PROJETO CHUVA
Processos de Nuvens Associados aos principais Sistemas Precipitantes no Brasil: Uma contribuição a Modelagem da Escala de Nuvens e ao GPM (Medida Global de
Precipitação)
Cloud processes of tHe main precipitation systems in Brazil: A contribUtion to cloud resolVing modeling and to the GPM (GlobAl Precipitation Measurement)
Pesquisador responsável: Luiz Augusto Toledo Machado - CPTEC/INPE
Pesquisadores Principais: Carlos Augusto Morales - IAG/USP
Daniel Vila - CPTEC/INPE Gilberto Fernando Fisch - DCTA/IAE Maria Assunção da Silva Dias - USP/IAG
Projeto Temático FAPESP - 2009/15235-8 Relatório Parcial #3 - Julho 2012 - Junho 2013
Resumo do Projeto
O processo físico no interior das nuvens é um dos componentes mais desconhecidos do sistema climático. A descrição desses processos através de parâmetros meteorológicos convencionais ainda precisa ser bastante aprofundada de forma que modelos de previsão de tempo e clima consigam descrever, com precisão, o tipo e as características dos hidrometeoros, os perfis de liberação de calor latente, o balanço radiativo, o entranhamento de ar na nuvem e as correntes ascendentes e descentes. Os modelos numéricos estão se aprimorando e rodando em resoluções espaciais nas quais esses processos precisam ser explicitamente descritos. Por exemplo, a análise dos efeitos do aquecimento global em uma dada região necessita de simulações descrevendo todos esses processos. Outra aplicação importante que necessita conhecer os processos das nuvens é a estimativa de precipitação por satélite. O programa espacial brasileiro tem planejado o lançamento em 2015 de um satélite para inferência da precipitação - esse satélite fará parte da constelação do GPM (Global Precipitation Measurement). Nuvens quentes, responsáveis por grande parte da precipitação nos trópicos, principalmente nas regiões costeiras, são pouco estudadas e não são consideradas nas estimativas de precipitação por satélite. Este Projeto realizará experimentos de campo em sete sítios com diferentes padrões climáticos, para estudar os regimes de precipitação no Brasil. Esses experimentos utilizarão radar polarimétrico, lidar, radiômetro de microonda, disdrômetros, radiosondas e vários outros instrumentos. As análises serão realizadas considerando as características microfísicas e a evolução com o ciclo de vida, os modelos de estimativa de precipitação, o desenvolvimento da tempestade e a formação de descargas elétricas, os processos na camada limite e a modelagem da microfísica. Este projeto tem o objetivo de reduzir as incertezas na estimativa da precipitação e progredir no conhecimento dos processos das nuvens, principalmente das nuvens quentes. A pesquisa a ser realizada abrangerá estudos de clima e os processos físicos por meio de observações convencionais e especiais para criar um banco de dados descrevendo os processos de nuvens dos principais sistemas de precipitação no Brasil. O Projeto pretende criar e explorar essa base de dados para melhorar a estimativa de precipitação por satélites e validar e estudar as parametrizações da microfísica das nuvens.
Conteúdo
1) O Projeto CHUVA no ano 2012-2013 4
1.1) Descrição das Atividades 4
1.2) Descrição e avaliação dos apoios Institucionais 7
2) Discussão sobre as atividades 2013-2015. 8
3) Descrição dos trabalhos e perspectivas dos Working Grupos 9 4) Trabalhos apresentados, publicados ou em preparação e lista de alunos envolvidos
com o Projeto. 29
5) Descrição da aplicação dos recursos de Reserva Técnica e Benefícios Complementares 40 6) Solicitação e Justificativa de Aditivos, Mudanças no calendário e de Remanejamentos 40
8) Relatório Bolsa TT 43
ANEXO 1 Resumo dos trabalhos em Workshop – ICCP,IPWG,GPM e Bound. Layer ANEXO 2 HRLAMES(High Resolution Limited Area Models Ensemble Prediction) ANEXO 3 Proposta Projeto RELAMPAGO.
ANEXO 4 Curso CHUVA – SUL ANEXO 5 Experimento CHUVA SUL
ANEXO 6 Relatório da visita do Dr. Viltard.
ANEXO 7 Trabalhos apresentados em Congressos e a Sessão especial do CBMET ANEXO 8 O Workshop Internacional do Projeto CHUVA
ANEXO 9 GoAmazon – Experimental Design – NSF proposal. ANEXO 10 ACRIDICON White paper
ANEXO 11 Cloud and Rain Liquid Water Charac. of Diff. Precip. Regimes in Brazil. ANEXO 12 A proposta de artigo no Bulletin of American Met. Society. (BAMS). ANEXO 13 GNSS Observations of Deep Convective Time scales in the Amazon ANEXO 14 The GOES-R Geostationary Lightning Mapper (GLM)
ANEXO 15 Latest Lightning Detection Tech. Deployed in Brazil’s Chuva Project ANEXO 16 Eval. of TRMM PR Rain. Est. over Brazil: A Cont. of CHUVA Project. ANEXO 17 Uso da Reserva Técnica e Ben. Complementar.
1) O Projeto CHUVA no ano 2012-2013.
1.1) Descrição das Atividades
O objetivo do Projeto CHUVA é realizar sete campanhas em diferentes regiões do país que permitirão definir as características microfísicas dos principais regimes de precipitação do país e consequentemente melhorar a estimativa de precipitação por satélite e radar, a modelagem em alta resolução espacial e aprimorar o entendimento dos processos físicos envolvidos na formação e no ciclo de vida das e nuvem e da precipitação. Dessas sete campanhas, 6 já foram realizadas. Após Alcântara/MA, Fortaleza/CE, Belém/PA, Vale do Paraíba/SP, Santa Maria e São Paulo o projeto se prepara para última campanha, a maior campanha de todo o Projeto e que ocorrerá entre fevereiro e Novembro de 2014. Essa campanha do Projeto CHUVA será realizada dentro de uma grande campanha internacional o GoAmazon. O GoAmazon terá a participação de diversos países, mas principalmente dos Estados Unidos, através do Departamento e Energia Americano (DOE) que financiará os equipamentos do ARM(Atmospheric Radiation Measurement) e o avião G1 do PMNL (Pacific Northwest National Laboratory) e da Alemanha com o avião HALO do DLR. Detalhes deste experimento serão apresentados ao longo deste relatório.
Após o Workshop Científico do Projeto CHUVA, voltado a integração dos trabalhos dos pesquisadores brasileiros com os diferentes grupos e na utilização dos dados do CHUVA no final de Maio de 2012, o Projeto CHUVA se envolveu com a organização do Workshop do International Precipitation Working Group (IPWG) e a participação em uma das principais reuniões sobre a temática do CHUVA, o 16th International Conference on Clouds and Precipitation, ICCP-2012. O IPWG ocorreu no INPE, em outubro de 2012, para detalhes veja o Anexo I - na qual apresenta os abstracts dos trabalhos apresentados no ICCP,IPWG, GPM e Boundary Layer. O IPWG cobriu uma das mais importantes temáticas do Projeto CHUVA, que é a estimativa de precipitação por satélite. O Workshop permitiu trazer para o Brasil os maiores especialistas nessa área, realizar uma grande interação entre pesquisadores do CHUVA com esses especialistas, realizar um curso sobre a temática e divulgar um grande número de resultados obtidos com o CHUVA, esse foi um dos grandes marcos científico do Projeto.
Após o IPWG os esforços se concentraram na preparação da campanha em Santa Maria. O experimento foi realizado nos meses de Novembro e Dezembro de 2012. Em Santa Maria contamos com a participação de pesquisadores de diversas regiões do Brasil, dos EUA, França e Argentina. Infelizmente, nesse experimento o radar Banda X sofreu uma pane eletrônica. Houve um arco voltaico no interior do radar, que gerou problemas em diversos circuitos internos do radar. Foram trocadas várias peças durante a campanha, mas não foi possível fazer o radar voltar a operar. Se por um lado esse fato representou uma grande perda para a campanha, por outro lado conseguimos fazer um acordo com a Força Aérea, que opera dois radares Banda S na região, um em Canguçu e outro em Santiago que permitiu substituir, pelo menos parcialmente, o radar banda X. Realizamos uma cooperação com a Força Aérea para que os radares modificassem a estratégia de varredura e realizassem a varredura a cada 10 minutos (anteriormente estava operando com intervalos de 15 minutos). Esses dados de radares estão no banco de dados, já compilados e sendo utilizados em diversos estudos. O radar Banda X retornou a São Paulo e foi realizada uma revisão geral e colocado em operação novamente para a campanha CHUVA MegaCidades em São Paulo. O CHUVA Sul teve uma grande inovação em modelagem numérica e previsão imediata, o HRLAMES (High Resolution Limited Area Models Ensemble Prediction). Esse projeto piloto contou com a participação dos modelos WRF, BRAMS e MESO NH e diversas versões de assimilação de dados. Os resultados dos
modelos foram analisados em tempo real contra observações de superfície e um membro do ensemble era selecionado (Veja Anexo II). Os modelos rodaram com resolução de 2 km com a convecção sendo resolvida explicitamente. Os resultados deste projeto piloto estão sendo analisados para 6 “Golden days”. Uma Tese de Doutorado na Argentina está sendo realizada sobre essa temática e uma comparação dos modelos sendo estudado por um grande número de pesquisadores na área de modelagem (veja os abstracts dos trabalhos apresentados no Workshop Internacional do CHUVA associados ao HRLAMES – incluídos no Anexo VIII). O experimento de Santa Maria reuniu diversos pesquisadores especialistas em convecção profunda e complexos convectivos de Mesoescala que tinham em mãos todas essas simulações, dados de radar e radiossondas. Mesmo assim, houve uma grande dificuldade em prever a evolução dos complexos convectivos. Essa dificuldade motivou o grupo de pesquisadores em preparar um projeto visando à realização de campanha específica, no norte da Argentina, onde esses sistemas se iniciam, para ampliar a capacidade de previsibilidade dos complexos convectivos. Esse projeto foi denominado de RELAMPAGO- Remote sensing of Electrification, Lightning, And Meso-scale/micro-scale Processes with Adaptive Ground Observations (veja Anexo III). Como mencionado, a idéia surgiu dos debates entre os pesquisadores participantes tais como: os PI´s do CHUVA, Ernani Nascimento, Rachel Albrecht, argentinos como Paola Salio, Americanos como Steve Nesbitt e Daniel Cecil e Franceses como Nicolas Viltard e Jean Pierre Chaboureau. Algumas das questões que o projeto pretende abordar são: Por que muitas tempestades no norte da Argentina destacam-se entre as mais intensas do planeta em observações de satélite. Podemos melhorar a qualidade dos modelos e consequentemente das previsões de tempo com novas informações como aquelas que estão sendo propostas no projeto? O que controla o ciclo diurno de intensidade sistema convectivo (estrutura vertical) e a organização de mesoescala no lado oeste dos Andes? Qual é o papel dos processos físicos que conduzem o sistema convectivo a um severo sistema na qual é denominado complexo convectivo de mesoescala?
Durante o experimento foi realizado o curso do CHUVA que contou com a participação de alunos da UFSM, bem como da UFPEL. Os cursos foram realizados nas segundas feiras e um ônibus da UFPEL trazia os alunos e professores para participarem das aulas. O Anexo IV apresenta uma descrição sobre o curso do CHUVA-Sul. O curso CHUVA Sul valeu como uma disciplina optativa oferecida na UFSM pelo Professor Nereu Augusto Streck. FTT1031 - TECNOLOGIAS DE PREVISÃO METEOROLÓGICA IMEDIATA NA AGRICULTURA. Maiores detalhes a cerca do experimento CHUVA Sul são descritos no Anexo V.
No período de Agosto de 2012 a Janeiro de 2013, o projeto recebeu a visita do Dr. Nicolas Viltard CNRS – França (Pesquisador visitante FAPESP associado ao Projeto). Os seis meses do Dr. Viltard no Brasil foram bastante proveitosos para a área de estimativa de precipitação por satélite, uma vez que o pesquisador é o responsável pelo desenvolvimento do algorítmico de estimativa de precipitação do satélite Megha Tropique (França – Índia) que se foi lançado em 2011 em órbita de baixa inclinação, consequentemente com uma grande frequência de passagens na região tropical. Os avanços obtidos nessa visita são apresentados no Anexo VI. O Algoritmo de estimativa de precipitação, denominado BRAIN (Bayesian Rain retrieval Algorithm Including Neural network) foi adaptado para o uso no CPTEC e está sendo realizado um Tese utilizando o modelo como uma base para as estimativas operacionais que o CPTEC irá implantar no futuro.
Nesse período coberto pelo relatório diversos trabalhos do CHUVA foram apresentados em reuniões internacionais, destaca-se o International Comisssion on Clouds and Precipitation (ICCP), o Workshop do GPM Ground Validation, o IPWG, o 3rd WMO International Symposium on Nowcasting, European Geophysical Union, American
Brasileiro de Meteorologia (CBMET), entre outros. No CBMET, em função do número de trabalhos submetidos, uma sessão especial foi dedicada ao Projeto CHUVA. O Anexo VII apresenta detalhes sobre essa sessão e alguns dos resumos estendidos apresentados na reunião.
Em Maio de 2013, conforme previsto no relatório anterior, foi realizado o Workshop Internacional do Projeto CHUVA em São Paulo no IAG-USP. Essa reunião contou com a participação de Americanos, Franceses, Italianos, Alemães, Argentinos e uma grande comunidade de pesquisadores brasileiros e alunos. O Anexo VIII apresenta o programa e os abstracts submetidos. A reunião foi separada em três temáticas, a modelagem, os processos físicos das nuvens e a precipitação e descargas elétricas. Devido ao contingenciamento do orçamento Americano alguns Americanos não puderem participar, mas um sistema de transmissão on line foi colocado a disposição e a reunião pode ser seguida virtualmente. Notou-se um considerável avanço na maturidade científica dos trabalhos do projeto, pode-se perceber no Anexo VIII que um grande potencial de trabalhos a serem publicados com os dados do CHUVA nos próximos anos. Certamente, um projeto que envolve tanto esforço em experimentos, processamento de dados, validação, ajustes e disponibilização de dados em nível 2, ie, já processados, tenha uma certa latência no impacto de publicações. Contudo, vários trabalhos já foram publicados e/ou submetidos com os dados do projeto e um grande potencial de futuros trabalhos pode ser observado nesse Workshop. A página URL do Workshop pode ser acessada através da URL do projeto CHUVA. Nessa página podem ser acessados os abstracts, as apresentações e as apresentações.
Uma atividade importante que ocorreu neste ano foi a preparação ao Experimento em Manaus o GoAmazon-CHUVA-ACRIDICON, que passamos a denominar somente como GoAmazon. O CHUVA é uma das contribuições brasileiras a esse experimento internacional, o maior na área ambiental já realizado na Amazônia. O GoAmazon tem os seguintes objetivos principais: Estudar a interação da pluma de poluição de Manaus com as emissões de compostos orgânicos voláteis. Estudar a influência de emissões antropogênicas na microfísica e propriedades ópticas dos aerossóis, e propriedades dos núcleos de condensação de nuvens. Estudar a dinâmica da convecção e nuvens em função da vegetação. Estudar a evolução da intensidade da convecção de tempestades severas na estação seca para tempestades moderadas na estação úmida. Estudar o efeito dos aerossóis no efeito radiativo direto e nos processos indiretos e finalmente, aperfeiçoar as parametrizações das interações nuvem – aerossol – precipitação nos modelos climáticos. O GoAmazon é financiado pelo DOE (Departamento de Energia Americano) para a instalação da estrutura do ARM (Atmospheric Radiation measurement) e medidas de aviões em Manaus, em 2014. Já foi aprovada a extensão do projeto para 2015 e uma proposta na NSF (National Science Foundation) foi submetida para trazer outros radares e aumentar a frequência e sítios de radiossondagens (Anexo IX). Recentemente foi informado que esse projeto não foi apoiado pela NSF, contudo, esforços estão sendo realizados para que pelo menos parte (as radiossondas) sejam realizadas no experimento. Associado a esse projeto desenvolveu-se uma colaboração com o DLR (Agência Espacial Alemã) para trazer o avião HALO para a campanha. Esse projeto é denominado Aerosol, Cloud, Precipitation, and Radiation Interactions and Dynamics of Convective Cloud Systems (ACRIDICON). Neste momento estamos trabalhando na preparação do memorando de entendimento para aprovação dos voos (veja Anexo X – ACRIDICON White Paper). O ACRIDICON trará 65 pesquisadores alemães para trabalhar na campanha, que será realizada no segundo período intensivo em Setembro e Outubro de 2014. Grandes esforços e energia estão sendo gastos com a preparação e aprovação do Projeto. No ano de 2013 foram realizadas duas reuniões na Alemanha visando a preparação da campanha que incluiu a definição da instrumentação, dos voos e infraestrutura de terra para os voos. Os pesquisadores
principais associados a este projeto são os doutores Manfred Wendisch, Ulrich Pöschl and Andy Andrea do Max Planck Institut e da Universidade de Liepzig.
Finalmente, este ano trabalhamos fortemente na preparação da base de dados. Os dados podem ser acessados via aplicação e estamos aplicando uma reorganização da base de dados. Esse trabalho facilita o uso dos dados para a realização da pesquisa. Diversos alunos estão envolvidos com o projeto, conforme descritos no item 4. Além dos trabalhos já publicados, foram submetidos diversos manuscritos, entre eles destaco o trabalho sobre a variação regional das propriedades das nuvens (veja Anexo XI), essa é uma das metas principais do projeto. Para criar uma referência básica ao Projeto CHUVA decidiu-se submeter uma proposta de artigo ao Bulletin of American Meteorology Society (BAMS). Essa revista solicita uma pré-submissão do artigo para aprovação. O Anexo XII apresenta a proposta e a resposta positiva do Editor.
Conforme mencionado, após o projeto retornar a São Paulo e o radar ser consertado, surgiu a possibilidade de fazer uma campanha, na cidade de São Paulo, visando estudar a estrutura da precipitação em um grande centro urbano. Além disso, permitiu testar o sistema de monitoramento e previsão de tempestades, apoiar as operações de controle de reservatórios e a Defesa Civil e o Centro de Gerenciamento de Emergências em São Paulo. O radar móvel Banda X foi instalado na EMAE (Empresa Metropolitana de Águas e Energia Elétrica), próximo à represa Billings e o sítio principal no IFUSP no prédio do Pelletron. Essa operação ocorreu de Março a Maio de 2013. Diferentemente dos outros experimentos, essa foi uma operação mais simplificada, baseado somente nas coletas de dados destes dois sítios. No início do experimento tivemos eventos de chuva extrema em São Paulo que permitirão a realização de uma Dissertação de Mestrado do aluno Bruno Medina. Após os eventos de março e começo de Abril, houve um bloqueio sinótico que deixou São Paulo sem chuvas durante dezenas de dias. No início de Junho o radar e o sítio no IFUSP foram desmontados e o material enviado ao CPTEC para começar a preparação para o experimento em Manaus.
O Projeto está agora frente ao último experimento, o mais longo e aquele com a maior participação internacional. Hoje o Projeto CHUVA é conhecido internacionalmente pela sua participação ativa no GPM, no GOES-R (NOAA) e Eumetsat (MTG), com o grupo que estuda modelagem em alta resolução e previsão imediata e adiciona-se, agora a comunidade que estuda a interação nuvem e aerossol com o GoAmazon. Trabalhos recentemente publicados citam a importância do CHUVA (veja Anexo XIII – paper no GRL, Anexo XIV no Atmos . Res. e a reportagem sobre o projeto CHUVA no Meteorological Technology International – Anexo XV). O Projeto CHUVA está conseguindo cumprir a agenda de experimentos e pesquisa e nota-se, com base nos 56 trabalhos apresentados no Workshop Internacional do CHUVA, um grande potencial científico latente. Um recente trabalho utilizando os dados do Projeto Chuva foi aceito para publicação na revista Atmospheric Research (Veja Anexo XVI)
1.2) Descrição e avaliação do apoio institucional
O INPE como Instituição sede, bem como a USP e o DCTA apoiaram e estão apoiando, de forma efetiva a preparação e a realização de todas as campanhas do Projeto. Esse apoio se concretizou através do uso da infraestrutura dos Laboratórios, principalmente o LIM (Laboratório de Instrumentação Meteorológica do INPE), do uso dos meios de transportes, mas fundamentalmente pelos recursos humanos que participaram de todas as etapas do projeto. Gostaria de agradecer em particular nesse ano o INPE de Santa Maria e a Universidade Federal de Santa Maria que não mediram esforços para apoiar a campanha CHUVA SUL. A Base Aérea de Santa Maria também deu um apoio fundamental na operação
agradecer o Professor Ernani Nascimento que foi o coordenador local do experimento e ao Professor, chefe do INPE de Santa Maria, o Professor Afrânio Righes.
Neste terceiro ano de Projeto agradecemos a todos os pesquisadores que dedicaram horas de trabalho ao Projeto, seja no campo ou em seus escritórios. Em particular agradecemos o apoio administrativo da Sra. Adna Sabará que cuidou da parte administrativa dos experimentos, a participação ativa dos engenheiros e técnicos Jorge Mello e Jorge Marton pela dedicação na preparação, montagem, coleta de dados e desmontagem dos experimentos. Ao Thiago Biscaro que cuidou do radar e a todos os alunos da UFSM que participaram ativamente da campanha. Gostaria de agradecer especialmente ao Mário Figueiredo e sua equipe pela preparação e manutenção da página Web permitindo o acompanhamento em tempo real do experimento e a preparação da base de dados. Este projeto participa do INCT para mudanças climáticas no subprojeto - Cenários Climáticos Futuros e Redução de Incertezas. O INCT apoiou o experimento CHUVA Sul com o pagamento de algumas diárias.
2) Discussão sobre as atividades 2013-2015.
O Projeto CHUVA tem alguns campos de ação nesses dois últimos anos (se aprovado a prorrogação). Abaixo seguem as descrições dessas linhas:
a) O Experimento em Manaus – O GoAmazon. Há um grande trabalho administrativo e operacional para organizar e preparar o experimento. A autorização de voo das aeronaves G1 (americana) e HALO (Alemã) depende de inúmeros documentos e relatórios a serem preparados, entre eles o MOU, a licença do CNPq e a autorização de voo das aeronaves pela Defesa. Esse esforço está sendo realizado com apoio da cooperação e relações internacionais do INPE e da AEB (o HALO está sendo feito pela AEB). Fora está parte há a preparação da infraestrutura dos equipamentos do CHUVA, o radar por exemplo, precisa ser instalado em um local sem barreiras, com energia e comunicação. Os locais que encontramos mostram que precisaremos de uma altura da ordem de 40 metros. Estamos vendo com o SIPAM a possibilidade de colocação no teto do prédio. Os outros locais já foram, em primeira instância, definidos e estão em fase de definição. Outra componente a ser preparada é a estrutura de pesquisa, projetos com a NSF, chamada conjunta DOE-FAPESP e com a Alemanha estão sendo preparadas e discutidas de forma a incluir o maior número de parcerias entre americanos e brasileiros e alemães e brasileiros.
b) O Experimento GoAmazon 2015. A continuação do experimento em 2015 permitirá manter uma base de coleta de dados mais adequada, levando em conta períodos com baixa frequência de chuvas e aumentando a amostragem de eventos. A prorrogação do projeto até Junho de 2015 permitirá que esses dados continuem sendo analisados e os trabalhos científicos sendo realizados e as parcerias concretizadas.
c) A preparação do Experimento e proposta – Relâmpago. Os anos de 2014 e 2015 serem fundamentais para o fechamento do projeto e busca de recursos para o Experimento Relâmpago. Reuniões preparatórias, apresentação da proposta e finalização do projeto e submissão de propostas são tarefas a serem realizadas nesses dois anos finais do projeto CHUVA.
d) O HRLAMES (High Resolution Limited Area Models Ensemble Prediction) abriu uma grande oportunidade de trabalho em modelos de alta resolução com uma forte comunidade de pesquisadores. A preparação do projeto para o GoAmazon será um grande desafio, fazer previsão imediata na Amazônia é
também um grande desafio. Os modelos, sem as forçantes de grande escala, típicas de latitudes médias, tem uma considerável dificuldade na representação dos campos. Uma intercomparação dos casos ocorridos em Santa Maria permitirá entender as principais deficiências dos diferentes modelos que participaram do esforço (BRAMS – WRF e MESO NH). Um esforço de simulação de todos os Golden days do CHUVA está sendo realizado (Pos-Doc CNPq – Renato Negri – INPE). Essas simulações e a comparação com dados do radar e satélite permitirão validar eventos simulados pelo BRAMS e criar uma base de dados de microfísica. Os estudos entre as simulações do Meso NH e a comparação com radar mostram resultados muitos interessantes. O modelo acaba gerando muitas células de chuva pequenas, não observados na natureza. Esses resultados estão sendo explorada a luz das parametrizações de turbulência e provavelmente serão submetidos a publicação esse ano, bem como a intercomparação de modelos.
e) A intercomparação de sensores de descargas elétricas – O CHUVA Vale integrou diversos sensores de descargas elétricas. Agora existe um grande interesse na intercomparação desses sensores e a capacidade específica de cada instrumento em detectar atividades elétricas das nuvens. Esse assunto está sendo aguardado com grande expectativa, pode-se notar no Workshop Internacional do CHUVA, a importância desse assunto e os cuidados na análise (que envolve diversos fabricantes de sensores). Um artigo específico está sendo preparado abordando esse assunto. Um estudante de Doutorado está indo passar 8 meses no MIT para trabalhar como o Dr. Earle William que esteve presente no CHUVA Vale. Resultados preliminares muito interessantes já foram obtidos e alguns artigos devem ser publicados na temática do entendimento das descargas elétricas e a microfísica das nuvens.
f) A interação Nuvens-Precipitação-Aerossol. Diversos esforços estão sendo realizados nessa direção. Trabalhos utilizando os dados da campanha estão em preparação para submissão como, por exemplo, o trabalho Droplet Size Distributions as function of convective type and aerosol concentration ou microphysical characteristic of the lightning activities, variações do conteúdo de gelo em função do ciclo de vida das nuvens ou Considerações sobre o método de calibração criogênica para radiometria de solo de micro-ondas e ondas milimétricas. Outros, ainda em uma fase menos avançada, mostram resultados inéditos como o trabalho sobre micro linhas de instabilidade em Belém, o efeito do entranhamento na organização das nuvens ou a capacidade de estimar chuva de nuvens quentes entre outros. O Experimento na Amazônia permitirá estar várias hipóteses e verificar conceitos que somente poderiam ser estudados com o uso de aviões.
3) Descrição dos Trabalhos e Perspectivas dos Working Grupos
A seguir apresentamos resumidamente as atividades específicas de cada Working Group e uma discussão sobre as perspectivas científicas.
3.1) WORKING GROUP – 1: CHARACTERISTICS OF THE PRECIPITATING SYSTEMS AS FUNCTION OF THE REGION AND LIFE STAGE. Responsável: Luiz Augusto Toledo Machado.
Uma ferramenta que foi bastante explorada este ano foi a combinação de dados de satélite e radar com modelos em alta resolução. Essa é uma etapa que aproxima os estudos observacionais e a modelagem numérica do tempo. Comumente a análise de desempenho de modelos numéricos em função da previsibilidade é baseada em uma determinada variável, como por exemplo, a altura geopotencial de 500 hPa. Essas análises são
sua previsibilidade. Contudo, este tipo de análise não leva em conta a estrutura espacial e temporal e não permite verificar se o modelo descreve o campo de nuvens com as mesmas características de organização espacial e temporal do campo observado. Também não é possível verificar a qualidade da representação das propriedades microfísicas que não são monitoradas espacialmente e continuamente. Um método para realizar esse tipo de análise foi bastante explorado este ano no projeto. O trabalho de Galante et al. 2013 (em revisão no JAM – referência na sessão 4) apresenta uma proposta de avaliação de modelos que transforma as a saída de um modelo em uma imagem de satélite ou radar com ajuda de modelos diretos de transferência radiativa.
Essa análise é adequada a modelos de alta resolução, na qual a convecção é representada explicitamente. Os modelos de alta resolução evoluíram após o desenvolvimento dos modelos não hidrostáticos operacionais. A combinação das propriedades multi-espectrais de observação da terra com a modelagem de alta resolução e modelos radiativos capazes de simular as diferentes características dos hidrometeoros abriu a porta para a avaliação das propriedades microfísicas das nuvens simuladas por modelos de alta resolução. Resultados recentes obtidos no projeto CHUVA mostram que os modelos de alta resolução não reproduzem corretamente a estrutura espacial e temporal dos campos de nuvens. Os modelos tendem a gerar muitas nuvens pequenas e profundas, em número muito superior que o observado. A Figura 3.1.1 mostra a distribuição de tamanho das nuvens, conforme observado pelo satélite MSG ou simulado pelo modelo MESO NH e da estrutura espacial e temporal das células de chuva conforme observado pelo radar de Canguçu e simulado pelo modelo MESO NH durante a campanha do CHUVA Sul.
Figura 3.1.1 – Canto esquerdo distribuição de tamanho das estruturas com Tir<235K simulado pelo MSG com turbulência 1D e com turbulência 3D definida por Deardoff e observada pelo MSG. Canto direito os mesmo elementos, mas simulado pelo radar de Canguçu.
Foram testados modelos de turbulência 1D e 3D para ver o impacto do entranhamento na organização das células convectivas. Nota-se que as simulações com modelo de turbulência 1D, que correspondem as simulações convencionais em modelos de previsão não representam bem o campo de nuvens e precipitação. O modelo gera um grande número de células convectivas pequenas e profundas. A hipótese que estamos assumindo propõe que esse efeito é razão de um baixo valor de entranhamento das pequenas células. As simulações com turbulência 3D mostram que o modelo passa a reproduzir muito
melhor a distribuição espacial dos campos. Os modelos 3D intensificam o entranhamento e as trocas laterais das parcelas de ar. Contudo, não resolvem a organização das grandes estruturas que também são reduzidas. Observa-se que as grandes estruturas também não são bem simuladas pelo modelo, pois o modelo não consegue criar sistemas convectivos com o mesmo tamanho e duração. No momento estamos propondo uma mudança no entranhamento do modelo como função do tamanho da célula, ie, se o sistema é pequeno o entranhamento é grande, se o sistema é grande o entranhamento é pequeno. (Um trabalho está sendo preparado para ser submetido ao Mon. Wea. Rev.)
Outro aspecto avaliado este ano foi com relação à efetiva possibilidade de estimar a precipitação proveniente de nuvens quentes. O levantamento das características microfísicas das nuvens em diferentes regiões (Calheiros e Machado submetido ao Atmos. Res., 2013 – referência na sessão 4) permite caracterizar nuvens quentes associados ou não a precipitação em diferentes regiões do Brasil. Através do uso da modelagem radiativa, pode-se simular o sinal no topo da atmosfera quando há observação destes dois tipos de nuvens. Parte-se da hipótese que a diferença entre canais permite descriminar os eventos de chuva a partir de nuvens quentes. A Figura 3.1.2 mostra a diferença entre essas simulações. Nota-se que nos canais janelas atmosféricas as diferenças podem alcançar a ordem de 18K, o que seria razoável par estimar a chuva a partir de nuvens quentes. No momento, estamos avaliando a importância da variação da emissividade em relação a esse sinal.
Figura 3.1.2. Diferença entre canais da diferença entre céu com nuvens quentes precipitantes e não precipitantes.
Outro aspecto sendo avaliado é a importância da microfísica das nuvens em face da atividade elétrica das nuvens. Através da combinação da rede LMA de descargas elétricas e o radar X Pol permite caracterizar quantitativamente o desenvolvimento da microfísica da nuvem em função da atividade elétrica. A Figura 3.1.3 mostra o perfil médio das variáveis polarimétricas em função da intensidade dos eventos elétricos. Nota-se uma clara assinatura da refletividade, da correlação entre os canais do ZDR (logaritmo da razão entre a refletividade vertical e horizontal) e do KDP (Diferença de fase entre a onda vertical e horizontal entre duas distâncias). Essas diferentes características são associadas com aumento de gelo, graupel e água líquida na camada acima de zero graus e de água líquida abaixo desta camada a medida que a atividade elétrica aumenta. As diferentes camadas e a distribuição vertical do carregamento elétrico também estão sendo analisadas. (Trabalho sendo preparado para ser submetido a GRL).
Figura 3.1.3 - Perfis médios de (a) Zh (dBZ), (b) Zdr (dB), (c) Kdp (o km-1) e (d) 𝛒𝐡𝐯 para as classes sem ocorrência de fontes de VHF (curva tracejada azul), baixa (curva contínua verde), moderada (curva contínua laranja) e alta (curva contínua preta) ocorrência de fontes de VHF.
Finalmente, uma linha de pesquisa que foi iniciada no experimento do Vale e está avançando para ser fortemente explorada no GoAmazon é a interação entre nuvens e aerossóis. A Figura 3.1.4 mostra o ajuste da função Gama as distribuições de gotas de chuva (DSD) coletadas ao lado de um contador de núcleos de condensação. Para ajuste da função Gama, três parâmetros são necessários e a disposição de todos os ajustes é apresentado em um diagrama no espaço dos parâmetros de ajuste da função. Neste espaço foi realizada uma análise de aglomerados que definiu sete padrões de DSD. Essas DSD foram analisadas em função dos dias mais e menos poluídos para os casos de nuvens estratiformes. Nota-se que os dias mais poluídos são aqueles que apresentam a maior população de gotas nas classes 1 e 2 que são as classes de DSD com a maior população de gotas pequenas. Esses resultados indicam que o aumento de núcleos de condensação reduz o tamanho de gotas para as nuvens estratiformes.(Trabalho sendo preparado para ser submetido ao Atmos. Res.)
Figura 3.1.4: Distribuição de Tamanho de Gotas de chuva em um diagrama 3 dimensional no espaço de parâmetros da distribuição Gama (7 clusters cada um de uma cor) e a participação destes clusters nos casos de Chuva estratiforme mais poluída e mais limpos.
0,25 0,35 0,17 0,03 0,09 0,00 0,12
Mais Poluídos
0,19 0,17 0,20 0,19 0,15 0,00 0,11Mais Limpos
3.2) WORKING GROUP – 2: PRECIPITATION ESTIMATION – DEVELOPMENT AND VALIDATION ALGORITHM. Responsável: Daniel Vila.
Durante o presente período (Julho 2012-Junho 2013), o aluno de Mestrado Ramón Campos Braga defendeu sua dissertação sobre o conteúdo de gelo das nuvens em função do ciclo de vida utilizando sensores em micro-ondas passivos. Esta pesquisa visou o estudo da possível relação entre o conteúdo total de gelo e a fase do ciclo de vida de nuvens convectivas e sua possível aplicação na estimativa de precipitação por satélite. Na primeira parte, este estudo analisa o conteúdo total de gelo das nuvens (IWP) em função da taxa de expansão espacial da isoterma de 235K. Numa segunda etapa, o trabalho estudou a relação entre fração convectiva, junto com a taxa de precipitação das nuvens (utilizando dados do radar do projeto CHUVA) e a fase do ciclo de vida das nuvens e, finalmente, uma atualização da metodologia existente foi proposta para a estimativa da precipitação a partir de canais de alta frequência dos sensores AMSU-B/MHS, utilizando a informação do diâmetro das partículas de gelo (De) e o IWP.
A figura 3.2.1a-c apresenta os histogramas de frequência para as variáveis em estudo IWP (conteúdo integrado de gelo), De (diâmetro efetivo) e RRx (precipitação estimada por radar) para as regiões de São José dos Campos (SJC) e Fortaleza (FOR). Para SJC, as variáveis IWP e RRx apresentam histogramas com assimetria a direita, mais acentuada para a variável RRx, enquanto a variável De apresenta uma distribuição de frequência próximo a uma função normal. Para FOR, observam-se distribuições de IWP, De e RRx acentuadas para direita, com a variável De tendendo a distribuição normal. Em termos de frequência de IWP os valores médios da variável são aproximadamente 0.2 Kg/m² nas duas regiões, no entanto em termos de tamanho de partículas de gelo (De) há diferença significativa, pois SJC tem um De médio de 1.13mm, enquanto FOR 0,76mm. Em termos de RRx pode-se observar através da figura 4.5 que para SJC os valores têm em média magnitude maior do que em FOR. Este padrão pode está relacionado ao tipo de nuvem precipitante observada nas duas regiões, mais convectivas e profundas para SJC do que em FOR.
Figura 3.2.1 a-c: Histogramas de frequência para as variáveis: conteúdo de gelo (IWP), diâmetro das partículas de gelo (De) e taxa de precipitação do radar (RRx) para as cidades de São José dos Campos (SJC) e Fortaleza (FOR).
A Figura 3.2.2a mostra um gráfico de diagrama de dispersão dos valores estimados de IWP em função do estágio de seu ciclo de vida. A caixa central representa a amplitude interquartil (primeiro ao terceiro quartil), sendo a linha central, a mediana da amostra. Os valores máximos e mínimos e pontos fora da distribuição (outliers) são também representados. Quando a nuvem está em um processo de intensificação (INT), o diagrama de dispersão de IWP esta deslocado para maiores valores do que no estágio de desintensificação (DES). Uma dispersão menor com menor valor médio é observada quando se trata de nuvens com gelo não identificadas pelo FORTRACC (NAO). Esses resultados eram esperados, pois na medida em que há aumento da área da nuvem convectiva em altos níveis há ocorrência de convergência de ar e umidade em baixos níveis, que ocasiona a formação de gelo na nuvem através do fluxo vertical de umidade. O mesmo comportamento se verifica para RRx observadas por radar (Figura 3.2.2b).
A dispersão do De não mostra grande variação em função da taxa de expansão das nuvens (figura 3.2.2c). No entanto, para sistemas em estágio de desintensificação ou não identificados pelo FORTRACC, a distribuição do De apresentou, em média, maiores valores, embora valores de IWP sejam menores. Este resultado sugere que para o estágio de desintensificação as partículas de gelo se encontram envoltas por água e ar, os quais contribuem para uma diminuição da sua densidade e um aumento do seu tamanho, mesmo quando há um menor conteúdo integrado de gelo. Para nuvens no estágio de intensificação há uma maior amplitude na dispersão do De, isto devido aos processos de formação do gelo se encontrar em um estágio inicial.
a) b)
c) d)
Figura 3.2.2: Diagramas de dispersão de conteúdo de gelo (IWP; a), taxa de precipitação do radar (RRx; b), diâmetro das partículas de gelo (De; c) e Fração Convectiva (%Convectiva; d) em função da taxa do ciclo de vida das nuvens.
A distribuição do De em função de RRx para os dados em análise para o experimento do Vale do Paraiba está representada na Figura 3.2.3, na qual para partículas de gelo com diâmetro inferior a 0.4mm observa-se precipitação nula ou muito pequena. Entre 0.4mm e 1.2mm, as taxas de precipitação em sua maioria são baixas. Acima de 1.2mm são observados maiores valores de precipitação.
Figura 3.3.3: Taxa de precipitação do radar (RRx) em função do diâmetro das partículas de gelo (De) sobre SJC.
Baseado nessas observações, funções empíricas foram estimadas com os dados de análise e em posteriormente validadas. As funções utilizadas na nova estimativa de RR em SJC foram:
Se De <= 0.4mm ; RR = 0 mm/hr
Se 0.4mm < De < 1.2mm ; RR = 1.38*IWP + 0.9953 Se De >= 1.2mm ; RR = 20.64 * IWP – 0.5237
A Tabela 3.2.1 mostra as estatísticas obtidas (correlação linear, COR, viés, BIAS, probabilidade de detecção, POD, falso alarme, FAR, e erro médio quadrático, RMS) na validação sobre 113 pixels independentes da amostra utilizada para gerar as novas relações sobre a região de SJC. Os parâmetros estatísticos evidenciam uma melhora significativa em relação ao modelo global. Além disso, em termos de chuva acumulada e distribuição das taxas de precipitação, os valores previstos com as novas funções também apresentaram melhores resultados (Figura 3.2.4a - b)
Tabela 3.2.1: Estatísticas comparativas entre o modelo MSPPS (ATUAL) e o modelo em teste (PRED_IWP).
VARIAVEL COR BIAS POD FAR RMS
ATUAL 0,28 1,82 0,94 0,69 4,22
PRED_IWP 0,53 0,28 0,97 0,68 3,13
a) b)
MODELOS CHUVA ACUMULADA OBS 219,63mm ATUAL 437,8mm PRED_IWP 253,55mm
Figura 3.2.4a – b: Diagramas dispersão de taxas de precipitação do radar (RRx; OBS) e modelos propostos (ATUAL e PRED_IWP) e b) precipitação acumulada para os dois métodos avaliados e do radar.
Outro análise realizada, com o mesmo objetivo mas cobrindo uma região maior foi obtida durante a visita do Dr. Nicolas Viltard ao Brasil. A Figura 3.2.5 mostra a media dos nove pixels mais frios (direita) e o tamanho médio dos sistemas (esquerda) em função do ciclo de vida normalizado. Esses resultados são clássicos na literatura e significam que a filtragem foi efetiva. Como é esperado, os sistemas alcançam o tamanho máximo cerca de
60 % do seu tempo total de vida uma vez que a convecção acaba e começa a dissipação devido à advecção horizontal de partículas de gelo na região estratiforme (cirrus). Consequentemente, a temperatura de brilho mais fria é alcançada ao redor de 40 % do ciclo de vida decorrido. Depois da fase de crescimento, a queda da quantidade de gelo na nuvem, tende a aumentar a temperatura de brilho em toda a encluma do sistema. Pode ser observada uma grande dispersão em torno da media, o que indica uma grande variedade de situações que estão sendo contempladas neste analise.
Figura 3.2.5: Informação do ForTraCC para o período Novembro 2011-Março 2012 sobre a região do experimento CHUVA “Vale do Paraíba”. Esquerda: Tamanho médio dos sistemas convectivos em função do ciclo de vida normalizado (0-100%). As cores dos pontos indicam a duração total do sistema. Direita: Evolução da temperatura do kernel de 9 pixels centrado na temperatura mínima em função do ciclo de vida normalizado (0-100%). As core indicam o tamanho máximo alcançado pelo sistema durante o ciclo de vida.
Com o intuito de obter uma relação mais direta com os processos microfísicos no interior das nuvens, a Figura 3.2.6 mostra a evolução da temperatura de brilho média na frequência de 85 GHz H (medida pelo sensor TMI abordo do satélite TRMM) em função do ciclo de vida. Quando a convecção esta ativa (20% do ciclo de vida), partículas mais densas (maior espalhamento, menor temperatura de brilho) dominam a composição da nuvem que são geradas pelas correntes ascendentes. Essas partículas logo começam a cair gerando chuva intensa na superfície. Na fase de maturação, algumas partículas são horizontalmente advectadas para criar a região estratiforme. Essa região é dominada por partículas de tipo-neve, menos densas e, portanto tem uma temperatura de brilho mais quente. Quando a convecção termina, o sistema entra na fase de dissipação, os cristais começam a cair, aumentando o processo de acreação gerando partículas maiores (embora de menor densidade) gerando maior espalhamento e, portanto, queda da temperatura (60% do ciclo de vida). Na fase de dissipação (90%), como não são criados novos cristais de gelo, o sistema colapsa e só pequenas partículas ficam presentes no sistema gerando novamente um incremento na temperatura de brilho.
Figura 3.2.6: Evolução da temperatura de brilho em 85 GHz H do sensor TMI em função do ciclo de vida normalizado (0-100%). As cores dos pontos indicam o tamanho maximo alcançado pelo sistema durante o ciclo de vida.
3.3) WORKING GROUP – 3: ELETRIFICATION PROCESS: MOVING FROM CLOUDS TO THUNDERSTORMS. Responsável: Carlos Augusto Morales e Rachel Albrecht.
Durante o período de Junho de 2012 e Junho de 2013, trabalhamos na
implementação de uma rede de moinhos de campo (Field Mill) composta de 5
sensores ao redor do campus da Universidade de Santa Maria que monitorou a
atividade de raios a partir da rede detecção de descargas atmosféricas – STARNET.
A partir da rede de raios STARNET, Figura 3.3.1, foi possível observar um aumento
progressivo da densidade de raios diário entre os meses de novembro e dezembro
de 2012. Os eventos estavam em geral associados a sistemas de mesoescala tal
quais os observados em linhas de instabilidade. Durante o período ativo, era
possível observar atividade elétrica a cada 5 dias, com média de mil raios dia e o
máximo observado foi no dia 12 de Dezembro de 2012 com mais de 2500 raios.
Figura 3.3.1: Número de descargas elétricas medidos pela rede STARNET no
experimento CHUVA-SUL
Neste experimento, os sensores de field mill estavam dispostos em uma
configuração com distância máxima de 1 km e arranjados na forma de um
quadrilátero, sendo que o quinto sensor ficava instalado na parte central. Nesta
configuração pretende-se melhorar a estimativa dos centros de carga, conforme
apresentado no relatório anterior.
Na figura 3.3.2 é apresenta a evolução temporal de duas tempestades que se
deslocaram sobre Santa Maria no dia 23 de Novembro de 2012 entre as 00 e 09
UTC. Combinando com as medidas do radar de apontamento vertical MRR, pode-se
observar que o sistema tinha uma grande região estratiforme e regiões
convectivas. Durante a fase menos intensa e estratiforme o campo elétrico é
negativo e positivo quando a chuva era mais intensa. Esta distriuição indica que
havia oscilações entre transportes de cargas positivo e negativo respectivamente.
Portanto, flocos de neves carregados positivamente acabavam precipitando e
derretendo, já na parte mais convectiva poderíamos ter as próprias gotas de chuva,
graupel ou granizo precipitando, por no chão estavam na forma de chuva.
Finalmente na tabela 3.3.1 é apresentada o status dos dados de field mill que já se
encontram no nível 2, ou seja, ja apresentam a ultima calibração. Os dados já estão
disponíveis na área de acesso de dados do CHUVA. Nesta nova calibração, todos os
sensores foram calibrados dentro de um conjunto de testes que tinha uma placa
paralela com uma tensão de até 10 mil V/m.
Figura 3.3.2: Field Mill e dados do MRR para o evento de 23 de Novembro de 2012.
Tabela 3.3.1 – Status da calibração dos sensores de Field Mill.
Com relação às outras atividades do deste grupo de trabalho, elas se concentram
na análise dos dados da campanha do CHUVA Vale. O Workshop Internacional do
CHUVA foi a oportunidade de juntar os principais atores da parte de eletricidade
em um sessão dedicada a essa temática denominada "eletrificação processos e
sistemas detecção de descargas elétricas”. Nessa sessão foram apresentados 21
trabalhos que descreveram estudos sobre as características das tempestades
observadas por diferentes conjuntos de dados auxiliares (radar meteorológico,
moinhos de campo e sistemas de detecção de relâmpagos) e sobre a observação do
relâmpago por 10 diferentes tipos de sistemas de detecção, além do Sensor (LIS) a
bordo TRMM, câmeras de alta velocidade (até 10.000 fps) e moinhos de campo.
Os 10 sistemas empregados no CHUVA foram: 1) Lightning Mapper Array (VHF)
from MSFC/NASA, LINET (VLF) from DLR, EarthNetworks (VLF/LF/HF), TLS200
(VHF) from Vaisala. ATDNet from Meteo-Office UK, GLD360 (VLF) from Vaisala,
RINDAT (VLF/LF – Impact/LPATS/LS7000), STARNET (VLF) Universidade de São
Paulo, TLS200 (VLF/LF) from Vaisala, WWLLN from University of Washington. A
Figura 3.3.3 mostra a combinação destas medidas. A análise de cada sistema não
deve ser simplesmente comparada, pois cada sistema tem um princípio e
tecnologia de medição diferente. A análise dessas intercomparações estão sendo
feitas e serão apresentada em um trabalho científico em um futuro próximo.
Durante a reunião ficou decidido que todos os conjuntos de dados de raios
coletados durante a CHUVA-GLMVALE será público e aberto a comunidade
científica em janeiro de 2014. Até lá, um esforço será feito pelos coordenadores de
cada sistema de detecção para liberar os dados com o melhor controle de
qualidade possível, incluindo o status de cada receptor.
Figura 3.3.3: Medições coincidentes entre LMA, TLS200 VHF, TLS200 LF, LINET
intra-cloud and cloud-to-ground, EarthNetwork intra-cloud and cloud-to-ground,
RINDAT, STARNET, GLD360, WWLLN, ATDNet and LIS, para eventos do LIS
medidos em 10 de fevereiro de 2012 durante órbita do satélite TRMM.
3.4) WORKING GROUP – 4: CHARACTERISTICS OF THE BOUNDARY LAYER
FOR DIFFERENT CLOUD PROCESSES AND PRECIPITATION REGIMES. Responsável:
Gilberto Fisch.Este Working Group continua trabalhando com dados em todos os experimentos, em seguida apresentamos os avanços alcançados neste ano relativo a cada experimento. a) Experimento de Alcântara (2010)
Continuando os estudos das características da CLP na região de Alcântara, utilizou-se de modelagem numérica para determinar as características do perfil do vento e associando-se com as condições termodinâmicas/chuvas, utilizando-associando-se dados obtidos neste experimento.
As medidas de radiossondagem foram realizadas nos 4 horários sinóticos diários (00:00, 06:00, 12:00 e 18:00 UTC), com o aparelho da marca Vaisala, modelo RS92-SVG. O modelo WRF foi inicializado com dados gerados pela previsão do modelo global GFS, com 42 níveis na vertical, três domínios quadrados e centralizados no CLA com dimensões de 900, 264 e 76 km2 (Figura 3.4.1). O espaçamento da grade do domínio maior foi de 9x9 km, reduzindo na proporção de 3 até a grade de 1x1 km no domínio menor, com passos de tempo de 45, 15 e 5 s para os domínios 1, 2 e 3, respectivamente. Simulações foram iniciadas a cada 12 horas (às 00 e às 12 UTC), com tempo de integração de 72 horas, incluso o tempo inicial de
spin-up de 6 horas.
Figura 3.4.1 – Configuração de tamanhos dos domínios aninhados.
Foram utilizadas figuras geradas pelo Radar Banda X que esteve em operação no experimento Chuva Alcântara GPM 2010, com raios de alcance de 30 e 120 km. Estas foram comparadas com campos de precipitação acumulada de 1 hora (unidade em mm/h) e fração de nuvens baixas, geradas a partir de saídas horárias das simulações do WRF para o domínio interno de maior resolução. Para compensar a diferença entre os valores acumulados pelo modelo ao longo de 1 hora e os valores instantâneos do radar, todas as figuras do radar no intervalo entre determinada hora e sua antecedente foram utilizadas para a análise. Isto permitiu, de acréscimo, rastrear a trajetória de sistemas convectivos de escala maior, que se deslocavam sobre a área do domínio de simulação.
No geral, o modelo WRF não conseguiu posicionar corretamente os núcleos de chuva tanto no espaço quanto no tempo, assim como também não foi eficiente em representar as intensidades de precipitação. Foram verificadas diversas defasagens de tempo, geralmente na forma de atrasos do modelo em relação à observação, de 1 a 2 horas ou mais. Quando ocorreu o posicionamento correto de núcleos de chuva, sua intensidade foi sempre muito subestimada pelo modelo. Devido à metodologia utilizada, não foi possível quantificar com precisão a quantidade de chuva subestimada.
Um exemplo foi a forte precipitação observada pelo radar sobre o CLA durante 15 horas praticamente ininterruptas, das 16 UTC do dia 21 às 07 UTC do dia 22 de março de 2010, com núcleos de até 60 dBz, equivalente a aproximadamente 100 mm/h. Nenhuma das rodadas que incluíram este intervalo temporal foi capaz de representar tal evento extremo. Somente após o cessar das chuvas observadas o modelo começou a representar fortes núcleos aos arredores do CLA, mas representando no máximo 30 mm/h e deslocados, já que o núcleo principal foi observado sobre o CLA (Figura 3.4.2). Nestes horários já não há mais nenhuma precipitação significativa observada pelo radar. É possível que o modelo global (GFS) tenha carregado este atraso em seus arquivos de previsão, utilizados como dados de entrada.
Figura 3.4.2– Campos de precipitação acumulada (WRF) e imagens de radar em raio 30 km.
A Figura 3.4.3 mostra o campo das 13 UTC do dia 22 de março. Analisando as imagens de radar em horários próximos, tanto anteriores quanto posteriores, percebeu-se que os núcleos se assemelhavam com as observações do sistema que passou pela região de Alcântara entre 10 e 12 UTC. Ou seja, o modelo WRF representou a chuva com atraso de aproximadamente 2 horas. Isto pode ser um indicativo de que as nuvens estavam se deslocando mais rapidamente do que calculado pelo modelo WRF, mostrando uma defasagem temporal.
Figura 3.4.3– Atraso temporal na rodada das 00 UTC do dia 22 de março. Evolução do sistema no WRF (esquerda) e observada pelo radar.
b) Experimento de Fortaleza (abril de 2011)
Os trabalhos de pesquisa com os dados coletados neste experimento estão sendo realizados, principalmente, pelos colegas da Universidade Estadual do Ceará (UECE) e pela Universidade Federal de Alagoas (UFAL). Estas análises estão centradas em pesquisas que envolvam a combinação modelagem numérica e observacional, utilizando-se o modelo WRF. Neste sentido, avalia-se seis esquemas físicos de camada limite planetária no modelo WRF, para verificar qual deles melhor descreve a evolução de parâmetros termodinâmicos (pressão atmosférica e temperatura), comparando dados de simulação com observações de radiossondagem.
O modelo WRF foi configurado com três grades aninhadas, concêntricas na estação do INMET em Fortaleza. O domínio do modelo na horizontal tinha grades com resoluções de 90, 18 e 3,6 km com 30x30, 36x36 e 61x61 pontos, respectivamente. Na vertical foram utilizados 45 níveis, com os 10 mais próximos à superfície ajustados para 21, 43, 65, 87, 109, 132, 154, 176, 198 e 222 m de altura em relação à superfície. O topo do modelo estava no nível de 100 hPa, correspondendo em média a cerca de 16 km de altura.
O período de simulação foi de 00 UTC do dia 08/04/2011 a 00UTC do dia 13/04/2011. As condições iniciais e de contorno foram obtidas a partir das análises FNL do NCEP. Os esquemas físicos adotados foram os mais usuais encontrados na literatura, como o esquema RRTM para a radiação de onda longa, Dudhia para a radiação de onda curta,
WSM6 para a microfísica, Kain-Fritsch para a convecção, sem modelo de solo-superfície
urbana e sem parametrização de cúmulos rasos.
Para a CLP foram avaliados os seguintes esquemas: Yonsei University (YSU); Asymmetric
Convective Model v2 (ACM2); Mellor-Yamada-Janjić (MYJ); Quasi-Normal Scale Elimination
(QNSE); Mellor-Yamada Nakanishi and Niino Level 2.5 (MYNN2); e a - a a (BouLac). Os dois primeiros são esquemas de fechamento de primeira ordem e os restantes são de ordem superior, baseados na Energia Cinética Turbulenta (ECT). A Figura 3.4.4 mostra um perfil vertical do erro médio absoluto. De uma maneira geral, os esquemas com fechamento de primeira ordem (YSU e ACM2) apresentaram desvios relativamente maiores do que os de ordem superior, Os desvios, medidos através erro médio absoluto entre os resultados das simulações e os valores observados, revelaram que as parametrizações de CLP influenciam em todo o domínio do modelo, mostrando a grande importância dos mesmos.
Figura 3.4.4: Perfil vertical do Erro médio absoluto para variáveis termodinâmicas.
c) Experimento do Vale do Paraíba (Novembro/Dezembro 2011)
Os trabalhos de pesquisa destes dados estão sendo realizados pelo IAE/DCTA e INPE, através das análises dos dados que compõem o balanço de radiação e energia.
Através da variável radiação de onda curta e longa para as componentes incidentes e refletida ou emitida, obteve-se o balanço radiativo, o albedo médio (entre 0900 e 1500 HL (Horário Local)) e o fluxo radiativo integrado entre o nascer e o pôr-do-sol (0600 e 1800 HL, respectivamente). As variáveis meteorológicas auxiliaram na caracterização das condições do tempo durante o período selecionado, i.e., evolução da nebulosidade e ocorrência ou não de precipitação. Ao todo, foram identificados nove eventos de precipitação (dias 11, 13–16, 22–23, e 28 de novembro e dias 01–02, 08-10, 14–15, 18 e 20 de dezembro). A seguir, apresenta-se um caso do balanço de energia para condição de convecção natural / livre, que ocorreu em 22 de novembro de 2011 (Figura 3.4.5), no qual houve registro de precipitação às 1500 HL (acumulado: 0,5 mm) e entre 1800 – 2300 HL (acumulado: 13 mm). O máximo de radiação solar incidente ocorreu próximo das 1200 HL (Figura 3.4.5a). Houve então o aquecimento gradual da superfície. Próximo às 1200 HL, ocorreu o máximo de radiação emitida pela superfície. Porém, os máximos de fluxo de calor no solo (70 W/m², Figura 3.4.5b) e de fluxos de calor sensível e latente (175 W/m² e 190 W/m², respectivamente; Figura 3.4.5c) ocorreram antes das 1200 HL. Não foi possível averiguar o comportamento dos fluxos de calor sensível e latente após o início da precipitação (1500 HL). A Figura 3.4.5d mostra que houve duas tendências significativas de diminuição do albedo superficial entre 1200 e 1500 HL, bem como oscilações menores nesse período devido a presença da nebulosidade e da precipitação. Também, notou-se que o saldo radiativo acompanhou essa tendência e decresceu uma hora antes e durante os horários da chuva. Após a chuva das 1500 HL, houve um ligeiro acréscimo no fluxo de radiação de onda curta devido à dispersão momentânea das nuvens mais espessas. A partir das 1800 HL, a precipitação havia recomeçado e como também já se aproximava do horário do pôr-do-sol, se observou outro decréscimo na incidência de radiação de onda curta e do saldo radiativo.
Figura 3.4.5. Séries temporais de (a) radiação de onda curta ROC e longa ROL, (b) fluxo de calor no solo, (c) fluxos de calor sensível H e latente LE e (d) albedo superficial para o dia 22 de novembro de 2011.
d) Experimento Santa Maria (2012)
Os estudos desta componente estão sendo realizados pelo IPEN, que participou da campanha de coleta de dados com o uso de um LIDAR móvel (Figura 3.4.6), sendo que os resultados ainda estão na fase preliminar.
Figura 3.4.6: Instrumento de Medição LIDAR do IPEN-SP.
A altura da Camada Limite Planetária (CLP) foi determinada usando 3 métodos, a saber: Método do Gradiente (MG), da Transformada de Covariância de Ondeletas (TCO) e pelo número de Richardson (Ri). Um exemplo destas estimativas é a ocorrida no dia 29/11, em que a atmosfera apresentava-se com características bem estáveis, com alta nebulosidade e topo da CLP bem definido (Figura 3.4.7). Estas condições facilitam a detecção do topo da CLP pelos 3 métodos e estes apresentaram resultados semelhantes.
Figura 3.4.7: Medidas do retroespalhamento do LIDAR do dia 29/11/2012 (a) e estimativas da altura da CLP por diferentes métodos (b).
3.5) WORKING GROUP – MODEL IMPROVEMENTS AND VALIDATION, WITH FOCUS IN CLOUD MICROPHYSICS AND AEROSOL INTERACTIONS, FOR SATELLITE PRECIPITATION ESTIMATES IN BRAZIL - Responsável: Maria Assunção da Silva Dias. Grupo de Modelagem – Melhoria de modelo e validação com foco nas interações entre aerossóis e microfísica de nuvens
O objetivo desta componente é explorar a modelagem de nuvens nos diversos locais em que ocorrem as campanhas experimentais do Projeto CHUVA. Durante o Workshop do Projeto CHUVA pode ser visto o progresso dessa componente através de diferentes apresentações enfocando sistemas convectivos de mesoescala observados nas diferentes regiões do Brasil. A lista de apresentações é a seguinte:
Um dos destaques da sessão foram os trabalhos do grupo envolvido no The High Resolution Limited Area Ensemble System (HRLAMES) que demonstrou a capacidade de gerar simulações com a filosofia de conjunto. Os modelos WRF da Universidade de Buenos Aires (UBA), da Universidade de Santa Maria, e do CPTEC, o MESONH do CNRS França e o modelo Global e BRAMS do CPTEC foram utilizados nesse estudo. As simulações para os dias: 22, 28, 30 de Novembro, 5,6 e 10 de Dezembro foram os dias especiais escolhidos para análise das simulações. As saídas horárias de precipitação serão os campos básicos que serão intercomparados. Os diversos grupos estão preparando os dados para esses estudos. Uma Tese de Doutorado na Universidade de Buenos Aires foi iniciada sobre essa temática.
Além do esforço no HRLAMES, diferentes grupos estão estudando eventos especiais de linhas de instabilidade, complexos convectivos de mesoescala, sistemas frontais observados durante as campanhas e usando diferentes modelos (BRAMS, OLAM, WRF, Meso NH) e com resoluções e geometrias distintas. Decidiu-se focar em alguns casos especiais, um por campanha, para o próximo período e gerar estatísticas das saídas semelhantes às obtidas com dados observacionais de radar e satélite.
As simulações utilizando as saídas dos modelos nos canais de micro-ondas passivo permitem verificar as simulações contra as observações de satélite e radar do ponto de vista da microfísica e da organização dos campos de nuvens. O uso de canais em torno dos 85 e 150 Ghz, por exemplo, permite ter uma idéia do raio efetivo dos cristais de gelo e da concentração de gelo e o cálculo do ice water path permite avaliar o conteúdo de gelo das nuvens.
A Figura 3.5.1 mostra um histograma bidimensional dos canais de 150 Ghz e 89 Ghz para um caso do CHUVA Vale simulado pelo modelo BRAMS e observado pelo satélite (Sensor AMSU-B NOAA). Nota-se que a distribuição de nuvens observadas pelo satélite é muito mais ampla cobrindo um longo espectro de tipos de nuvens, já o modelo simula um conjunto mais restrito de nuvens. Outro fator que pode ser concluir é que a observação mostra nuvens com um conteúdo integrado de gelo maior que o observado pelas nuvens, a inclinação da distribuição observada apresenta valores em 89 GHZ mais quentes que em 150 GHz e o modelo o contrário, valores em 89 GHz mais frios que em 150 GHz. Essa diferença pode ser atribuída (o valor observado) aos cristais de gelo menores e em menor quantidade (concentração) que os simulados pelos modelos. O modelo BRAMS utiliza um modelo a um momento, logo não há informações a cerca do tamanho, somente da concentração. Esse tipo de análise permitirá ajustar os modelos às parametrizações microfísicas e criar um banco de dados microfísicos.
Figura 3.5.1: Histograma Bidimensional 150 x 89 GHz para medidas efetuadas pelo AMSU-B (NOAA) e simuladas pelo modelo AMSU-BRAMS para o dia 28 de Novembro de 2011.
Outra análise que está sendo realizada, com foco na microfísica das nuvens é com relação ao efeito do valor absoluto da camada de mistura turbulenta na microfísica da nuvem. A Figura 3.5.2 mostra um exemplo da simulação de graupel para diferentes valores de “mixing lenght”. Nota-se que um elevado valor (5 vezes maior), isto é, com forte entranhamento, leva a uma população menor de processos envolvendo graupel, mas favorece o evento com altos valores. Já um valor cinco vezes menor, isto é, um entranhamento menor, aumenta os casos de graupel com valores baixos e médios e reduz os valores altos. Pode-se supor que em um ambiente de forte entranhamento, somente processos com forte corrente ascendente realiza convecção profunda e um ambiente com baixo entranhamento valores mais moderados de corrente ascendente podem realizar convecção, inibindo eventos mais intensos e isolados. Este efeito pode explicar a diferença encontrada na convecção Amazônia com dias com nuvens profundas embora algumas intensas com muitas descargas elétricas e outras somente com chuva intensa e sem grande formação e gelo.
Figura 3.5.2: Simulação do Modelo MESO-NH para dois fatores aplicados no comprimento da camada de mistura turbulenta. Conteúdo integrado de graupel para 36 horas de simulação do dia 1 de Dezembro de 2012 (HRLLAMES – golden Day).
