DETERMINAÇÃO DO POTENCIAL DE SEVERIDADE EM
TEMPESTADES USANDO INFORMAÇÕES DE RADAR
METEOROLÓGICO
Douglas Cristino Leal2 Gerhard Held3
Ana Maria Gomes4
RESUMO
O objetivo deste trabalho é caracterizar as tempestades, quanto ao seu aspecto potencial para causar danos em superfície, bem como caracterizar a climatologia dessas tempestades determinando o seu número de ocorrência sobre a área central do Estado de São Paulo, durante o mês de janeiro de 2000. Foi selecionado este mês para análise por ser o mês de maior ocorrência de tempestades produzindo precipitações intensas na sua maioria de origem convectiva, definidas aqui pelo limiar de refletividade do radar ≥ 40 dBZ. Tais eventos são resultantes do maior aquecimento solar que se dá, principalmente, nos trópicos, podendo acarretar em sérios prejuízos à população devido à intensa atividade convectiva presente no período produzindo chuvas intensas, por vezes acompanhadas de granizo e/ou ventos fortes. A análise realizou-se usando produtos gerados a partir dos dados volumétricos coletados pelo radar Doppler de Bauru, disponibilizados pelo Instituto de Pesquisas Meteorológicas (IPMet), da Universidade Estadual Paulista (UNESP) de Bauru. Foi realizada uma estatística descritiva para avaliar as intensidades das chuvas produzidas pelas tempestades observadas pelo radar Doppler através de três parâmetros, o topo dos ecos, VIL – conteúdo de água líquida integrada na vertical, e um parâmetro derivado dos dois primeiros, chamado Densidade VIL, que é a razão entre os valores observados de VIL e o topo. Os resultados obtidos mostram que 87% das tempestades atingem topos entre 7 e 11Km e, mais de 3%, ultrapassam os 11Km, sendo o intervalo de freqüência maior entre 6 e 9 Km. O parâmetro VIL tem maior freqüência nos intervalos de 4 a 26 Kg/m2. Já o parâmetro Densidade VIL possui os maiores valores nos intervalos de 0,5 a
2,5g/m3, caracterizando precipitação intensa. Também identificou-se propagação anômala nesse período estudado, sendo retirado os dados espúrios com certo rigor, após uma análise minuciosa. Dessa forma constata-se a grande eficiência na identificação, no rastreamento e na previsão de tempestades severas na área central do Estado de São Paulo pelo radar Doppler do IPMet de Bauru. Palavras-chave: Tempestades, radar Doppler, VIL, Densidade VIL.
1 INTRODUÇÃO
Durante a Segunda Guerra Mundial, nos anos 40, foi que o radar teve seu principal desenvolvimento, para a indicação e o monitoramento de navios e aviões de guerra. A partir de então, esta ferramenta foi utilizada também para a caracterização e o monitoramento de tempestades em estudos de meteorologia.
O radar meteorológico Doppler mede a refletividade equivalente e em adição tem a capacidade de medir a velocidade dos alvos. Outra variável medida
2
também é a variabilidade da velocidade radial num volume iluminado do radar. Sendo assim, a refletividade equivalente, a velocidade radial e a largura espectral são a base de dados gerados pelos radares Doppler.
Uma das grandes vantagens do uso do radar é a possibilidade de mapear a precipitação com maior eficiência, em espaço e tempo, do que qualquer rede de estações pluviométricas em superfície. Uma varredura em 360 graus feita pelo radar meteorológico é equivalente a cobrir grandes quantidades de pluviômetros. A varredura mapeia uma extensão areal de diferentes intensidades de precipitação dentro de uma região5.
O objetivo deste trabalho é caracterizar as tempestades, quanto ao seu aspecto potencial para causar danos em superfície, bem como caracterizar a climatologia dessas tempestades determinando o seu número de ocorrência sobre a área central do Estado de São Paulo, durante o mês de janeiro de 2000.
Esse período foi selecionado devido ao número relativamente alto de ocorrências de tempestades, evidenciando a potencialidade do radar Doopler do Instituto de Pesquisas Meteorológicas (IPMet) da Universidade Estadual Paulista (UNESP) de Bauru-SP, na identificação, no rastreamento e na previsão de tempestades severas na área central do Estado de São Paulo.
2 METODOLOGIA 2.1 Dados
Os dados utilizados foram a partir das varreduras volumétricas do radar Doppler de Bauru, relativos ao mês de janeiro de 2000. Essas varreduras são compostas por onze elevações, que variam de 0,3 a 34,9 graus, com uma resolução
de 1 grau em azimute por 1Km em distância, coletando informações de refletividade, velocidade radial e largura espectral, com uma freqüência de 15 minutos ou menos, num raio de 240Km a partir do radar de Bauru.
Os dados volumétricos foram recuperados em seu formato proprietário SIGMET e convertidos para o formato MDV (Meteorological Data
Volume) e processados utilizando o sistema de software TITAN (Thunderstorm Identification, Tracking, Analysis and Nowcasting6).
Este sistema define as tempestades como regiões tridimensionais de refletividades excedendo um determinado limiar e combinando-as de modo lógico, entre duas observações consecutivas de radar. O método usa como base as informações do radar em coordenadas cartesianas.
Este software TITAN trás consigo variedades de propriedades das tempestades quem podem ser estimadas, a partir das medidas de refletividade (Z), utilizando a teoria que se aplica a essas medidas7 e a habilidade do TITAN de identificar objetivamente tempestades individuais.
Também é possível identificar possibilidades de dados espúrios através do TITAN, ou seja, identificação de possível existência de uma contaminação nos dados de radar devido à propagação de microondas que estando sujeita às condições atmosféricas podem, em determinadas situações, causar o curvamento do feixe de microondas emitido pela antena do radar, ocasionando a reflexão do solo em distâncias que variam até próximo ao alcance máximo de varredura8.
É possível, no entanto, identificar a super-refração através de uma análise minuciosa e, com certo rigor, retirar a série em que contém estes dados
6 DIXON and WIENER, 1993. 7
espúrios para que os mesmos não comprometam a análise do todo e isso está sendo realizado neste estudo e a análise se estenderá por todo o período selecionado.
2.2 Parâmetros
Foram obtidos os parâmetros relativos às células de tempestade definidas pelo limiar de refletividade ≥ 40 dBZ e volume > 16Km3, ou seja, foi determinado este limiar para selecionar apenas tempestades severas.
Os parâmetros determinados são: VIL (kg/m2) e altura do Topo dos ecos associados (Km). A partir desses dois parâmetros foi calculado o parâmetro Densidade VIL (g/m3).
2.2.1 VIL
VIL é uma função não linear derivada dos valores de refletividade e integrados numa coluna vertical e que converte essas refletividades, em estimativas do conteúdo de água líquida equivalente, baseado em estudos teóricos de distribuições do tamanho de gotas e estudos empíricos de fator refletividade e conteúdo de água líquida9, e é escrita conforme a equação (1).
h x Z Z x VIL i i Δ ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ + =
∑
− + 7 4 1 6 2 10 44 . 3 (1)Onde VIL tem unidades de quilogramas por metro quadrado (Kg.m-2); Zi e Zi+1 são valores de refletividades (mm6m-3) nas porções inferiores e superiores
de uma camada amostrada; h é a espessura da camada, em metros, que varia em função da distância e elevação.
Δ
2.2.2 Topo dos ecos
Quanto ao Topo dos ecos, é um produto que disponibiliza a altura da máxima ocorrência de um limiar de dBZ selecionado e amostrado em Km. Esse campo mostra a profundidade dos sistemas e é obtido após a varredura completa do radar em todas as elevações da antena em um perfil vertical. Através do rastreamento, as informações contidas em cada uma das elevações em PPI, são possíveis o conhecimento da distância e altura do mesmo em relação ao radar. Desta forma, é um bom indicador de tempo severo e granizo.
2.2.3 Densidade VIL
A partir destes dois parâmetros, VIL e Topo dos ecos, foi determinado o parâmetro Densidade VIL, determinado pela razão de VIL (Kg.m-2) por Topo do eco (m). Multiplica-se o quociente por 1000 para gerar g.m3, conforme a equação (2).
Densidade VIL= VIL/ Topo Eco (2)
A vantagem na utilização do parâmetro Densidade VIL sobre é o VIL é a potencialidade de identificar precipitação de granizo, tornados e ventos intensos que podem provocar grandes danos em superfície, quando com altos valores, uma vez que é a normalização do VIL pelo Topo dos ecos.
Para este trabalho também foram determinadas, distribuições estatísticas relativas aos três parâmetros, bem como estatísticas descritivas e histogramas, realizadas através do Software Microsoft Excel, for Windows, eficaz para os cálculos.
3 DESENVOLVIMENTO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
3.1 Distribuições de VIL, Topo dos ecos e Densidade VIL de Janeiro de 2000
O mês de janeiro representa grande parte dos dados processados, uma vez que, na sua maioria, são caracterizados pela grande intensidade de precipitações.
A partir da distribuição dos máximos Topos dos Ecos e VIL, para os mês de Janeiro de 2000, calculou-se o parâmetro Densidade VIL (g/m3) para todo o período considerado em que os limiares foram excedidos a 40 dBZ (seleção das tempestades severas) dentro da área de 240Km de alcance do radar Doppler de Bauru.
Na Figura 1 tem-se a distribuição, no gráfico, dos máximos do Topo dos ecos relativo ao mês de janeiro de 2000. Observa-se que a atividade convectiva deste mês é bastante intensa, sendo que 87% das tempestades atingem topos entre 7 e 11Km e, mais de 3%, ultrapassam os 11Km.
Distribuição dos Topos dos Ecos - 40 dBZ (jan. 2000)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Intervalos de altura (km) Fre q üê ncia relativ a de oc orrê nc ia (%)Figura 1: Distribuição da freqüência dos Topos dos Ecos (40 dBZ) referente ao mês de Janeiro de 2000, através dos dados de radar Doppler de Bauru.
Isso se comprova na distribuição dos valores de VIL, Figura 2, onde se observa que 89% das tempestades têm valores de VIL entre 4 e 21 kg/m2 e 9% possui valores que excedem o limiar de 21 kg/m2.
Distribuição de VIL em tempestades (jan. 2000)
0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101 106 Intervalos de VIL (kg/m2) Freqüência Re lativa (%)Figura 2: Distribuição da freqüência de ocorrência de VIL para o mês de Janeiro de 2000, através dos dados de radar Doppler de Bauru.
No gráfico da Figura 3 observa-se que 97% das tempestades apresentam valores de Densidade VIL entre 1,0 e 3,5 g/m3. Valores superiores a 4 g/m3 têm a ocorrência de 2%.
Distribuição de Densidade VIL em tempestades
(jan. 2000)
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5 12,5Intervalos de Densidade VIL (g/m3)
Fr eq üênci a rel a ti va d e oc orrên cias (%)
Figura 3: Distribuição da freqüência de ocorrência do parâmetro Densidade VIL, para o mês de Janeiro de 2000, calculado através de VIL e Topo dos Ecos, na função CAPPI, dos radares Doppler de Bauru.
Esses resultados caracterizam as magnitudes associadas às tempestades ocorridas no mês de janeiro de 2000 dos valores mais freqüentes das alturas dos Topos dos ecos das tempestades, bem como o valor de VIL associado.
3.2 Propagação Anômala
Foram detectadas, através de uma análise minuciosa, algumas séries de dados que continham propagação anômala. Isso ocorreu devido às condições da atmosfera que propiciou o curvamento do feixe de microondas emitido pela antena do radar ocasionando a reflexão do solo em distâncias que variam até próximo ao
alcance máximo de varredura10. Esses dados foram retirados das séries, com certo rigor, para o não comprometimento da análise do mês estudado.
Alguns altos valores de VIL, no período estudado, que poderiam ser tempestades intensas, após uma análise minuciosa, eram dados espúrios. Verificados no TITAN, a identificação dos ecos espúrios e dos campos de refletividade em conjunto com o campo das velocidades Doppler se mostrou um filtro eficaz para a eliminação dos períodos com observações “contaminadas” dentro da série analisada.
Como exemplo de propagação anômala identificada através do radar
Doppler de Bauru, pelo TITAN, tem-se na Figura 4 a demonstração do ocorrido.
Nesta figura a letra R, ao centro do Estado de São Paulo, indica o radar Doppler de Bauru e a área identificada está situada no quarto quadrante, numa distancia de aproximadamente 230Km do radar e destacada por um círculo vermelho, indicando os altos valores de VIL, cujas células foram identificadas como regiões de convecção intensa.
Figura 4: Imagem dos dados gerados pelo TITAN, uma super-refração ocorrida no dia 24 de Janeiro de 2000, às 6:22’11’’Z. em que índices de refletividade de VIL chegaram a 102 kg/m2. A letra R, ao centro do Estado de São Paulo, indica o radar Doppler de Bauru e a área selecionada, situada no quarto quadrante, numa distancia de aproximadamente 230Km do radar e destacada por um círculo vermelho, indicando os grandes valores de VIL (propagação anômala).
Esta série de dados espúrios tem início às 05:52’24’’Z, cujo VIL máximo é 141 kg/m2, estendendo-se até às 11:33’47’’Z com VIL máximo que chega a 121 kg/m2.
4 CONCLUSÕES
Conclui-se, então, que essas tempestades são caracterizadas por precipitações intensas e, na sua maioria, de origem convectiva.
Tais eventos são resultantes do maior aquecimento solar que se dá, principalmente, nos trópicos, podendo acarretar em sérios prejuízos à população. Esses eventos, devido à intensa atividade convectiva, presente no período, podem produzir chuvas intensas, acompanhadas de granizo e ventos fortes.
No entanto, através dos dados do radar Doppler de Bauru do IPMet e dos produtos detectados, bem como o software TITAN, utilizado para análise da Climatologia do mês de janeiro de 2000, foi possível detectar e rastrear tais eventos caracterizados por intensas precipitações.
Através das análises e de estatística descritiva, bem como histogramas, notou-se que 87% das tempestades atingem topos entre 7 e 11Km e, mais de 3%, ultrapassam os 11Km. Detectou-se que 89% das tempestades têm valores de VIL entre 4 e 21 kg/m2 e 9% possui valores que excedem o limiar de 21 kg/m2. Também observou-se que 97% das tempestades apresentam valores de Densidade VIL entre 1,0 e 3,5 g/m3. Valores superiores a 4 g/m3 têm a ocorrência de 2%, resultados associadas à precipitações intensas.
Altos valores do Topo dos ecos, VIL e Densidade VIL foram motivos para uma análise minuciosa, com algumas séries de dados, pois tanto poderiam ser tempestades intensas como propagação anômala. As séries que continham propagação anômala foram retiradas, com certo rigor, para o não comprometimento da análise do todo.
Portanto, através do radar Doppler do IPMet de Bauru e de seus parâmetros avaliados pela estatística descritiva, histograma e pelo software TITAN,
foi possível constatar a grande eficiência na identificação, no rastreamento e na previsão de tempestades severas na área central do Estado de São Paulo.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
BATTAN, L. J. Radar Observation of the Atmosphere. University of Chicago Press, Chicago, Ill., 1973, 111 p.
DIXON, M. and WIENER, G., 1993: TITAN: Thunderstorm Identification,
Tracking, Analysis and Nowcasting - A radar-based methodology. J. Atmos. Ocean. Technol., n°10, p. 785-797.
GOMES, A. M. Tópicos em Meteorologia com Radar. Nota Técnica IPMet, 1993. IPMET. Aplicação de Filtro em imagens de radar Meteorológico. Disponível em: <www.ipmet.unesp.br>. Acesso em: 29 de junho de 2007.
LOUISVILLE, K.Y. VIL Density as a hail indicator. Science and Technology. NOAA's National Weather Service Weather Forecast Office, Friday, August 3, 2004.