SIMULAÇÃO NUMÉRICA DAS TEMPESTADES OCORRIDAS NO ESTADO DE SÃO PAULO EM 14 DE MAIO DE 1994: O CASO RIBEIRÃO PRETO
Wallace Figueiredo Menezes Maria Assunção Faus da Silva Dias
Departamento de Ciências Atmosféricas do IAG/Universidade de São Paulo
Abstract
This work shows a numerical simulation of cases of severe storms occurred in the state of São Paulo in May, 14 th 1994, in special a case occurred in Ribeirão Preto city. The experiments intend to find some mesoscale features related to the storm, and study the internal dynamic of a convective storm. The model could simulate isolated convective storms in many locations of state of São Paulo, acording to the observed storms. The internal dynamic of a storm simulated near Ribeirão Preto location shows a structure of upstream and downstream motions that could be related to the strong winds observed in the date of the case.
1. Introdução
Na noite de 14 de maio de 1994 uma série de tempestades isoladas e localizadas atingiram o Estado de São Paulo, estando entre elas um conhecido caso de tempestade severa que atingiu a cidade de Ribeirão Preto, provocando graves perdas humanas e materiais, onde 130 pessoas foram feridas, 3 casos de mortes foram registrados e as perdas materiais foram da ordem de 11 milhões de dólares. Ventos fortes foram o agente causador desta destruição (Silva Dias et al, 1996). Foi também registrada a presença de ventos fortes e granizo em diversos outros pontos do Estado. Dados do aeroporto de Ribeirão Preto não chegaram a detectar as rajadas mais intensas, mas mostraram que entre 22 GMT do dia 14 e 03 GMT do dia 15 os ventos atingiram a velocidades de 50 Km/h. No entanto, as rajadas mais intensas, extremamente localizadas devem ter atingido velocidades superiores a 100 Km/h, tendo em vista os estragos causados.
Naquela noite o radar doppler banda-S instalado no IPMet/UNESP na cidade de Bauru detectou 5 tempestades severas que com uma trajetória da ordem de 300 Km e tempo de duração médio de 5 horas, varreram a parte central do Estado. Algumas destas tempestades atingiram refletividades de até 60 dBZ. Tais células convectivas, extremamente vigorosas tinham estrutura de supercélulas. Eventos extremamente severos com a presença de granizo, ventanias, “downbursts” e até tornados normalmente estão associados a este tipo de célula convectiva que, em muitos casos, possui rotação (Cotton e Anthes, 1989).
Este tipo de fenômeno ainda representa um grande problema para os previsores, assim como grande parte das tempestades associadas a sistemas de mesoescala. Desta maneira é interessante avaliar o tipo de ambiente em que eles se formam, de maneira a se conhecer melhor a situação sinótica favorável à sua ocorrência. Por outro ângulo é também importante estudar-se a dinâmica interna de tempestades que possuem caráter altamente destrutivo, como foi o caso da que atingiu a cidade de Ribeirão Preto na noite do dia 14 de maio de 1994, e tentar avaliar de que forma esta dinâmica da tempestade pode estar associada ao seu poder de destruição.
2. Metodologia e dados
Para simulação deste caso de tempestade severa foi utilizado o Regional Atmospheric Modeling System (RAMS), modelo numérico de mesoescala desenvolvido na Universidade Estadual do Colorado. As simulações foram realizadas na forma não hidrostática e com toda a física do modelo ativada, ou seja, levando-se em conta os efeitos da radiação solar e terrestre; rotação da Terra (coriolis); interação solo atmosfera; microfísica de nuvens e turbulência. Nas grades de menor resolução a parametrização de convecção tipo Kuo modificado também estava ativada nas simulações. O modelo foi elaborado de forma tridimensional, com a utilização de até 4 grades, sendo uma delas a principal e cada uma das outras subsequentes aninhada em sua antecessora.
Desta forma, a grade principal (de maior domínio e menor resolução) compreende a porção do centro para o sul do Brasil, possuindo 36 (em x) X 32 (em y) pontos na horizontal e com resolução de
x = y = 64 Km. A segunda grade, aninhada na primeira, foi localizada de forma que compreendesse
todo Estado de São Paulo e região sudoeste de Minas Gerais, visando simular com maior detalhamento as estrutura em mesoescala observadas na data do evento, possuindo 62 (em x) X 54 (em y) pontos na horizontal, sendo que x = y = 16 Km. Em localizações onde foram observadas estruturas convectivas vigorosas e profundas simuladas na segunda grade, foram incluídas um terceira grade, aninhada na segunda e uma quarta grade, aninhada na terceira, com o objetivo de estudar os aspectos dinâmicos em escala convectiva associados com as tempestades. A terceira grade era composta por 50 X 50 pontos na horizontal com resolução de x = y = 4 Km e a quarta composta por 61 X 61 pontos na horizontal com resolução de 1 Km. Todas as 4 grades possuíram a mesma estrutura na vertical, sendo esta uma grade telescópica com 47 níveis e com resolução z variando de 100 m nas camada mais próxima à superfície até 500 m nas camadas mais altas.
As condições de contorno do modelo foram os dados do National Center for Environmental Prediction (NCEP) e dados da rede de estações de superfície do INMET, sendo que os experimentos foram inicializados com os dados das 12 GMT do dia 14 de maio de 1994.
Para termos de comparação dos campos simulados com observações, foram utilizadas as próprias análises do NCEP, assim como cartas de superfície, imagens de satélite e dados do radar doppler banda-S instalado no IPMet/UNESP na cidade de Bauru.
3. Análise e resultados a. Situação sinótica
A situação sinótica em 14 de maio de 1994 às 12 GMT, mostrava a presença de uma estrutura de cavado invertido sobre o Estado de São Paulo, com presença de onda curta ao norte do Estado, o que pode ser observado no campo de pressão reduzida das 12 GMT (Fig. 1). Esta estrutura estava associada a uma frente fria que havia passado pelo Estado de São Paulo anteriormente e se encontrava neste momento próxima a fronteira com Minas Gerais. Em termos de estrutura em altitude, acima do nível de 850 hPa existia um centro de baixa fechada sobre o Estado do Paraná, de forma que a localização deste sistema deixava o Estado de São Paulo exatamente a leste do cavado em níveis médios e altos, ficando a porção norte do Estado na região de, teoricamente, advecção de vorticidade ciclônica máxima. Esta estrutura de baixa fechada em níveis médios e altos era bastante profunda se estendendo desde o nível de 700 hPa até o nível de 200 hPa. A Figura 2 mostra para o nível de 500 hPa os campos de geopotencial e vento. Esta configuração atmosférica em altitude dava indícios de situação propícia para amplificação de convecção sobre o Estado de São Paulo. Nota-se que o caso de tempestade severa analisado por Silva Dias e Grammelsbacher (1991) também ocorre em ambiente caracterizado pela presença de uma baixa fria em altitude. Em termos de estrutura vertical, o ambiente estava caracterizado por cisalhamento anti-horário do vento como mostra a hodógrafa referente a uma região nas proximidades de Ribeirão Preto (Fig. 3), esta situação de intenso cisalhamento anti-horário é classificada por Weisman e Klemp (1986) como um ambiente favorável a formação de tempestades em supercélulas com rotação ciclônica. Ao avaliar a disponibilidade de umidade, o campo de razão de mistura do vapor à superfície mostrou a presença de áreas mais secas sobre os Estados do Paraná e Minas Gerais, com o Estado de São Paulo em uma situação um pouco mais úmida, principalmente nas suas porções central e norte. Neste mesmo horário, grande parte do Estado de São Paulo tinha valores de CAPE entre 1200 e 2300 J.Kg-1.
b. Resultados em mesoescala
Após 8 horas de integração (20 UTC), o modelo foi capaz de simular diversos núcleos convectivos espalhados pelo estado de são Paulo. e na região sudoeste de Minas Gerais junto a divisa com São Paulo, como pode ser observado no campo simulado de taxa de precipitação convectiva para a segunda grade do modelo (Fig. 4.a). O radar de Bauru detectou a gênese de várias tempestades espalhadas pelo estado de São Paulo em um horário bastante próximo (19 UTC), inclusive a de uma tempestade que se desenvolveu próximo a cidade de Uberaba (MG) junto a divisa com São
Paulo (Fig. 4.b). Através do monitoramento do radar de Bauru, foi possível constatar que esta tempestade originada próximo a cidade de Uberaba se deslocou para sul e foi uma das tempestades que atingiu os arredores de Ribeirão Preto naquela mesma noite.
No horário das 23 UTC, uma das tempestades atingia as proximidades de Ribeirão Preto, e diversas outras se encontravam aleatoriamente espalhadas pelo Estado de São Paulo, como mostra os centros de altíssima refletividade na imagem de radar (Fig. 5). Neste mesmo horário simulou diversos núcleos de precipitação convectiva em diversas áreas do Estado (Fig. 6), assim como alguns centros razão de mistura do gelo (ri) simulados pela microfísica do RAMS no nível de 400 hPa (Fig. 7) indicando a presença de “torres” convectivas com caráter isolado na porção NW do Estado. Desta forma fica evidenciado que o modelo conseguiu reproduzir o caráter isolado das tempestades observadas de forma bastante razoável.
Testes de sensibilidade mostraram que a influência topográfica era imprescindível para a formação das tempestades isoladas espalhadas pelo Estado, exceto as formadas na porção norte, que se formavam mesmo sem a presença de topografia.
c. Escala convectiva
Em termos de escala convectiva, os resultados aqui apresentados serão para as grades 3 e 4 do modelo, com resolução horizontal de 4 e 1 Km respectivamente, sendo estas resoluções mais adequadas, entre os experimentos aqui realizados, para estudar-se a estrutura interna de uma célula convectiva.
Como foi citado anteriormente, a estrutura vertical do vento no ambiente aqui estudado, que possui um padrão de cisalhamento anti-horário, é classificada por Weisman e Klemp (1986) como favorável à formação de supercélulas com rotação ciclônica. Nos experimentos aqui realizados, foi possível simular correntes ascendentes fortíssimas que chegaram a atingir 1000 cm.s-1 às 23 UTC na
grade 3 do modelo no nível de 500 hPa (Fig. 8.a). Estas fortes correntes ascendentes são características de convecção profunda. Um resultado bastante interessante ficou por conta dos campos de vorticidade relativa simulados pelo modelo. Estes campos ficaram associados aos campos de velocidade vertical de maneira que as correntes ascendentes mais fortes estão embebidas em regiões com valores negativos de vorticidade. O campo simulado de vorticidade relativa (componente vertical associada a rotação horizontal) para o nível de 500 hPa para as 23 UTC (Fig. 8.b) mostra que os núcleos de vorticidade negativa ficam no mesmo posicionamento dos de corrente ascendente máxima da Fig. 8.a. Esta configuração dos campos dá indícios da presença de células convectivas com rotação ciclônica, o que seria coerente com a presença do cisalhamento vertical do vento anti-horário, observado nesta área em estudo concordando com o proposto por Weisman e Klemp (1986). Vale ressaltar que os valores de vorticidade relativa simulados chegaram a ordem de 10-3 s-1, que podem ser considerados bastante elevados.
Na avaliação da estrutura vertical da tempestade simulada que atingiu Ribeirão Preto, a Fig. 9.a mostra um corte vertical na posição 21.1 de latitude sul, na grade 4 do modelo para o horário das 23 UTC, para as variáveis velocidade vertical (w - isolinhas), razão de mistura do vapor (rv - campo sombreado) e escoamento (vetores). As velocidades verticais atingiram a valores de 2500 cm.s-1, valores compatíveis com os encontrados em células convectivas simuladas por Weisman
e Klemp (1986). No campo do escoamento é fácil notar as correntes descendentes promovendo convergência em baixos níveis numa clara região de frente de rajada localizada na parte inferior da célula convectiva. Da mesma forma que foi observada no caso anterior, é possível verificar um fluxo de ar úmido de baixos níveis penetrando na tempestade pela sua porção leste (entre 48,75 e 48.8 W), alimentando o sistema convectivo de umidade, e um secamento em baixos níveis na porção oeste (entre 48.85 e 48.9 W), devido as correntes descendentes em escala convectiva. E, finalmente a precipitação gerada pela microfísica pode ser observada também em um corte vertical para a mesma latitude (Fig. 9.b). Note que as correntes descendentes máximas (w mínimo) se localizam na mesma região de precipitação máxima chegando à superfície (entre 48.85 e 48.9 W). Tal fato vem indicar que a evaporação da chuva, assim como o arrastro produzido pelas gotas em queda, estão sendo os mecanismos que geram os movimentos descendentes em escala convectiva. Normalmente estes
movimentos descendentes em escala convectiva, devido a evaporação da chuva, são associados a fortes ventanias em superfície, o que pode justificar as fortes rajadas de vento observadas na data do evento.
4. Sumário e conclusões
Este trabalho mostrou resultados de simulações numéricas que procuraram simular o ambiente em mesoescala, assim como o em escala convectiva, associados aos casos de tempestades severas ocorridos no Estado de São Paulo no dia 14 de maio de 1994, em especial à tempestade que atingiu a cidade de Ribeirão Preto.
O RAMS foi capaz de simular a gênese e evolução de diversas tempestades isoladas, inclusive as que atingiram os arredores de Ribeirão Preto, mostrando sua capacidade em distinguir ambientes propícios a tempestades isoladas.
Em termos de escala convectiva, foi possível encontrar campos de velocidade verticais bastante intensas, associadas às células convectivas que aquecem o ambiente por liberação de calor latente devido à condensação e congelamento.
A vorticidade negativa superposta a campos de velocidade vertical ascendente intensos dá indícios que o modelo simulou supercélulas com rotação ciclônica, o que é coerente em um ambiente com giro anti-horário do vetor cisalhamento com a altura
Foi possível simular uma supercélula vigorosa e com estrutura bem mais intensa no norte do Estado de São Paulo. A estrutura vertical da supercélula simulada é coerente com modelos conceituais conhecidos.
5. Agradecimentos
Os autores agradecem a FAPESP, CAPES e CNPq pela ajuda no suporte financeiro, e à meteorologista Ana Maria Gomes do IPMet/UNESP pelas informações de radar fornecidas.
6. Referências bibliográficas
Cotton, W. R. E R. A. Anthes, 1989: Storm and Cloud Dynamics. Academic Press, 883pp.
Silva Dias, M. A. F. e E. A. Grammelsbacher, 1991: A Possível Ocorrência de Tornado em São Paulo no dia 26 de abril de 1991: Um Estudo de Caso. Rev. Brasileira de Meteorologia, v. 6, n. 2, 513-522.
Silva Dias, M. A. F., L. M. V. Carvalho e A. M. Gomes, 1996: Um Caso de Tempestade Severa em Ambiente Ciclônico em Grande Escala. Anais do IX Congresso Brasileiro de Meteorologia, 6-13 nov. Campos do Jordão-SP.
Weisman M. L. E J. B. Klemp, 1986: Caracteristics of Isolated Convective Storms. In: Ray, P. S., ed. Mesoscale Meteorology and Forecasting. Boston, American Meteorological Society, 1986. 331-358. -8 .0 0 -4 .0 0 0 .0 0 4 .0 0 8 .0 0 -1 0 .0 0 0 .0 0 1 0 .0 0 9 5 0 h P a 8 5 0 h P a 7 5 0 h p a 7 0 0 h P a 6 0 0 h P a 5 0 0 h P H o d o g ra fa R ib e irã o P re to 1 4 /0 5 /9 4 1 5 G M U ( m /s ) V (m /s )
Fig. 1 - Pressão reduzida ao nível do mar do dia 14/05 às 12 GMT
Fig. 2 - campos de geopotencial e vento em 500 hPa
Fig. 3 - hodógrafa das 15 GMT para as coordenadas de Ribeirão Preto.
a) b)
Fig. 4 - (a)Taxa de precipitação convectiva (mm/h) simulada para os horários de 20 UTC; (b) Produto do radar de Bauru: PPI a 0° de elevação das 19 UTC.
Fig. 5 - PPI a 0° de elevação do radar de Bauru das 23:00 UTC.
Fig. 6 - Taxa de precipitação convectiva (mm/h) simulada na grade 2
do modelo para as 23 UTC.
Fig. 7 campo simulado de razão de mistura do gelo total em 400 hPa para
as 23 UTC
a) b)
Fig. 8 - Campos simulados para a grade 3 no nível de hPa as 23 UTC: (a) Velocidade vertical. Valor máximo: 1000 cm/s (b) Vorticidade relativa. Nos 2 casos as linhas cheias são valores positivos e as tracejadas negativos
Fig. 9 - Cortes verticais na latitude de 21.1 S, para o horário das 20 HL das variáveis (a) velocidade vertical (isolinhas em preto: de -600 a 2400 cm/s espaçado por 300 cm/s), rv (g/Kg - sombreado) e escoamento (vetores); e (b) razão de mistura
