Aula 09 Capítulo 6 - Precipitação

Aula 09

Precipitação

• Colisão:

– Coalescência, Agregação e Acreção

• Rompimento/Quebra • Equilibro • Neve • Granizo/Graupel • Convectivo/Estratiforme • Processos de modificação da DSD • Chuva Continental x Marítima

1. Distribuição de tamanho de gotas -

DSD

• A precipitação poder ter sido iniciada através do

processo de coleta seguida de coalescência, acreção ou agregação ou pela simples formação de cristais de gelo.

• A medida que os hidrometeoros atingem tamanhos precipitáveis, eles crescem a partir da coleta de

gotículas de nuvem (coalescência/acreção), cristais de gelo (agregação) ou uma combinação entre elas.

• Para as nuvens quentes o processo esta limitado a

colisão - coalescência, para as nuvens frias agregação e acreção e para a mista todos os processos.

?

Velocidade Vertical

Número total de gotas

Z aumenta a medida que a chuva cai.

Número de gotas diminui

Se Z aumenta a medida que a chuva cai e o número de gotas diminui, isso implica que o o processo de colisão seguido de coalescência se torna eficiente. Porque?

• Dessa maneira, dependendo do processo dominante teremos gotas de chuva, flocos de neve ou mesmo granizo como hidrometeoros precipitantes.

• Por exemplo, a coalescência é predominante em nuvens quentes com altos valores de LWC

• Em tempestades de neve, que são nuvens frias, temos o predomínio da agregação.

• Já em nuvens mistas, podemos ter os 3 processos. • Que tipo de nuvens podem ser classificadas como

• No globo, temos que grande parte do volume precipitante é na forma de chuva e ela pode ser caracterizada pela Taxa de Precipitação (R) em mm/h ou mm/dia.

• A taxa de precipitação por sua vez pode ser descrita em função da DSD que expressa a distribuição do número de gotas por volume por intervalo de classe de diâmetro – N(D).

  b n m aR D D N D N      exp , ) ( ₀

• A taxa de precipitação por sua vez pode ser descrita em função da DSD que expressa a distribuição do número de gotas por volume por intervalo de classe de diâmetro – N(D).

  b n m aR D D N D N      exp , ) ( ₀

• A taxa de precipitação por sua vez pode ser descrita em função da DSD que expressa a distribuição do número de gotas por volume por intervalo de classe de diâmetro – N(D).

  b n m aR D D N D N      exp , ) ( ₀

• De uma forma geral, independente da região de observação, a concentração de gotas

diminui com o aumento do tamanho da gota (diâmetro).

Para caracterizar a DSD utilizamos sensores que contam o número de

gotas (disdrômetros) em uma área de 50 cm2 a

partir da vibração

causada pelo impacto (JOSS) ou mesmo pelo espalhamento da luz ou sombra (Parsivel e ou Thiess).

• As 1o _{medidas de DSD foram feitas em Otawa}

(Canadá) durante o verão Canadense pelos

pesquisadores Marshall e Palmer (1948). Neste estudo, eles parametrizaram as precipitações observadas naquela região e descobriram que

elas podiam ser descritas por uma função do tipo exponencial.

Onde N(D) representa a concentração de gotas por m3_{, N}

0 o coeficiente linear (0,08 cm-4) e  o

coeficiente angular ( = 41R-0,21) que depende de R (taxa de precipitação em mm/h)

 D 

N D

• A taxa de precipitação por sua vez é expressa como:

Onde V_T(D) representa velocidade terminal de queda dos hidrometeoros e W a velocidade vertical. Na superfície W = 0.  



N



Além disso, temos também a distribuição Gama N(D) = N₀ D e-D    D e D N D N ( )  ₀

Ou a distribuição gama generalizada:

Deirmenjian, D.: Electromagnetic

scattering on spherical polidispersions. Elsevier, New York (1969)

Forma



Os modelos de distribuição de tamanho de gotas de chuva (RDSD) mais aplicados são:

 Exponential: N(D)=N₀exp(-3.67D/D₀) ou N₀exp(-D)

Marshall-Palmer (1948), Laws-Parsons (1943), Best (1950)

 Log-Normal:

Feingold and Levin (1986)

 Gamma: N(D)=N₀Dexp[-(3.67+)D/D₀]

Deirmendjian (1969), Willis (1984), Ulbrich (1983)

    _      0 3 3 0 6 3 6 ) ( 6 / ) ( / dD D D N m g LWC dD D D N m mm Z L  

2. Rompimento das gotas

• A medida que a gota cresce, aumenta a chance de rompimento/quebras.

• Este efeito é provocado pela circulação

aerodinâmica induzida na gota de chuva após esta atingir diâmetros maiores que 3 mm.

• A quebra das gotas de chuva leva a formação de DSD exponenciais, uma vez que a quebra é

dependente do tamanho. Portanto, diminui-se a concentração de gotas grandes e aumenta-se a concentração de gotas pequenas.

• Basicamente a tensão superficial da gota () não é suficiente para segurar as moléculas de água.

• Portanto, a medida que os diâmetros são maiores, as gotas se tornam instáveis e se quebram a parte.

• O processo de rompimento depende da colisão das

partículas, do tamanho, da velocidade relativa e do

ponto de impacto, pois isso pode levar à coalescência ou ao rebatimenteo ou mesmo rompimento das gotas.

• Consequentemente, estes processos podem levar ao aparecimento de certas

modas.

Velocidade Vertical

Refletividade do Radar Z = N(D)D6

• Rompimento do filamento é

causado por colisões inclinadas que possibilitam a criação de novas gotas a partir da

• Rompinento da folha: Após a colisão, a gota maior

desaparece pois a medida que ela gira em torno do ponto de impacto, ela cria várias gotas menores

• Disco: ocorre quando o

impacto acontece no meio da gota coletora, que gera uma uma coalescência temporária seguida de rompimento de várias gotículas pequenas

3. Equilíbrio dos Processos

• Após um certo intervalo de tempo, em geral associado ao volume de chuva, a DSD atinge um equilíbrio e a forma da DSD se estabiliza e não muda muito a sua forma.

• Em outras palavras, os processos de colisão seguido de coalescência e quebra se

equilibram e a DSD tem a uma forma mais exponencial.

Neste processo de

equilíbrio, gotas grandes consomem as pequenas, e depois de um tempo elas se rompem a parte. Logo a concentração de gotas pequenas

aumenta e a

concentração das gotas maiores diminui levando a formação de uma DSD exponencial.

LWC CTE para cada DSD Antes e depois do equilíbrio

4. DSD de flocos de neve

• Flocos de neve representam o maior volume de precipitação sólida. Como estes cristais de gelo tem formas irregulares de agregados fica difícil fazer uma medida de seu tamanho.

• Portanto, as medidas da concentração de flocos de neve é feita a partir da massa ou diâmetro de um gota formada a partir do derretimento do floco de neve.

5. Granizo e graupel

• Granizo esta associado ao processo de

acreção, ou seja, coleta de gotículas de água super-resfriada pelos cristais de gelo

(formados por sublimação ou congelamento)

CENTÍMETRO

Ajuste

exponencial

CHUVA

Granizo _cm

6. Classificações:

Chuva Estratiforme e Convectiva

• Estratiforme – generalizada e uniforme;

precipitação contínua associada à ascenção de movimentos de larga escala produzidos por

sistemas frontais, topografia ou mesmo

convergência horizontal de grande escala.

• Nimbostratus e Cumulus em dissipação.

• Agregação e difusão de vapor.

• Convectiva – Localizada, pancadas de chuva, precipitação associada a convecção de

cumulus em atmosfera instável.

• Cg, Cb

• Coalescência e Acreção

Outra visão para a Classificação Convectiva e Estratiforme

De acordo com a definição padrão (Houze, 1993), a classificação depende de medidas simultâneas de velocidade vertical e velocidade terminal dos hidrometeoros. No entanto chuva convectiva esta relacionada com convecção ativa nova, já estratiforme é convecção velha, menos ativa, estratificada e com banda brilhante no radar

De acordo com a definição padrão (Houze, 1993), a classificação depende de medidas simultâneas de velocidade vertical e velocidade terminal dos hidrometeoros. No entanto, a chuva convectiva esta relacionada com convecção ativa nova. A estratiforme é

convecção velha, menos ativa, estratificada e com banda brilhante no radar

Houze, R.A., 1997: Stratiform Precipitation in Regions of Convection: A Meteorological Paradox?. Bull. Amer. Meteor.

Outra visão para a Classificação Convectiva e Estratiforme

Waldvolgel (1974) propôs um método a partir das medidas de distribuição de tamanho de gotas (N(D)). Basicamente, ele ajustou as observações a um função exponecial (N(D) = N0 exp (-D)) e avaliou o comportamento do parâmetro N₀ (parâmetro linear/interceptador)

• Valores baixos de N₀ estavam associados ao aparecimento da banda brilhante (neve derretendo)(BB), logo precipitação estratiforme.

• Variações repentinas de N₀ estavam associados ao desaparecimento da BB, logo precipitação convectiva, ou mesmo pequenas alterações de N₀ também.

 D 

N D

Já Tokay e Short (1996) observaram que a chuva convectiva/estraforme era função de , No e R quando do ajuste de uma função gama.

Cv

Cv

St St

Classificação Convectiva e Estratiforme 1 1 0 1 0 0 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 S t r a t i f o r m Z = 2 7 6 R ^ 1 . 4 9 C o n v e c t i v e Z = 1 4 7 R ^ 1 . 5 5 R [ m m /h r ] R e f l e c t i v i t y [ d B Z ] T R M M Z - R Zcv < Zst     _      0 3 0 6 3 6 ) ( ) ( 6 / ) ( / dD D V D D N h mm R dD D D N m mm Z t 

7. Processos que modificam o

desenvolvimento das distribuição de

tamanho de gotas de chuva RDSD – Rain

DSD

A modificação da DSD somente pelo processo de

colisão/coalescência implica em:

• diminuição da concentração de gotas pequenas

• aumento da gotas grandes

Isto implica que:

• D0 deve aumentar

• Número total de gotas NT deve diminuir.

Coalescencia

Do

Do -> diâmetro que representa 50% do LWC ~ Diâmetro mediano N_T  número total de gotas

Rompimento

A modificação da DSD somente pelo processo de ruptura implica em:

• aumento do número de gotas pequenas

• diminuição das gotas grandes.

Portanto, deve haver • decréscimo de D0 • aumento da NT.

• Logo, N0 deve aumentar.

A quebra é mais importante para tamanhos maiores, enquanto que colisão/coalescência é mais

importante para gotas menores.

Combinação entre Colisão/Coalescência e Quebra

A acreção de gotas de nuvem pelas gotas de chuva age no sentido de aumentar o tamanho de todas as partículas sem aumentar o número delas

NT não deve mudar.

Entretanto deve existir um desvio da distribuição para tamanhos

maiores, logo:

• aumento de D0

• Como NT é constante, N0 deve aumentar.

Acreção

A evaporação reduz em maior grau o número de gotículas pequenas do que as grandes.

• Consequentemente NT diminui.

Também temos uma alteração na DSD implicando:

• aumento de  e D0 • Diminui N0

Evaporação

A presença da corrente ascendente é o de eliminar as partículas

pequenas da DSD nos níveis mais baixos.

Logo este efeito é similar ao da evaporação.

Com a corrente descendente, temos um aumento do fluxo de pequenas partículas.

• diminuição de  implica em aumento de

Nesta linha temos • Aumento de NT • Diminuição de D0

Corrente Descendente

Separação por tamanho:

• DSD fica mais estreita

• aumento substancial de .

• NT deve diminuir.

D0 pode aumentar ou diminuir e depende da parte da precipitação que estamos observando.

Seleção de tamanho

Impacto da DSD de nuvem na evolução da RDSD

DSD Nuvens Maritimas

Coalescência/gotas de nuvem  garoa Coalescência/garoa  gotas de chuva Mais coalescência  gotas grandes  Quebra/ruptura e DSD de equilíbrio

•Se aproxima de D0e por baixo

•DSD Nuvens continentais

Acreção de gotas de nuvem  graupel  granizo  gotas grandes  quebra  DSD de equilíbrio

Se aproxima de D0e por cima

Do

Do

Medidas de Disdrometro durante diversas campanhas do TRMM 0 . 0 1 0 . 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 2 3 4 5 6 F l o r i d a C o n t F l o r i d a M a r L B A C o n t L B A M a r I n d i a C o n t I n d i a M a r K w a j M a r N [ m m m -3 \ m m h r -1 ] D [ m m ]

Tenório, R.S., M. Cristina da Silva Moraes, and H. Sauvageot, 2012: Raindrop Size Distribution and Radar Parameters in Coastal Tropical Rain Systems of Northeastern Brazil. J. Appl. Meteor. Climatol., 51, 1960–1970, https://doi.org/10.1175/JAMC-D-11-0121.1

Regime de vento de Leste Oeste

Continente Marítimo

Tokay A, Kruger A, Krajewski WF, Kucera PA. Measurements of drop size distribution in the southwestern Amazon basin. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 2002 Oct 27;107(D20).

DSD Caracteristicas no Brasil –

Morales et al., 2013 (AMS-Radar)

DSD Características

Seminário – 6/11/2020

• Houze, R.A., 1997: Stratiform Precipitation in Regions of Convection: A Meteorological

Paradox?. Bull. Amer. Meteor. Soc., 78, 2179–

2196, https://doi.org/10.1175/1520-0477(1997)078<2179:SPIROC>2.0.CO;2 • https://www.storm- t.iag.usp.br/pub/AGM5818/ARTIGOS-Gerais/Artigo_09_Convective_Stratiform_Para dox_Houze_1997.pdf