) e a taxa de expansão média, calculadas de 3 em 3 horas, de todos os 66

sistemas ocorridos sobre o RS entre as 12 UTC do dia 19/02/03 às 12 UTC do dia

20/02/03. Nela observou-se dois picos isolados de maior expansão, o primeiro no fim

da tarde e o segundo no início da manhã, e três picos de temperatura mínima, que

ocorrem próximos aos picos de expansão, o primeiro no fim da tarde, o segundo no

início da madrugada e um último no início da manhã.

Esse comportamento coincide com o descrito por Machado et al (1994),

Nicolini et al (2002), Torres (2003), Vila (2004) e Zipser (2004), onde o horário de

formação dos sistemas tem dois picos, um no período da tarde, horário de máxima

atividade convectiva no ciclo diurno sobre o continente e, outro no fim da noite e

início da manhã, e, que a fase madura dos sistemas têm dois picos, uma pela tarde

e outro durante a noite e primeiras horas da manhã.

Em relação aos sistemas que atuaram sobre as estações meteorológicas em

estudo, todos eram pertencentes ao mesmo sistema, ou seja, dos 66 sistemas

detectados pelo ForTrACC, apenas um foi o responsável pela precipitação registrada

em superfície, conforme descrito na metodologia.

O ciclo de vida deste sistema foi de 23 horas, tendo início às 13 UTC do dia

19/02 e, finalização às 12 UTC do dia 20/02, estando presente durante todo o

período de interesse. Isso pode ser observado na Figura 5.

Pela análise das imagens de satélite (Fig. 5) pode-se observar que o sistema

surgiu da dissipação de uma linha de instabilidade às 13:00 UTC (Fig. 5a), cortando

o estado do RS de norte a sul e deslocando-se para leste. Às 16:30 (Fig. 5b)

surgiram novos núcleos convectivos a oeste do sistema principal, que acabaram

unindo-se ao mesmo às 18:00 UTC (Fig. 5c), fazendo com que o deslocamento do

centro de massa desse novo sistema fosse para norte. O mesmo aconteceu às

20:00 UTC (Fig. 5d), quando o sistema que estava no nordeste do estado fundiu-se

com novos núcleos convectivos que surgiram na divisa noroeste com a Argentina e

no sul do Paraguai. A partir deste momento, o sistema ficou estacionado sobre o

norte do estado, onde às 04:00 UTC (Fig. 5f) apresentou uma maior região coberta

por topos frios (com temperatura abaixo de 210K) e, às 07:30 UTC (Fig. 5g),

alcançou sua maior extensão. A partir deste horário, o sistema começou a

enfraquecer e dissipar-se, até deixar o RS às 11:30 UTC (Fig. 5h). É importante

notar que essa descrição da evolução do sistema através das imagens de satélite, é

semelhante à proposta do ciclo de vida dos SCM de Houze (1993) e também

registrada por Machado e Rossow (1993), descrito na introdução deste trabalho.

Notou-se também, que devido ao fato do deslocamento do sistema ser

determinado pelo seu centro de massa, a trajetória deste foi aleatória, pois seu

centro de massa mudou constantemente a cada fusão ou separação sofrido pelos

sistemas que o compunham.

a) 19/02 às 13:00 UTC

b) 19/02 às 16:30 UTC

c) 19/02 às 18:00 UTC

d) 19/02 às 20:00 UTC

e) 19/02 às 23:00 UTC

f) 20/02 às 04:00 UTC

g) 20/02 às 07:30 UTC

h) 20/02 às 11:30 UTC

Figura 5: Imagens do satélite GOES 8, no canal infravermelho térmico

(TRMM/NCEP), mostrando a evolução do SCM entre os dias 19 e 20 de fevereiro de

2003.

As figuras 6 a 8, mostram a evolução de alguns parâmetros físicos e

radiativos do SCM ao longo do seu ciclo de vida, permitindo uma melhor descrição

do mesmo.

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

50000

12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00

Tempo (h)

Tamanho (pixels)

212

214

216

218

220

222

224

226

228

230

Temperatura média (K)

Tamanho Temperatura média

Figura 6: Evolução do tamanho (pixels) e da Temperatura média (K) do SCM que

atingiu o estado, das 12 UTC do dia 19/02/03 às 12 UTC do dia 20/02/03.

180

5180

10180

15180

20180

25180

30180

35180

40180

45180

50180

12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00

Tempo (h)

Tamanho (pixels)

180

185

190

195

200

205

210

215

Temperatura mínima (K)

Tamanho Temperatura mínima

Figura 7: Evolução do tamanho (pixels) e da Temperatura mínima (K) do SCM que

atingiu o estado, das 12 UTC do dia 19/02/03 às 12 UTC do dia 20/02/03.

12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00

Tempo (h)

Fração Convectiva (%

)

Fração convectiva

Figura 8: Evolução do tamanho dos topos frios (pixels) do SCM que atingiu o estado,

das 12 UTC do dia 19/02/03 às 12 UTC do dia 20/02/03.

Analisando em conjunto as figuras acima, pode-se observar que o sistema

teve início às 13 UTC do dia 19/02/03, seguido de uma rápida expansão, até às

13:30 UTC, que foi acompanhado de um ligeiro aumento da temperatura média,

embora a temperatura mínima tenha diminuído.

Nas 9 horas seguintes (das 13:30 às 22:30 UTC), o SCM não sofreu

variações significativas no seu tamanho. Sua temperatura média só sofreu alteração

às 18:30 UTC do dia 19/02/03, quando diminuiu de 228,6 K para 219,3 K às 21:30

UTC, do dia 19/02/03. Essa diminuição de temperatura média ocorreu devido a uma

diminuição de temperatura mínima e um aumento, na fração convectiva do sistema,

indicando um período de forte convecção.

A partir do horário das 22:30 UTC do dia 19/02/03, o sistema começou a

expandir-se, até atingir sua máxima área às 7:30 UTC do dia 20/02/03 (44822 pixels,

aproximadamente 717.152 km²). Embora sua maior área tenha sido às 7:30 UTC, o

horário de maior atividade convectiva do sistema foi às 4:00 UTC, quanto o sistema

atingiu menores valores de temperatura média e mínima, e maior valor da fração

convectiva.

Após atingir sua maior extensão, o sistema começou a dissipar-se,

aumentando as temperaturas média e mínima e diminuindo a fração convectiva.

O mais interessante dessa análise é observar que o sistema primeiro sofreu

uma diminuição da temperatura mínima (às 3:30 UTC do dia 20/02/03), para depois

alterar a temperatura média (com mínimo às 4:00 UTC do dia 20/02/03) e a fração

convectiva, e só depois então, expandiu-se até atingir sua maior área. Isso confirma

a teoria, descrita por Machado e Rossow (1993) e também observada por Vila

(2004), de que durante a etapa de formação, o sistema alcança um máximo

resfriamento e logo se expande na etapa de maturação.

Em seguida, para verificar se as características do SCM observado pelas

imagens de satélite refletem o que ocorreu em superfície foram estudadas algumas

das estações que tiveram precipitação acima de 75mm, analisando-se o

comportamento da temperatura mínima, e da precipitação registrada em superfície.

A figura 9 mostra o comportamento da temperatura mínima nas estações

meteorológicas de Lagoa Vermelha, Caxias do Sul e Passo Fundo. Essas estações

foram escolhidas por estarem localizadas ao longo da área de maior atuação do

sistema. Observou-se que o comportamento médio da temperatura mínima é

praticamente o mesmo nestas três estações. E, que o sistema atuou,

aproximadamente, ao mesmo tempo em todas elas. Na figura 9, as falhas no gráfico

são referentes a horários onde o sistema não estava atuando sobre as estações, ou

seja, quando sobre as estações não foram registradas temperaturas abaixo de

210K.

180

185

190

195

200

205

210

215

220

225

230

235

240

12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00

Tempo (h)

Temperatura (K)

Passo Fundo Caxias do Sul Lagoa Vermelha

Figura 9: Evolução da temperatura mínima nas estações meteorológicas de Lagoa

Vermelha e Passo Fundo, das 12 UTC do dia 19/02/03 as 12 UTC do dia 20/02/03.

Tabela 1: Precipitação registrada em superfície (mm).

Estações Precipitação (mm)

18UTC(19/02) 00UTC(20/02) 12UTC(20/02) Total

Lagoa Vermelha

0,6 7,4 97,2 105,2

Caxias do Sul

8,4 59,2 69,1 136,7

Passo Fundo

999* 32,0 84,5 116,5

*Ausência de dados.

Pode-se notar pela tabela 1, que os valores de precipitação começaram a

ser mais significativos no horário das 00 UTC, que correspondem ao valor

acumulado precipitados entre as 18 UTC do dia 19/02/03 e 00 UTC do dia 20/02/03.

Mas, a maior intensidade de precipitação foi registrada no horário das 12 UTC do dia

20/02/03, que corresponde ao acumulado das 00 UTC, do dia 20/02/03 até às 12

UTC do dia 20/02/03.

Pela análise da figura 9, pode-se dizer que a precipitação está inversamente

relacionada com a temperatura mínima sobre as estações, ou seja, os horários de

maior precipitação coincidem com os de menor temperatura de brilho do sistema que

atuava sobre as estações em estudo, como mostrado por Vila (2004). Pode-se notar

também que o comportamento da temperatura mínima sobre as estações é

semelhante ao comportamento do sistema e, que o horário de menor temperatura

sobre elas é coincidente com o horário de menor temperatura média do sistema, o

que nos leva a concluir que essas estações estão localizadas no centro convectivo

do sistema.

Então, é visto que neste caso, as características do sistema observado pelas

imagens de satélite refletem com confiabilidade o momento de maior atuação do

SCM em superfície, caracterizado pelos maiores valores de precipitação.

AMBIENTE SINÓTICO E PERFIS VERTICAIS

INTRODUÇÃO

O estudo dos Sistemas Convectivos de Mesoescala (SCM) tem sido

difundido entre os pesquisadores da área há algum tempo, devido ao impacto em

superfície causado por eles. Sua passagem ou existência vem geralmente associada

à precipitação intensa e fortes rajadas de vento.

Para se entender a ocorrência desses sistemas e para uma melhor previsão

dos mesmos, é importante conhecer o ambiente sinótico preferencial para o seu

surgimento, desenvolvimento, manutenção e dissipação. Diversos pesquisadores

têm realizado estudos a fim de se reproduzir um ambiente padrão desses sistemas.

Dentre eles, Maddox (1983) e Jirak e Cotton (2003), estudando a região central dos

EUA, mostraram que a condição primordial para a iniciação, organização e

manutenção de um SCM, é uma convergência na média troposfera, aparentemente

forçada por um jato em baixos níveis e uma advecção quente e úmida. Essa

condição foi comprovada por Guedes et al (1994) que ao estudar a região sul da

América do Sul, mostrou que a essa condição estava também associado um jato em

altos níveis.

Para simulação do ambiente sinótico, vários modelos numéricos tem sido

utilizados. Entre esses modelos, podemos destacar o modelo de mesoescala

BRAMS. O modelo BRAMS 2.0 é baseado na versão 5.02 do modelo RAMS

(Regional Atmospheric Modelling System, modelo de circulação prognóstico

desenvolvido na Universidade do Colorado-EUA) com diversos aperfeiçoamentos

numéricos e de parametrizações físicas. O diferencial significativo entre as versões

BRAMS 2.0 e RAMS 4.4 é encontrado na parametrização de convecção, a qual

sofreu profundas inovações na versão atual. O BRAMS 2.0, além da antiga

parametrização convectiva de Kuo, acrescentou ao leque de parametrizações para

convecção profunda os esquemas de Grell (Grell e Devenyi, 2002) e de Cumulus

rasos (Souza, 1999).

Uma outra característica muito importante para se entender a evolução

desse tipo de sistema é o comportamento do perfil vertical de determinadas variáveis

meteorológicas. Esse tipo de estudo mostra a evolução interna das variáveis

meteorológicas do sistema, possibilitando o conhecimento de suas variações com a

altura, em qualquer etapa do ciclo de vida do SCM. Um exemplo desse tipo de

estudo é o de Torres (2003) que, estudando os SCM altamente precipitantes no

norte e no centro da Argentina, mostrou que ao longo de todo o ciclo de vida dos

SCM, encontra-se uma profunda camada de convergência, da superfície até a

troposfera média, e divergência na troposfera superior. Essa convergência é

associada a um movimento vertical ascendente em toda a troposfera, que se reduz

em torno de um terço na dissipação. A vorticidade mostra-se ciclônica na troposfera

inferior, destacando-se que em níveis médios da atmosfera, onde é inicialmente

ciclônica, diminui entre as etapas de início e maturação do SCM, incrementando-se

novamente durante a dissipação. Em altos níveis a vorticidade anticiclônica aumenta

durante todo o ciclo de vida. Este estudo mostra também, que pela análise da

temperatura potencial equivalente, encontra-se uma camada profunda com

instabilidade convectiva desde a superfície até 600 hPa, e estabilidade acima deste

nível. Esse comportamento das variáveis também foi encontrado por Maddox (1983),

Cotton et al (1989) e Laing e Fritsch (2000).

Assim, com o interesse em se obter um melhor entendimento sobre os

mecanismos de formação, manutenção e dissipação desse tipo de sistema, o

objetivo deste capítulo é descrever o ambiente sinótico no qual o SCM, ocorrido

sobre o RS durante os dias 19 e 20 de fevereiro de 2003, estava imerso, e que foi o

mais precipitante sobre essa região no período de dezembro de 2002 a fevereiro de

2003. O outro objetivo, é analisar o comportamento dos perfis médio e perturbado da

atmosfera, antes, durante e após a passagem do SCM.

MATERIAL E MÉTODOS

Esse trabalho conta com as análises do modelo regional ETA

(CPTEC/INPE), dos dias 19, 20 e 21 de fevereiro de 2003, período que engloba todo

o ciclo de vida do sistema selecionado na primeira parte desse trabalho. Essas

análises serviram como dados de entrada para a simulação com o modelo BRAMS.

Conta também, com imagens de satélite para mostrar o sistema em cada fase do

seu ciclo de vida.

A simulação com o modelo BRAMS foi realizada com uma grade aninhada e

fixa, sendo a Grade 1 com 108X78 pontos de grade e resolução horizontal de 36 km

(centrada em 27,5°S e 52,5°W, cobrindo uma área de aproximadamente

3888X2808km²), e a Grade 2 com 186X124 pontos de grade e resolução horizontal

de 9 km (centrada em 29°S e 52,5°W, cobrindo uma área de 1674X111 km²).

Utilizaram-se 32 níveis na vertical em ambas as grades. Os passos no tempo nas

grades 1 e 2 foram de 45 e 15s, respectivamente. A simulação teve início às 12UTC