2.1 Nuvens e Nuvens de Tempestade
2.1.2 Sistema Convectivo de Mesoescala (SCM)
2.1.2 Sistema Convectivo de Mesoescala (SCM)
Os Sistemas Convectivos de Mesoescala (SCM), conhecidos também como tempestades organizadas, são aglomerados de nuvens convectivas profundas e mais largas que tempestades individuais, acompanhados freqüentemente de extensa nuvem estratiforme na baixa troposfera em forma de bigorna de centenas de quilômetros. Segundo Houze (1993), os SCM são sistemas de nuvens que ocorrem em conexão com um grupo de tempestades e produzem precipitação contínua sobre áreas da ordem de 100 km ou mais na escala horizontal. Estes sistemas possuem períodos típicos de vida em torno de 6 a 12 horas e as tempestades embebidas em seu interior freqüentemente são fontes de intensa precipitação, fortes ventos, tornados, granizo e intensa atividade elétrica. Na América do Sul, os SCM são responsáveis pela maior parte da precipitação nos trópicos e em várias regiões de latitudes médias durante a estação quente (VELASCO e FRITSCH, 1987; MACHADO e LAURENT, 2004). Alguns tipos particulares de SCM são: Linhas de Instabilidade (LI) e Complexos Convectivos de Mesoescala (CCM) (COTTON e ANTHES, 1989). Uma classificação realizada por Maddox (1980) dos SCM em função de sua forma e localização é mostrada na Figura 2.2.
Figura 2. 2 - Classificação dos SCM para sistemas meso-alfa (250 - 2500 km) com duração maior que 6 horas e de acordo com suas características físicas e localização.
Fonte: Adaptada de Maddox (1980).
As LI são identificadas por uma vigorosa linha de células convectivas estendendo-se até centenas de quilômetros ao longo de um eixo horizontal, interagindo entre si e conectadas pela região estratiforme. São formadas geralmente próximas à interface entre uma massa de ar quente e úmido e uma massa de ar frio e produzindo, desta forma, ventos muito fortes em superfície (por volta de 12 a 25 m/s) e algumas vezes até tornados. Devido ao deslocamento do sistema, à medida que nuvens vão se dissipando, novas nuvens vão sendo formadas de maneira que a tempestade pode durar várias horas (HOUZE, 1977; COTTON e ANTHES, 1989).
O conceito de CCM foi introduzido por Maddox (1980) durante uma análise de imagens de satélites no IR sobre os EUA central em 1978. Estes sistemas foram classificados como os maiores membros dos SCM, possuindo forma quase circular e diâmetros típicos de 300 a 400 km, com centenas de tempestades individuais interligadas em seu interior, cobertas por uma extensa camada de nuvens Cirrus, oriundas de nuvens Cb maduras. Neste tipo de SCM, a forma de organização das células convectivas não é de grande importância, e os mesmos ocorrem principalmente à noite com duração típica
em torno de 10 a 12 horas (MADDOX, 1980). Os critérios definidos por Maddox para um SCM ser definido como CCM é sintetizado na Tabela 2.1.
Tabela 2. 1: Definição de um CCM com base em características físicas.
Fonte: Adaptada de Maddox (1980).
Desta forma, os SCM de maneira geral são constituídos basicamente de uma região convectiva e outra estratiforme. A primeira é caracterizada por forte convecção e alto topo de nuvens, enquanto que a segunda região possui nuvens de grande extensão horizontal e baixo topo de nuvens (semelhante a uma bigorna). Contudo, os diferentes tipos de nuvens inseridos nos SCM variam conforme seu ciclo de vida (Figura 2.3) (MACHADO e ROSSOW, 1993). Na América do Sul tem-se empregado uma metodologia no qual através de imagem de satélite no canal do IR, a área dos SCM é identificada geralmente por regiões de pixels com TB menores que 235 K e as células convectivas em seu interior por pixels de TB menor que 210 K.
Tamanho A Região com temperaturas de topos nebulosos ≤ 241 K em uma área
≥ 100.000 km2
Tamanho B Região com temperaturas de topos nebulosos ≤ 221 K em uma área
≥ 50.000 km2
Início Quando as definições de tamanho A e B forem satisfeitas Duração Quando as definições de tamanho A e B forem mantidas por um
período ≥6 horas Máxima
Extensão
Quando a região definida pelos limiares alcançar o tamanho máximo Forma Excentricidade ≥ 0,7 no instante de máxima extensão
Término Quando as definições de tamanho A e B não mas forem satisfeitas
Figura 2. 3 - Representação da estrutura de nuvens de um típico SCM tropical durante sua formação, maturação e estágio de dissipação.
Fonte: Machado e Rossow (1993).
Embora diferentes condições dinâmicas e termodinâmicas favoreçam o surgimento dos SCM, um ponto em comum é a forte convergência de umidade em baixos níveis que precede por várias horas a sua formação (FRANK, 1978). Nas LI, a organização das células convectivas fornece o suprimento de ar quente e úmido e o forte cisalhamento vertical do vento separa regiões de updraft e de downdraft. O desenvolvimento dos CCM, porém está associado a um jato de baixos níveis em um fraco regime de ventos que fornece ar quente e úmido às células convectivas acoplado a um jato de altos níveis (VELASCO e FRITSCH, 1987).
O monitoramento dos SCM em tempo real é de grande importância para se avaliar as condições atmosféricas, cobertura de nuvens, precipitação e quantidade de relâmpagos ao longo do ciclo de vida desses sistemas. No Brasil, um método de identificação e previsão de propagação de SCM em curto prazo utilizado operacionalmente é o Forecast and Tracking of Active Convective Cells (FORTRACC) (Vila et al, 2008), implementado na Divisão de Satélites e Sistemas Ambientais (DSA) pertencente ao
Centro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos (CPTEC) do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE). Este algoritmo determina as trajetórias e ciclo de vida desses sistemas através de imagens sucessivas do IR, com base nas características morfológicas (reconhecimento de padrões) e a superposição de áreas entre essas imagens (MACEDO, 2001). Um tamanho mínimo de 90 pixels e um limiar de 235 K e 210 K são definidos para detectar os SCM e Células Convectivas (CC), respectivamente. Esse procedimento produz uma série temporal de propriedades físicas dos SCM ao longo de seu ciclo de vida. Portanto, cada SCM com o ciclo de vida completo é compreendido como uma família de SCM, a qual cada membro desta família, corresponde às diversas etapas (cada etapa correspondente a uma imagem de satélite) do ciclo de vida do SCM. Dentre as diversas propriedades físicas determinadas pelo modelo, as utilizadas neste trabalho foram as seguintes:
1) Raio Efetivo (Re): corresponde ao raio de um círculo cuja área seja igual à área do SCM, sendo expresso por:
2) Taxa de Expansão Normalizada (Ae): é um parâmetro indicativo do crescimento ou decrescimento relativo do SCM com relação a sua área média em um determinado intervalo de tempo. Se o seu valor for positivo o sistema está em expansão, se o valor está próximo de zero o sistema atingiu a maturação e se for negativo indica que o sistema está em fase de dissipação. A sua expressão é definida por:
Ae=
em que,
Aeé a taxa de expansão normalizada do SCM em 10-6 segundo-1. A* é a área média do SCM entre duas imagens em pixels;
∂A é a variação da área do SCM entre duas imagens em pixels;
∂t é o intervalo de tempo entre essas duas imagens em segundos;
3) Temperatura Média de Brilho (Tmed): corresponde à média da temperatura entre todos os pixels pertencente ao topo de um mesmo SCM expressa em Kelvin.
4) Taxa de Variação da Temperatura Média de Brilho (TVTmed): corresponde à razão da variação da Tmed do SCM entre duas imagens pela variação do tempo entre as imagens, sendo expressa por:
TVTmed = t Tmedia
∆
∆ (2.3)
sendo,
TVTmed é a Taxa de Variação da Temperatura Média em Kelvin.hora-1;
media
∆T é a variação da temperatura média entre duas imagens em Kelvin;
∆t é o intervalo de tempo entre as imagens em horas.
5) Temperatura Mínima de Brilho (Tmin): corresponde à mínima temperatura entre todos os pixels pertencente ao topo de um mesmo SCM expressa em Kelvin.
6) Taxa de Variação da Temperatura Mínima de Brilho (TVTmin): corresponde à variação da Tmin do SCM entre duas imagens pela variação do tempo entre as imagens, sendo expressa por:
TVTmin = t T
∆
∆ min
(2.4) em que,
TVTmin é a Taxa de Variação da Temperatura Mínima em Kelvin.hora-1;
Tmin
∆ é a variação da temperatura média entre duas imagens em Kelvin;
∆té o intervalo de tempo entre as imagens em horas.
7) Temperatura Mínima Média de Brilho do Kernel de 9 Pixels (Tmin9): é uma média entre a temperatura dos nove pixels mais frios pertencente ao topo do SCM para uma determinada imagem expressa em Kelvin.
8) Taxa de Variação da Temperatura Mínima Média de Brilho do Kernel de 9 Pixels (TVTmin9): corresponde à variação da Tmin9 do SCM entre duas imagens pela variação do tempo entre as imagens, sendo expressa por:
TVTmin =
TVTmin9 é a Taxa de Variação da Temperatura Mínima Média do Kernel de 9 Pixels em Kelvin.hora-1;
9
Tmin
∆ é a variação da temperatura média entre duas imagens em Kelvin;
∆t é o intervalo de tempo entre as imagens em horas.
9) Fração Convectiva (FC): é a razão entre o tamanho médio das células convectivas (núcleos com TB < 210 K) e a área total do SCM, expressa pela seguinte relação:
rc é o raio efetivo das células convectivas em quilômetros;
Re é o raio efetivo do SCM em quilômetros.
10) Excentricidade (Ecc): é representada pela razão entre o eixo menor do SCM pelo
Assim, utilizando esses parâmetros a excentricidade é determinada pelas seguintes relações:
N representa o número de pontos do sistema;
β representa a inclinação do sistema;
ε representa a excentricidade.
Maiores detalhamentos sobre o princípio físico de rastreamento, determinação de propriedades de SCM pelo modelo FORTRACC, além da definição dessas propriedades
físicas encontra-se em trabalhos como em Machado et al (1998), Fortracc V1.1- Guia do Usuário (2004) e Vila et al (2008).