ÍNDICES DE INSTABILIDADE E TEMPESTADES SEVERAS NA REGIÃO METROPOLITANA DE SÃO PAULO
Ana Carolina Nóbile Tomaziello 1, Adilson Wagner Gandu 1
1 Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas da Universidade de São Paulo
Rua do Matão, 1226 - Cidade Universitária - CEP: 05508-090 - São Paulo - SP, Brasil [email protected]; [email protected]
RESUMO: Pela importância econômica e social da Região Metropolitana de São Paulo, e devido aos enormes transtornos que ela sofre com episódios de tempestades severas, este trabalho objetivou estudar as características termodinâmicas da atmosfera quando da ocorrência desses fenômenos. Com base em observações em superfície e perfis verticais determinados por radiossondagens, foram calculados e analisados diversos índices de instabilidade, determinando-se valores limiares e o desempenho dos mesmos na previsão de convecção severa sobre a região. Tomando-se particularmente quatro índices termodinâmicos - IS, ILEV, CAPE e CINE - concluiu-se que dois deles se apresentaram adequados à previsão de eventos severos na região da cidade de São Paulo com o uso dos novos limiares (entre parênteses), são eles: IS (4 ºC) e ILEV (2 ºC). ILEV apresentou o melhor desempenho dentre todos os índices. Os demais, CAPE e CINE, apresentaram desempenhos de razoáveis a satisfatórios, podendo necessitar ainda de adaptações.
ABSTRACT: INSTABILITY INDICES AND SEVERE THUNDERSTORMS IN THE METROPOLITAN REGION OF SÃO PAULO. By the social and economical importance of the Metropolitan Region of São Paulo, and due to the enormous disturbances that it suffers in reason of severe thunderstorms episodes, this work objectified to study the thermodynamical characteristics of the atmosphere when these phenomena occur. Basing on surface observations and on vertical profiles determined by radio sounding, diverse instability indices were calculated and analyzed, threshold values and their performance in the prevision of severe convection over the region were determined. Taking particularly four thermodynamical indices - IS, ILEV, CAPE and CINE - we concluded that two of them presented themselves adequate to the severe events prevision in the region of the city of São Paulo with the usage of the new thresholds (in parenthesis), they are: IS (4 ºC) and ILEV (2 ºC). ILEV presented the best performance between all the indices. The others, CAPE and CINE, presented reasonable to satisfactory performance, they may still need adaptations.
Palavras-Chave: Índices de instabilidade, termodinâmica, tempestades severas, previsão de tempo.
1. INTRODUÇÃO
A Região Metropolitana de São Paulo (RMSP), também conhecida como Grande São Paulo, é um dos maiores aglomerados urbanos do mundo, abrangendo a Capital do Estado e mais 38 municípios vizinhos. Em sua área, de 8051 km2, concentram-se, segundo o IBGE (2005), 20 milhões de habitantes, destes, cerca de 10 milhões moram no município de São Paulo.
A movimentação de rotina da complexa região da cidade de São Paulo pode ser afetada por eventos naturais, tais como as tempestades severas, que ocorrem sobretudo no verão, ocasionando enormes impactos econômicos e sociais. Deve-se considerar que, devido à expansão urbana da região, realizada aleatoriamente, sem o necessário planejamento, aliada ao assoreamento da rede de drenagem natural e construída, a ocorrência de tempestades severas em São Paulo, especialmente na região leste da cidade, desencadeia situações que, em muitos casos, beiram o caos, com ocorrências de vítimas fatais, congestionamentos, interrupção do fornecimento de energia elétrica, pontos alagados, trechos inundados e fechamento de aeroportos, o que compromete a rotina da população e a economia do país.
Dessa forma, justifica-se a necessidade de se aprofundar os estudos sobre as características do ambiente associadas a tempestades severas na RMSP, tal como proposto neste trabalho, estabelecendo-se critérios e parâmetros atmosféricos mais adequados, que indiquem a probabilidade de ocorrência desses sistemas, e auxiliem na previsão meteorológica da região.
Tempestades severas são sistemas convectivos de mesoescala (ORLANSKI, 1975) capazes de gerar granizo de tamanho grande (com pedras de 2 cm ou mais de diâmetro ao atingirem a superfície), vendavais intensos com força destrutiva (velocidade acima de 26 m s-1) ou tornados (NASCIMENTO, 2005).
A localização geográfica da RMSP favorece a ocorrência de chuvas orográficas - uma vez que a área está circundada por serras - bem como de tempestades convectivas associadas à entrada de brisa marítima ao
final da tarde (OLIVEIRA e SILVA DIAS, 1982; PEREIRA FILHO, 1999) com graves conseqüências, principalmente à capital paulista. Ar relativamente úmido e frio associado à brisa, em combinação com ar ambiente urbano, seco e quente, produz instabilidade convectiva. Os eventos de precipitação intensa se desenvolvem muito rapidamente sobre a ilha de calor urbano da cidade de São Paulo. A circulação da frente de brisa, apesar de rasa, produz movimento ascendente e, conseqüentemente, instabilidade (FOGACCIA, 2001).
A maioria dos episódios de enchentes na RMSP, no período de 2002-2004, foi associada a essa penetração da brisa marítima, com forte aquecimento diurno (temperatura do ar e do ponto de orvalho em geral superiores a 30 e 20 ºC, respectivamente) e com a convergência induzida pelo aquecimento (PEREIRA FILHO et al., 2004).
Diversos parâmetros atmosféricos, chamados de “índices de instabilidade”, já foram desenvolvidos e são freqüentemente usados para auxiliar tanto a pesquisa quanto a previsão operacional de tempestades. Os índices de instabilidade foram originalmente padronizados para as latitudes médias do Hemisfério Norte (daqui em diante HN), referindo-se, na maioria das vezes, a tempestades observadas nas planícies do meio-oeste norte-americano. Por estarem nas latitudes médias, essas tempestades estão embebidas numa atmosfera que tem algumas diferenças em relação ao ambiente subtropical das regiões sul, sudeste e centro-oeste do Brasil (SILVA DIAS, 1999). Desta forma, para serem úteis para a previsão de tempo severo em nosso país, necessitam ter seus limiares adaptados para as condições ambientes encontradas em nossa região.
Dando continuidade ao trabalho de NÓBILE e GANDU (2006), o objetivo geral deste foi estudar as características termodinâmicas do ambiente, associadas às tempestades severas na RMSP. Especificamente, pretendeu-se fazer uma análise estatística simples de índices de instabilidade termodinâmica, em dias (situações) “convectivos” e “não convectivos”, determinar valores limiares desses índices, que discriminem as condições “convectivas” e “não convectivas” na região e, através do uso de índices de pontuação de desempenho (skill scores), analisar a eficiência desses parâmetros termodinâmicos e seus limiares como previsores dessas situações.
2. METODOLOGIA
Os dados utilizados neste estudo foram, basicamente, de dois tipos: registros da Estação Meteorológica do IAG (Cientec), localizada no bairro da Água Funda (São Paulo - SP), e dados das radiossondagens realizadas no Campo de Marte, localizado na Zona Norte da cidade de São Paulo. O período analisado foi de 1 de janeiro de 2001 a 31 de dezembro de 2005.
Na Estação Meteorológica do IAG são feitos registros de observações de fenômenos atmosféricos de interesse a este trabalho, eventos severos (daqui em diante ES), tais como ocorrência de nuvens do gênero Cumulonimbus (Cb), trovão, trovoada, relâmpago e granizo. Esses registros foram utilizados para classificação dos dias, conforme o seguinte critério: (i) os dias com observação de um ou mais desses fenômenos foram classificados como “dias convectivos”; (ii) os dias sem observação de qualquer um desses fenômenos foram classificados como “dias não convectivos”.
O segundo conjunto de dados são as informações de pressão, altura, temperatura, temperatura do ponto de orvalho, direção do vento, velocidade do vento e velocidade do vento em componentes zonal e meridional, coletadas pelas radiossondagens realizadas duas vezes ao dia (às 00 GMT e às 12 GMT) no Campo de Marte. Essas radiossondagens estão disponíveis na página da Internet da Universidade do Wyoming (http://weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html). Os índices termodinâmicos foram calculados a partir deste último conjunto de dados, sendo eles: Showalter (IS), Índice de Instabilidade por Levantamento (ILEV), SWEAT, K, Cross Totals, Vertical Totals, Total Totals, Energia Potencial Convectiva Disponível (CAPE), CAPE da Corrente Descendente, Energia de Inibição Convectiva (CINE), Número de Richardson Volumétrico (NRV), Denominador do NRV e Potencial de Geração de Vorticidade, entretanto, foram selecionados apenas quatro deles devido à brevidade deste artigo. A seguir, é apresentada a definição desses quatro índices termodinâmicos.
O IS é definido como: ] [º 500 500 Tp C T IS= − (1)
onde T500 é a temperatura do ar ambiente em 500 hPa e Tp500 é a temperatura de uma parcela de ar após
ascender do nível de 850 hPa ao de 500 hPa. Quanto mais próximo ou abaixo de zero for IS, maior a instabilidade atmosférica (NASCIMENTO, 2005), pois maior é o empuxo experimentado pela parcela.
O ILEV é definido como:
] [º 500 500 Tp C T ILEV= − (2)
onde T500 é o mesmo definido em IS (Equação 1) e Tp500 é a temperatura de uma parcela de ar em 500 hPa
após ascender, via curva adiabática seca, e úmida após saturação, a partir da superfície com pressão, temperatura e temperatura do ponto de orvalho médios da camada de 500 m acima da superfície, assim como definido na página http://weather.uwyo.edu/upperair/indices.html. Valores negativos de ILEV indicam condições instáveis; ILEV abaixo de -5 ºC indica situação muito instável, e extremamente instável abaixo de -10 ºC (NASCIMENTO, 2005).
Uma tempestade é sustentada pelo empuxo proveniente das correntes ascendentes. A magnitude real da força da corrente ascendente é determinada pela integral do empuxo que a corrente sofre à medida que sobe da base da nuvem até uma determinada altura na atmosfera. O empuxo integrado na atmosfera é chamado CAPE e é expresso por:
(
)
ln [ −1]∫
− − = Rd T T d p Jkg CAPE NPE NCE P A (3) onde NCE é o nível de convecção espontânea, NPE é o nível de perda de empuxo para uma determinada parcela de ar ascendente, TP é a temperatura de uma parcela de ar, TA é a temperatura do ambiente, Rd é aconstante dos gases para o ar seco e p é a pressão. De uma forma geral, valores de CAPE entre 1000 e 2500 J kg-1 são considerados altos; entre 2500 e 4000 J kg-1 indicam instabilidade acentuada, e acima de 4000 J kg-1, instabilidade extrema.
A CINE representa o trabalho necessário para ascender uma parcela de ar verticalmente desde a superfície até seu NCE em processos adiabáticos (seco e saturado). Este índice é expresso por:
(
)
ln [ −1]∫
− − = Rd T T d p Jkg CINE NCE SUP P A (4) onde SUP é o nível da superfície, NCE é o nível de convecção espontânea, e os demais parâmetros são os mesmos definidos em CAPE (Equação 3). Quanto menor o valor de CINE, mais difícil é a iniciação convectiva para uma parcela de superfície, uma vez que mais intensa deverá ser a forçante para o levantamento dessa parcela até atingir seu NCE (NASCIMENTO, 2005). Valores típicos de CINE variam entre 0 J kg-1 (i.e., nenhuma inibição convectiva) e -50 J kg-1, sendo que valores menores do que -100 J kg-1 significam alta inibição.Os valores limiares dos índices termodinâmicos, que discriminam as condições “convectivas” e “não convectivas” na região, foram determinados segundo a metodologia descrita em HUNTRIESER et al. (1997), na qual são plotadas as distribuições de freqüência relativas de um determinado índice de instabilidade, em duas condições distintas, “dias não convectivos” e “dias convectivos”, sendo o limiar o valor que separa essas duas distribuições de probabilidade.
Skill Scores são utilizados em Meteorologia a fim de validar o sucesso das previsões de tempo. Neste
trabalho foram utilizados Probabilidade de Detecção (POD), Razão de Falso Alarme (FAR), Índice de Sucesso Crítico (CSI), Estatística de Desempenho Verdadeiro (TSS) e Índice de Pontuação de Desempenho de Heidke (S). Para o cálculo desses skill scores utilizou-se a metodologia das “Tabelas de Contingência 2 x 2” (informações detalhadas a respeito desta metodologia podem ser encontradas em HUNTRIESER et
al., 1997). Para uma previsão perfeita, POD = CSI = TSS = S = 1 e FAR = 0. Por outro lado, para uma
previsão totalmente errada, POD = CSI = 0, FAR = 1 e TSS = -1. 3. RESULTADOS
Valores negativos de IS significam que a temperatura da parcela de ar em 500 hPa é maior do que a do ambiente neste nível, desta forma a parcela tende a subir, o empuxo na parcela é maior, pois está menos densa que o ar circunvizinho. Uma situação dessa caracteriza instabilidade atmosférica.
Observa-se na Figura 1a que para dias com episódios de tempo severo, os valores com maior número de ocorrência estão entre 0 e 2 ºC; para os dias sem os mesmos, entre 2 e 4 ºC. O limiar estabelecido para IS foi 4 ºC. Para valores de IS menores do que 4 ºC, o ambiente está favorável à ocorrência de episódios de tempo severo, para valores maiores ou iguais a 4 ºC, desfavorável. Este limiar para a RMSP difere daquele determinado para as latitudes médias do HN, em que valores na faixa de -2 a -3 ºC indicam chances de tempestades severas.
Na Figura 1b observa-se que para dias com ocorrência de ES os valores de ILEV com maior número de ocorrências estão entre 0 e 2 ºC, para os dias sem ES, entre 2 e 4 ºC. O limiar estabelecido para ILEV foi 2 ºC, assim quando este for menor ou igual a 2 ºC há chances de ocorrência de ES, caso contrário, o ambiente não é favorável. Este limiar não coincide com aquele determinado para as latitudes médias do HN, que está em torno de -3 ºC.
Na maioria das vezes, quanto maior o valor da CAPE maior a chance de convecção. A partir da Figura 1c, estabeleceu-se o limiar para CAPE para a RMSP sendo este valor 100 J kg-1, diferente daquele para as latitudes médias do HN, onde valores menores que 300 J kg-1 indicam apenas convecção muito fraca.
CINE alta, em módulo, significa dificuldade na iniciação convectiva, pois maior deverá ser o trabalho para ascender uma parcela de ar desde a superfície até seu NCE. Para a RMSP, os limiares da CINE são -250 e -10 J kg-1 (Figura 1d). Com valores menores ou iguais a -250 J kg-1 ou maiores do que -10 J kg-1, o ambiente é desfavorável à ocorrência de ES, para CINE entre -250 e -10 J kg-1, é favorável, diferentemente do padrão para o HN. Uma consideração importante é que uma certa quantidade de inibição (CINE) provoca iniciação convectiva, pois as células convectivas que “conseguirem” se formar terão mais CAPE. Isso explica a ocorrência de ES mesmo com presença de CINE. Já com valores de CINE muito baixos, como abaixo de -500 J kg-1, nenhuma célula consegue se formar, pois neste último caso a inibição é muito intensa.
(a) (b) -4--2 -2-0 0-2 2-4 4-6 6-8 8-10 10-12 12-14 14-16 16-18 18-20 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Valor do Índice (ºC) F re q ü ê n c ia [ % ] Índice Showalter com ES (611) sem ES (2433) Limiar 4 < 4 favorável >= 4 desfavorável -6--4 -4--2 -2-0 0-2 2-4 4-6 6-8 8-10 10-12 12-14 14-16 16-18 18-20 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Valor do Índice (ºC) F re q ü ê n c ia [ % ]
Índice de Instabilidade por Levantamento
com ES (611) sem ES (2437) Limiar 2 <= 2 favorável > 2 desfavorável (c) (d) 0-10 10-50 50-75 75-100 100-250 250-500 500-750 750-1000 1000-2000 2000-5000 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Valor do Índice (Jkg-1) F re q ü ê n c ia [ % ]
Energia Potencial Convectiva Disponível
com ES (540) sem ES (1459) Limiar 100 < 100 desfavorável >= 100 favorável -1000--750 -750--500 -500--250 -250--100 -100--50 -50-10 -10-0 0 5 10 15 20 25 30 35 Valor do Índice (Jkg-1) F re q ü ê n c ia [ % ]
Energia de Inibição Convectiva
com ES (407) sem ES (777) Limiar -10 Limiar -250 <= -250 desfavorável -250 a -10 favorável > -10 desfavorável
Figura 1: Distribuição de probabilidade e limiares para (a) IS; (b) ILEV; (c) CAPE; (d) CINE. Os valores entre parênteses nas legendas representam o total de ocorrências ou de “não ocorrências” de ES para dias que possuíam o índice calculado, sendo que cada um dos horários (00 GMT e 12 GMT) é considerado como uma ocorrência.
Índice de Instabilidade POD FAR CSI TSS S
IS 0,858 0,646 0,334 0,464 0,303
ILEV 0,722 0,579 0,362 0,473 0,373 CAPE 0,521 0,523 0,332 0,309 0,301 CINE 0,612 0,607 0,314 0,265 0,225 Tabela 1: Comparação dos quatro índices de instabilidade para os cinco skill scores. Os valores em negrito indicam o melhor índice de instabilidade em cada skill score.
Com base na Tabela 1, comparando-se os quatro índices termodinâmicos, em relação à POD, o melhor desempenho foi o de IS (0,858), seguido de ILEV (0,722), CINE (0,612) e CAPE (0,521). A menor Razão de Falso Alarme (FAR) foi a de CAPE (0,523), isto é, CAPE foi o índice que menos previu situações convectivas enquanto elas não ocorreram. A maior FAR foi a de IS (0,646), seguida de CINE (0,607) e ILEV (0,579). O melhor CSI foi o de ILEV (0,362), seguido de IS (0,334), CAPE (0,332) e CINE (0,314). Com
relação ao TSS, o valor mais elevado foi o de ILEV (0,473), seguido de IS (0,464), CAPE (0,309) e CINE (0,265). Pelo Heidke Skill Score, o melhor desempenho nas previsões de tempestades e eventos severos foi o de ILEV (0,373), seguido por IS (0,303), CAPE (0,301) e CINE (0,225).
Três dos cinco skill scores tiveram seus melhores valores atingidos por ILEV, isto é, ILEV foi o índice que apresentou melhor desempenho nas previsões de tempestades severas com base no novo limiar adotado para a região da cidade de São Paulo.
4. CONCLUSÕES
Foi possível determinar os valores limiares (entre parênteses), para a Região Metropolitana de São Paulo, dos índices de instabilidade estudados no presente trabalho: IS (4 ºC), ILEV (2 ºC), CAPE (100 J kg-1) e CINE (-250 e -10 J kg-1). Esses limiares não coincidiram com aqueles apontados para as latitudes médias do HN, concluindo-se com isso que era realmente necessária a adaptação desses valores.
Os índices que apresentaram melhor desempenho na previsão de eventos severos na RMSP foram IS e ILEV, se mostrando adequados com o emprego dos novos limiares, sendo que o desempenho de ILEV se destacou como o melhor para a região. CAPE e CINE apresentaram desempenhos de razoáveis a satisfatórios, podendo ainda necessitarem de adaptações na formulação e/ou nos limiares para a RMSP. AGRADECIMENTOS: À Estação Meteorológica do IAG pelo fornecimento dos dados de observação de eventos severos. A primeira autora agradece à FAPESP pelo apoio financeiro através da bolsa de Iniciação Científica (processo nº. 07/02044-4).
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