ESTUDO DE CÉLULAS CONVECTIVAS POR AVIÃO-LABORATÓRIO E RADAR
Alexandre Araújo Costa1, José Carlos Parente de Oliveira2, Carlos Jacinto de Oliveira1
1
Universidade Estadual do Ceará - UECE
2
Universidade Federal do Ceará - UFC
ABSTRACT
During the Cloud Microphysics Experiment (“Experimento de Microfísica de Nuvens” – EMfiN!”), on 05 April 2002, an isolated convective cell in its growth stage was sampled in situ by UECE’s instrumented aircraft. While microphysical and thermodynamic measurements were carried out by the aircraft, the convective cloud was also scanned using FUNCEME’s meteorological radar. Cloud droplet distribution-functions were highly variable, with wide and bimodal spectra becoming more frequent as the aircraft approached the cloud top. Raindrop spectra exhibited in general a well-known Marshall-Palmer signature, although drizzle drops did not follow exponential distributions. A discussion on the general behavior of hydrometeors in the cell is presented.
1. Introdução
A construção de parametrizações de processos microfísicos em modelos atmosféricos requer a obtenção de dados observacionais, como valores característicos de concentração, dimensão e função-distribuição de hidrometeoros. O pequeno número de observações de microfísica nos trópicos em geral e no Brasil em particular é um forte limitante para que os modelos atmosféricos que contêm módulos de microfísica explícita possam ter um bom desempenho ao representar esses processos, dentre eles a formação de precipitação.
Com o objetivo de suprir essa deficiência, foi iniciado, em 2002, o Experimento de Microfísica de Nuvens (EMfiN!), por meio de uma campanha baseada em Fortaleza-CE, que contou com a participação de pesquisadores da Univesidade Estadual do Ceará – UECE, Universidade Federal do Ceará – UFC, Centro Técnico Aeroespacial – CTA e Fundação Cearense de Meteorologia e Recursos Hídricos – FUNCEME. Uma descrição detalhada da instrumentação e atividades dessa campanha é apresentada neste Congresso por Costa et al. (2002).
Neste artigo, é feita uma análise preliminar das propriedades microfísicas de uma célula convectiva amostrada pelo avião-laboratório sobre o município de Caucaia, em 05 de Abril de 2002. Simultaneamente às medidas efetuadas pelo avião, varreduras focalizando sobre esta nuvem foram feitas através de um radar meteorológico. Ênfase é dada nas distribuições observadas de hidrometeoros.
2. Metodologia
2.1 - Plataformas de observação
Os dados analisados neste trabalho foram coletados através do avião-laboratório da UECE e do radar meteorológico da FUNCEME. No primeiro, há três sondas espectrométricas do CTA capazes de detectar, contar e classificar hidrometeoros por tamanho. Uma breve descrição das características destas sondas é apresentada na Tabela 1.
Tabela 1 - Descrição das características das sondas espectrométricas do CTA, instaladas no ALPA/UECE
Sonda Espectrométrica Diâmetro dos hidrometeoros detectados
Forward Scattering Spectrometer Probe (FSSP-100) 2 – 47 µm
Optical Array Probe (OAP-200X) 30 – 450 µm
Optical Array Probe (OAP-200Y) 300 – 4500 µm
2.2 – Procedimento Experimental
A Aeronave decolou de Fortaleza às 12:25 (hora local) e rumou para a formação de nuvens sobre Caucaia. Nesta formação, uma nuvem exibindo pequena precipitação foi amostrada em três níveis, cujos valores típicos (médias ao longo da passagem) de altitude, pressão e temperatura são mostrados na Tabela 2.
Tabela 2 – Horário, altitude, pressão estática e temperatura para as três passagens
Passagem Horário Altitude média (m) Pressão média (hPa) Temperatura média (oC)
1 12:36:00 – 12:39:00 1453,1 862,6 18,12
2 12:41:00 – 12:45:00 1941,8 816,6 15,39
3 12:47:30 – 12:50:30 2539,8 762,4 11,29
Tendo sido informado do posicionamento da aeronave, o radar banda X efetuou um par de amostragens em
RHI, no azimute de 288,9o. Em seguida, 5 varreduras em setor, num arco de 45o em torno desse mesmo azimute
foram realizadas, com elevações de 1o a 5o, com a finalidade de se obter informações acerca da estrutura
tridimensional da formação de nuvens em estudo. Após isto, o radar passou a operar em modo PPI de baixa
elevação (1o). Finalmente, quase 13 minutos após a primeira varredura em RHI, outra foi realizada, a fim de se
verificar a sua evolução temporal. Um resumo das varreduras feitas com o radar meteorológico cobrindo especificamente as nuvens sobre Caucaia é apresentado na Tabela 3.
Tabela 2 – Horário, tipo de varredura, raio de cobertura, elevação e azimute
Horário Varredura Range Elevação (graus) Azimute (graus)
12:45:24 RHI 60 km 0 - 15 288,9 12:46:09 RHI 60 km 0 - 15 288,9 12:49:12 SETOR 60 km 1,0 266,4 – 311,4 12:49:40 SETOR 60 km 1,9 266,4 – 311,4 12:50:17 SETOR 60 km 2,9 266,4 – 311,4 12:50:54 SETOR 60 km 3,9 266,4 – 311,4 12:51:22 SETOR 60 km 4,9 266,4 – 311,4 12:58:20 RHI 60 km 0 - 15 287,1 3. Resultados 3.1 – Imagens de radar
As duas primeiras varreduras em RHI foram efetuadas entre a 2a e 3a passagens do avião-laboratório no
interior da formação de nuvens e mostram a existência de ecos iguais ou superiores a 15 dBZ em altitudes de até 3500m, aproximadamente (Figura 1). Esta Figura mostra também a existência de refletividades relativamente elevadas (37 dBZ ou mais) no terço superior da nuvem. Ao se estender até a superfície, o eco sugere a existência de precipitação fraca junto à superfície associada à célula.
Figura 1 – Refletividade de radar (varredura em RHI às 12:45:24)
As varreduras em setor sugerem uma estrutura horizontal com mais de um núcleo ascendente (mais de um lóbulo na estrutura de ecos acima de 27 dBZ, Figura 2).
Figura 2 – Refletividade de radar (varredura em Setor às 12:50:17). A formação em estudo é indicada pela seta.
Vale ressaltar que, em virtude de o topo da nuvem se encontrar abaixo do nível de congelamento, o desenvolvimento de precipitação se deu inteiramente na fase quente, com o crescimento por condensação seguido de processos de colisão-coalescência.
3.2 – Concentrações de hidrometeoros
Hidrometeoros de diversos tamanhos (de gotículas a gotas) foram observados na formação de nuvens em Caucaia. Suas concentrações, em amostras coletadas a 1 Hz (equivalendo, aproximadamente, a 80 m no interior da nuvem), exibiram uma variabilidade bastante significativa. Os valores máximos de concentração detectado por cada sonda, nas 3 passagens, são mostrados na Tabela 3.
Tabela 2 – Horário, altitude, pressão estática e temperatura para as três passagens. Enquanto as concentrações de gotículas (medidas pela FSSP) são dadas em cm-3, as concentrações de gotas de chuvisco e chuva
(medidas pelas sondas ópticas), são dadas em l-1.
Passagem Concentração máxima, FSSP-100 Concentração máxima, OAP-200X Concentração máxima, OAP-200Y
1 257,3 cm-3 9,59 l-1 0,31 l-1
2 245,1 cm-3 16,22 l-1 1,90 l-1
3 149,7 cm-3 11,74 l-1 0,54 l-1
Ao longo da trajetória da aeronave no interior do sistema, as concentrações variaram de acordo com as Figuras 3 a 5. Observa-se a ocorrência de clareiras significativas, intercalando os núcleos de maior atividade convectiva, nos quais a formação de precipitação ocorreu, como evidenciado pela existência de concentrações relativamente elevadas de gotas detectadas pelas sondas 200X e 200Y.
Na primeira passagem, entre 1400 e 1500m, a aeronave encontrou forte variabilidade nas concentrações, apesar de as mesmas serem fortemente correlacionadas entre si. O desenvolvimento de precipitação foi mais evidente nos trechos percorridos pela aeronave entre 12:37:08 e 12:37:19, entre 12:37:24 e 12:37:52 e entre 12:38:26 e 12:38:49 (sempre hora local).
Na segunda passagem, a aeronave penetrou a nuvem no sentido inverso. O último trecho com
concentrações relativamente altas amostrado na 1a passagem passou, portanto, a ser o primeiro atravessado pelo
avião, na 2a passagem, entre 12:41:00 e 12:41:32. Nesta passagem, é bastante evidente que este trecho é o que
revela uma produção mais acentuada de partículas de precipitação, com concentrações medidas pela 200Y acima de uma gota por litro. Vale ressaltar que o máximo de refletividade exibido na Figura 1 encontra-se em torno de 2 km
de altitude, coincidindo, portanto, com a informação amostrada in loco através do avião-laboratório. Novamente, como na Figura 3, os campos de concentrações amostradas pelas 3 sondas são fortemente correlacionados.
Finalmente, na 3a passagem, a mais próxima ao topo da nuvem e feita no mesmo sentido da 1a, ainda se
percebe a assinatura da maior parte dos picos de concentração de hidrometeoros amostrados nas passagens
anteriores. Em particular, o trecho em que foi observada a maior concentração de gotas de chuva na 2a passagem,
foi amostrado entre os instantes 12:50:01 e 12:50:19.
1400 1410 1420 1430 1440 1450 1460 1470 1480 1490 1500 123600 123630 123700 123730 123800 123830 123900 hora local al ti tu d e 0 50 100 150 200 250 300 123600 123630 123700 123730 123800 123830 123900 hora local concentração - FS S P 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 123600 123630 123700 123730 123800 123830 123900 hora local concentração - 200X 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 123600 123630 123700 123730 123800 123830 123900 hora local concentração - 200Y
Figura 3 – (a) Altitude e concentrações medidas pela (b) FSSP-100, (c) OAP-200X, (d) OAP-200Y, em função do horário para a 1a passagem
1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 124100 124130 124200 124230 124300 124330 124400 124430 124500 hora local al ti tu d e 0 50 100 150 200 250 300 124100 124130 124200 124230 124300 124330 124400 124430 124500 hora local concentração - FS S P 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 124100 124130 124200 124230 124300 124330 124400 124430 124500 hora local concentração - 200X 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 124100 124130 124200 124230 124300 124330 124400 124430 124500 hora local concentração - 200Y
Figura 4 – Como na Figura 3, exceto para a 2a passagem 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550 2560 2570 2580 124730 124800 124830 124900 124930 125000 125030 hora local al ti tu d e 0 50 100 150 200 250 300 124730 124800 124830 124900 124930 125000 125030 hora local concentração - FS S P 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 124730 124800 124830 124900 124930 125000 125030 hora local concentração - 200X 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 124730 124800 124830 124900 124930 125000 125030 hora local concentração - 200Y
Figura 5 – Como na Figura 3, exceto para a 3a passagem
3.3 – Funções-distribuição
Uma variedade de formas de funções-distribuição foi encontrada na nuvem estudada. Pode-se tomar como exemplo o trecho amostrado pela aeronave entre 12:38:25 e 12:38:44, cujos espectros de gotículas medidos pela FSSP (15 classes de tamanho, de 2 a 47 µm) são mostrados na Figura 6.
12:38:25 12:38:26 12:38:27 12:38:28 12:38:29
12:38:30 12:38:31 12:38:32 12:38:33 12:38:34
12:38:35 12:38:36 12:38:37 12:38:38 12:38:39
Figura 6 – Espectros de gotículas medidos pela FSSP. O valor da função-distribuição é dado em cm-3µm-1, de tal forma que a integral sob a curva resulte na concentração total, em cm-3. Os valores numéricos mostrados correspondem ao
valor da função-distribuição para cada uma das 15 classes de tamanho. Os instantes de tempo são indicados.
Na Figura 6, percebe-se a tendência geral para espectros relativamente estreitos, com pico na 3a categoria,
ou seja, entre 8 e 11 µm. Ocasionalmente, porém, o espectro tende a se alargar, enquanto, às vezes, a concentração cai praticamente a zero, evidenciando o papel de processos físicos como turbulência e entranhamento no estabelecimento de uma microestrutura heterogênea, comum a nuvens cumuliformes (Costa et al. 2000, etc.).
Com vistas a examinar a formação de precipitação e as características das funções-distribuição de
hidrometeoros na região correspondente à 2a passagem da aeronave no interior da nuvem, examinaremos os
espectros médios de gotículas e gotas nessa região. A Figura 7 mostra os espectros médios medidos, respectivamente, pelas sondas FSSP (7a), 200X (7b) e 200Y (7c). As unidades das funções-distribuição são,
respectivamente, cm-3µm-1, l-1mm-1 e l-1mm-1. Em todos os casos o diâmetro (eixo das abscissas) é dado em
micrômetros.
a
b
Figura 7 – Funções-distribuição médias, entre 12:41:00 e 12:41:30: (a) FSSP, (b) 200X e (c) 200Y
A distribuição de gotas de chuva (painel 7c) seguiu um comportamento quase exponencial, como já relatado por diversos autores na literatura. O mesmo, porém, não se refletiu na distribuição de gotas de chuvisco (painel 7b).
4. Sumário
Neste trabalho, observações com base em um avião-laboratório e um radar meteorológico foram apresentadas. O caso (célula convectiva sobre Caucaia-CE em 05/04/2002) foi um dos vários investigados durante a primeira campanha intensiva do Experimento de Microfísica de Nuvens (EMfiN!).
Os dados apontam para uma estrutura microfísica complexa no campo de nuvens, com núcleos de correntes ascendentes intercalados por distâncias de centenas de metros com baixas concentrações de gotículas.
O principal núcleo ascendente estudado exibia grande variabilidade nas formas dos espectros de gotículas, ao mesmo tempo em que apresentava os maiores valores de concentração de gotas de chuva. A análise dos dados
do radar mostra que os maiores ecos eram obtidos em torno do nível amostrado pela aeronave na 2a passagem.
Uma análise dos espectros de gotículas e gotas mostrou que, mesmo em condições de formação de precipitação, é possível representar o comportamento médio da distribuição de gotas por tamanho através de uma função com um único máximo, provavelmente com dois parâmetros livres (por exemplo, a função gama, como usado por Walko et al. 1995 em um modelo de área limitada).
Por outro lado, os dados sugerem que aproximações tradicionais para os espectros de gotas de chuva, como a de Marshall-Palmer (exponencial) podem levar a erros significativos quando se inclui o chuvisco na mesma categoria (consideração usualmente feita em parametrizações de microfísica em que a água líquida é particionada em somente duas cateogrias: água de nuvem e água de chuva). As observações na nuvem de Caucaia mostraram que, se o espectro de gotas de chuva é de fato quase exponencial, o mesmo não se aplica ao chuvisco, tampouco à distribuição conjunta chuvisco+chuva.
Agradecimentos
O Experimento de Microfísica de Nuvens, a partir do qual foram coletados os dados para esta pesquisa, foi financiado pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico – CNPq. Agradecimentos são feitos aos colegas do Centro Técnico Aeroespacial (em especial a Luiz Augusto Machado e a Roberto Lage) e da Fundação Cearense de Meteorologia e Recursos Hídricos, com os quais os autores tiveram a oportunidade de trabalhar durante o experimento
Referências
COSTA, A. A., OLIVEIRA, C. J., OLIVEIRA, J.C.P., SAMPAIO, A. J. C., Microphysical Observations of Warm Cumulus Clouds in Ceará, Brazil, Atmospheric Research, v. 54, p. 167-199, 2000.
COSTA, A. A. et al., 2002: Experimento de Microfísica de Nuvens. Anais do XII Congresso Brasileiro de
Meteorologia, 2002.
WALKO, R. L, COTTON, W. R., HARRINGTON, J. Y., MEYERS, M. P., New RAMS cloud micro-physics parameterization. Part I: The single-moment scheme. Atmospheric Research, v. 38, p. 29-62, 1995.
