Definição do Conjunto de Previsões: testes de sensibilidade

Para elaborar o conjunto de previsões, foram estabelecidas hipóteses e objetivos para restringir o número de membros a fim de tornar o sistema interpretativo e viável computacionalmente:

 Embora o conjunto de previsão possa ser utilizado para diversas variáveis, o foco do projeto é a previsão quantitativa de precipitação em bacias hidrográficas, aqui representada pela bacia do Rio Iguaçu, no Paraná;

 O conjunto foi configurado para previsão em mesoescala, incluindo fenômenos como linhas de instabilidade, complexos convectivos, células ordinárias e convecção gerada pela propagação de sistemas frontais. Considerou-se um período de integração até 48 h, tempo suficiente para o escoamento da água ao longo de bacias hidrográficas pequenas e médias;

 As previsões são horárias, permitindo simulações hidrológicas em bacias com tempo de resposta muito curto, entre 2 e 6 horas;

 O sistema deve ser viável econômica e computacionalmente para ser instalado em um sistema operacional.

Para criar um conjunto de previsão, é possível definir um membro a partir de uma gama de opções, tais como: perturbações em campos de temperatura, vento e umidade específica, perturbação na assimilação de dados, utilização de variados modelos de microfísica, convecção, modelos de superfície e camada limite, parametrizações físicas e a utilização de modelos múltiplos.

Os membros do conjunto foram configurados com perturbações físicas definidas a partir de combinações de diferentes soluções de modelos de convecção e microfísica do WRF, e perturbações dinâmicas a partir de condições iniciais defasadas temporalmente em 6, 12 e 18 horas, provenientes da análise do modelo global GFS

Testes com diferentes parametrizações de microfísica e convecção mostraram uma grande variação na intensidade de precipitação e diferentes tempos de disparo da convecção. Em geral, o erro de fase está associado ao início de convecção de cada parametrização e a amplitude relacionada com o consumo de energia do modelo de convecção e a previsão de distribuição de gotas na nuvem (Jankov e Gallus Jr., 2005). Para resolver os processos termodinâmicos e convectivos, foram utilizadas sete combinações de convecção e microfísica com a versão 3.1 do modelo WRF.

Para as perturbações nas condições iniciais foram utilizadas análises defasadas em relação ao horário da 00 UTC, sendo a simulação de 18 UTC anterior ao horário inicial, enquanto as de 06 e 12 UTC são posteriores ao horário inicial. Além de representar diferentes momentos, as análises defasadas representam as diferentes condições iniciais devido à quantidade de observações disponíveis em cada análise. Essa hipótese já é observada há muitos anos, por exemplo, quando uma análise possui diferenças significativas em relação às

observações e já na análise seguinte nota-se a correção desses erros (Lu et al., 2007 e Machado et al., 2010).

Tabela 4-1: Definição dos membros do sistema de previsão por conjunto Membro de previsão Modelo de convecção Modelo de Microfísica Horário da Análise (UTC)

1 - controle Kain - Fritsch Lin et at. 00

2 Kain - Fritsch WSM 3 00

3 Kain - Fritsch WSM 5 00

4 Kain - Fritsch WSM 6 00

5 Kain - Fritsch Thompson 00

6 Betts-Miller-Janjic Lin et al. 00

7 Grell-Devenyi Lin et al. 00

8 Grell 3D Lin et al. 00

9 Kain-Fritsch Lin et al. 06

10 Kain-Fritsch Lin et al. 12

11 Kain-Fritsch Lin et al. 18

O conjunto atual foi idealizado a partir de experimentos com cinco eventos de precipitação intensa na bacia do rio Iguaçu: convecção diurna (27/10/2005), sistema frontal (05/09/2005), chuva estratiforme (10/07/2009), convecção pré-frontal (01/08/2009) e convecção pré-frontal (25/05/2010). As soluções de microfísica e convecção foram escolhidas a partir dos menores índices de erro médio quadrático na precipitação diária, quando comparada com valores do SIPREC.

Como o aumento da resolução horizontal do modelo é importante para melhorar a distribuição espacial da precipitação, identificar alguns picos de intensidade e obter a circulação local, que pode ser uma fonte importante de advecção de calor e umidade (Haas, 2008), foi realizado um teste com a microfísica explicita de Thompson e resolução horizontal de 3 km, mas o erro médio quadrático diminuiu apenas 10% e aumentou em três vezes o custo computacional, o que o tornou, ainda, inviável para se aderir ao conjunto.

Quanto maior o número de membros com diferentes configurações físicas, maior o espalhamento e maior será a gama de componentes a participar do processo decisório. De acordo com as correntes de pensamento para análise dos resultados (capitulo 1), pode-se escolher entre uma gama de membros com as mais variadas condições iniciais e soluções

físicas para compor a maior variabilidade possível ou definir uma configuração de membros conhecidos. Para este projeto, escolheu-se a segunda hipótese por dois motivos: o conhecimento da destreza das previsões e a maior eficiência do uso do recurso computacional. Embora uma climatologia de soluções deva ser investigada, o número de 10 membros, representando 10 tipos de soluções para o prognóstico de precipitação, foi o limite no qual não houve uma diminuição significativa do erro médio quadrático para os cinco eventos inicialmente testados ao se aumentar o número de membros.

A seguir são descritas algumas opções escolhidas para as simulações com o modelo WRF para previsão quantitativa de precipitação:

Resolução horizontal: como a condição inicial e de contorno do modelo GFS é de 50

km, utilizaram-se duas grades, sendo uma aninhada a grade principal. Foram realizados testes com grades 27 e 9, 24 e 6 e 15 e 5 km, esta última escolhida para todas as simulações.

Resolução Vertical: os testes foram com 28, 38 e 46 níveis. Os resultados foram muito

similares e as rodadas com 38 e 46 níveis foram praticamente iguais, escolhendo-se, portanto 38 níveis para economia de processamento computacional. A distribuição vertical foi realizada utilizando uma curva hiperbólica tangente, a qual prioriza uma maior densidade na baixa e média troposfera onde ocorrem os fluxos verticais mais intensos.

Intervalo de integração: foram testados dois passos de tempo, de 60 segundos e 40 segundos. O tempo de processamento aumentou em aproximadamente em 25 % e não foram observadas diferenças significativas nos campos de precipitação. Portanto, utilizou-se o intervalo de tempo de 60 segundos.