Desempenho dos modelos de microfísica e convecção

A base do conjunto de previsões foi a variação dos modelos de microfísica e convecção. As principais diferenças entre os modelos são o instante de disparo da convecção e na conversão de energia potencial disponível em energia para mudança do estado físico das partículas de água.

Em um conjunto de previsão onde os membros são formados, em sua maioria, por diferentes modelos de convecção e microfísica, as principais diferenças no campo de precipitação estão relacionadas com o volume de precipitação e as diferentes células de convecção geradas no interior de sistemas convectivos. Na Figura 4.6 estão plotados três diferentes modelos de microfísica utilizados para simular um sistema convectivo formado sobre a bacia do rio Iguaçu: Lin et al., WSM e Morrison. Observa-se que a posição e a estrutura do sistema precipitante é similar entre as três simulações, porém o volume de precipitação é diferente. Neste caso, a diferença entre as previsões está na conversão da água a partir do estado gasoso para sólido e líquido na nuvem. A simulação realizada com o WRF usando a microfísica de Lin produziu uma quantidade maior de chuva principalmente nos núcleos convectivos. Este comportamento da microfísica de Lin é verificado também pelo viés positivo sistemático entre os membros de previsão e a precipitação observada.

74 Figura 4.6: Comparação entre 3 simulações com 3 tipos de microfísica (Lin, WSM e Morrison) com o modelo WRF para a bacia do rio Iguaçu. A precipitação está acumulada em 3 horas horária (18 a 21 UTC do dia 01 de novembro de 2007). A precipitação gerada pela microfísica de Lin é maior em toda a grade da simulação.

Nas simulações realizadas pelo conjunto (descrito no capitulo 4.1), se observou algumas diferenças de fase entre os membros do conjunto e também em relação à observação, medida pela rede de pluviômetros, radar e satélite. O modelo WRF tem por característica simular os fenômenos sempre com algumas horas de atraso, ou seja, o

75 evento ocorre antes do previsto pelo modelo. Esta característica é também observada no modelo global GFS em relação aos sistemas frontais e, eventualmente, este erro de fase pode ser propagado para as simulações do WRF, pois se utilizou o modelo GFS como condição inicial e de contorno em todas as simulações.

As simulações horárias possuem diferenças de fase tanto com atraso quanto adiantamento em relação aos picos observados (Figura 4.7). Estas diferenças podem ser devido a dificuldade de simular as trocas de fase pelos modelos de microfísica ou ainda no disparo da convecção pelos modelos de cumulus. Mesmo com um pequeno atraso, o início da chuva mais forte pode ser simulado satisfatoriamente (Figura 4.7) e a convecção devido ao aquecimento diurno também foi representada pelo conjunto de previsões. Os picos simulados não foram necessariamente gerados pelo mesmo membro do conjunto e, por isso, a necessidade de se utilizar um conjunto de previsões ao invés de uma única previsão determinística.

Este resultado nos traz uma questão importante para analisar um sistema de previsão. Ao se definir um modelo de previsão determinística, pode-se remover o viés e ajustá-lo de modo a reproduzir os melhores resultados possíveis. Porém, como nem sempre esta previsão será a melhor, pode-se utilizar um conjunto com membros com correções individuais do erro sistemático ou um conjunto mais livre para cálculo dos máximos e mínimos horários. Foi adotada a segunda opção, devido a dificuldade de encontrar um valor sistemático para previsão horária de precipitação. Isto ocorre devido a maior variação do erro de fase em previsões horárias quando comparadas com previsões diárias.

76 Figura 4.7: Precipitação média horária para a bacia do Rio Iguaçu simulada pelo conjunto de previsões do WRF para os dias 27 e 28 de julho de 2009 representando os membros do conjunto de simulações. A curva Siprec (em preto) é a chuva média estimada na bacia por radar, satélite e rede e pluviômetros.

Embora os resultados não sejam sistemáticos, nos experimentos foram encontrados alguns padrões na produção de precipitação pelos membros do conjunto. Para ilustrar estes padrões, foi utilizado o campo de precipitação do caso de 04 de outubro de 2005 como referência (Figura 4.8).

As combinações que utilizam a convecção de Grell produziram uma quantidade menor de precipitação que as demais e, em geral, gera núcleos de convecção com pequena área estratiforme. A utilização da parametrização de microfísica WSM 5, que inclui o discernimento de graupel, produziu maior volume de precipitação do que a WSM 3 mantendo a mesma área. O modelo de convecção de Betts-Miller tende a gerar núcleos de convecção com diminutas áreas estratiformes. Para as áreas estratiformes, as combinações com Kain Fritsch produzem bons resultados com áreas semelhantes às observações.

77 2005-10-04 27 Lin e kain

Fritsch

Lin e BMJ Lin e Grell ensemble

Lin e Grell 3D 28 WSM 3 Kain Fritsch 28 WSM 5 e Kain Fritsch 27

WSM 6 e kain Fritsc h 27 Siprec 2005-10-05 04 Conjunto médio

Figura 4.8: Diferenças entre a precipitação horária gerada por combinações de parametrizações de microfísica e convecção com o modelo WRF.

78 Figura 4.9: Desempenho das parametrizações de microfísica e convecção e previsões defasadas em 6, 12 e 18 h. O primeiro conjunto representa parametrizações mais simples, sem graupel, a segunda as mais utilizadas operacionalmente e a terceira utilizando microfísica mais complexa de dois momentos. Os números representam, percentualmente, o numero de vezes que determinada combinação foi melhor que as demais.