PRIMEIRAS AVALIAÇÕES DO RADAR METEOROLÓGICO DOPPLER DE SÃO JOSÉ DOS CAMPOS, PARTE I: MONITORAMENTO DE TEMPO SEVERO NUM RAIO DE 150 KM
Ana Catarina Farah Perrella1 Thomaz Lacerda Cordeiro Garcia2
Marlene Elias Ferreira3 UNIVAP - Universidade do Vale do Paraíba
Rua Paraibuna, 75
12245-020 São José dos Campos – SP 1
E-mail: ana@univap.br 2E-mail: labmet@univap.br 3E–mail: marlene@univap.br
ABSTRACT
Since January 2000, an S-band Doppler weather radar (RMT 0100D System, manufactured by the Brazilian company Tectelcom Aeroespacial Ltda.) is being operated experimentally in São José dos Campos – SP, Brazil. At this present stage, evaluation studies of various kinds for better understanding the performance of this equipment are in order. As a first approach, a two-part study was made aiming to verify the radar capabilities to monitor severe storms in the 150 km-range. For this part (Part I), two severe weather events were selected (February 28, 2000 and March 16, 2000). In Part II, to be found elsewhere in these proceedings, a study on successive squall lines is presented (March 7, 2000). In both cases, the evolution of the MAX CAPPI reflectivity data were analysed. Overall, this study shows that the São José dos Campos radar performs very well in depicting the life cycle of mesoscale phenomena, even in the 150 km-range borders.
INTRODUÇÃO
O radar meteorológico foi um grande passo dado pela Meteorologia, tendo se tornado importante não só para a previsão do tempo de curto prazo mas, também, para o estudo da estrutura interna e da dinâmica das tempestades. É ferramenta fundamental para a identificação e o acompanhamento dos fenômenos meteorológicos de curta duração, com destaque para as tempestades com ciclo de vida inferior a cerca de duas horas (nowcasting). Os produtos de radares Doppler encontram aplicações em diversas áreas que dependem de informações meteorológicas, entre elas a Agricultura, a Hidrologia, a Meteorologia Aeronáutica e a Previsão Numérica do Tempo.
Para o monitoramento da precipitação, em particular, dispõe-se hoje de várias alternativas, cada uma com suas peculiaridades, destacando-se as que empregam radares, satélites (Vicente & Ferreira, 1998) e, naturalmente, a rede de estações de superfície, que podem ser usadas isoladamente ou em conjunto, dependendo dos requisitos da aplicação. Como discutido por Ferreira (1987), para a Hidrologia, por exemplo, quanto menor forem as escalas espacial e temporal de interesse, maior será a exigência quanto à amostragem temporal e menor será a exigência quanto à precisão das estimativas de chuva. Para alertas de picos de cheias em bacias urbanas (áreas inferiores a cerca de 100 km2), toleram-se erros percentuais médios elevados, mas exigem-se altas taxas de amostragem temporal (até 144 observações por dia, ou seja, a cada 10 minutos), além de alta resolução espacial (ver também Ferreira & Calheiros, 1995). Em princípio, estas altas taxas de observação, conjugadas com a alta resolução espacial, só podem ser conseguidas pelos radares meteorológicos. [Note-se que a varredura rápida (rapid scanning) possibilita a obtenção de imagens por sensores a bordo de satélites geoestacionários em intervalos de até um minuto, mas está longe de ser empregada operacionalmente em nossas regiões (Ferreira & Calheiros, 1995)].
No Brasil, o número de trabalhos de pesquisa que tratam da utilização de radares no monitoramento de sistemas meteorológicos e nos esquemas de alerta de eventos severos para diferentes aplicações vêm aumentando significativamente, em virtude do número crescente deste tipo de equipamento no país. Em tempos recentes tem-se, a título de exemplo, os artigos de autoria de Pereira Filho (1999); Gomes (1998); Abdoulaev & Lenskaia (1998);
Em janeiro de 2000 foi iniciada a operação de um radar Doppler na banda S (Sistema RMT 0100D, fabricado pela Tectelcom Aeroespacial Ltda.). Este sistema pertence ao Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) e é operado pelo Laboratório de Meteorologia (LabMet) da Fundação Valeparaibana de Ensino (FVE)/Universidade do Vale do Paraíba (UniVap), localizado em São José dos Campos (SJC) – SP, cujas coordenadas geográficas são: 23o 14’S e 45o 05’W. Este sistema radar encontra-se provisoriamente instalado na Tectelcom Aeroespacial Ltda., também localizada em SJC-SP.
Esta fase inicial de operação tem caráter experimental e, portanto, exige a realização de atividades de diferentes tipos para melhor se conhecer as capacidades do equipamento. Assim sendo, o presente estudo teve por finalidade avaliar o desempenho do radar de SJC, particularmente no que tange a detecção e o acompanhamento da evolução de sistemas meteorológicos severos num raio de 150 km. Sua redação compreende duas partes. Nesta primeira parte (Parte I) são apresentadas as principais características de operação do radar quando da obtenção dos dados empregados e dois estudos de caso de chuvas intensas que atingiram a região metropolitana de São Paulo, cidades do ABC e do Vale do Paraíba. Na Parte II (Perrella et al., 2000, também nestes anais) foi monitorada uma seqüência de linhas de instabilidades que passaram por São José dos Campos, provocando chuvas intensas. Em todos os casos estudados, o radar de SJC apresentou desempenho satisfatório e mostrou ser uma ferramenta de grande valia para a previsão de curto prazo.
DADOS E METODOLOGIA
Dados básicos e modos de varredura espacial do radar Doppler
Um radar Doppler é aquele que, além de medir a potência média que retorna dos alvos (intensidade dos ecos) para a estimativa da refletividade equivalente (a qual destina-se à inferência da intensidade da precipitação), permite também que sejam obtidas medidas da velocidade Doppler dos alvos. Mais especificamente, os radares Doppler obtêm dois parâmetros a mais que os radares convencionais: um é a velocidade radial média, uma estimativa do movimento médio das partículas iluminadas pelo feixe do radar, ponderado pela refletividade, ao longo do feixe do radar; e, o outro, é a largura espectral, uma medida (desvio padrão) da variabilidade da velocidade radial no volume dos alvos. Assim, além das medidas de localização (distância entre o radar e os alvos e posição angular de elevação e azimute, em coordenadas polares, dos alvos em relação ao radar), os dados básicos gerados pelos radares Doppler são: a refletividade equivalente, a velocidade (Doppler) radial (média) e a largura espectral (da velocidade) (ver, por exemplo, Librelato, 1997; Rinehart, 1999).
Por outro lado, a varredura do espaço pelo radar compreende a varredura em azimute (dá origem ao PPI – “Plan Position Indicator”), a varredura em elevação (dá origem ao RHI – “Range Heght Indicator”) e a varredura volumétrica (dá origem a vários produtos, entre eles o CAPPI – “Constant Altitude PPI” e o MAX CAPPI – “Maximum CAPPI”).
“O MAX CAPPI representa a projeção, dos valores máximos obtidos numa varredura volumétrica (refletividade equivalente - e, após sua conversão, taxa de precipitação; velocidade radial média; e, largura espectral), em três planos: de cima para baixo, no plano horizontal; de oeste para leste, no plano vertical lateral direito rebatido; de sul para norte, no plano vertical lateral superior, rebatido.” (Librelato, 1997).
Produtos do radar Doppler de SJC utilizados no estudo
Note-se que as atividades operacionais propriamente ditas (H-24) do radar meteorológico Doppler de SJC tiveram início em 10 de fevereiro de 2000. Desde então, a operação tem sido contínua e compreende varreduras volumétricas, processamento, registro e arquivamento dos dados coletados.
Em ambas as partes deste estudo, a variável de interesse é a precipitação. Portanto, em termos de radar, o foco é a refletividade equivalente (Z). Embora o raio de alcance do radar seja de cerca de 400 km, a quantificação de Z tem sido processada, por várias razões, para um raio máximo de 200 km.
Para cada volume de varredura, enquanto se realiza a tarefa, selecionam-se o tipo de processamento, os filtros a serem utilizados nas medições da velocidade Doppler, a freqüência de obtenção de dados (resolução temporal), o raio de alcance (área de abrangência), a Freqüência de Repetição de Pulsos (Pulse Repetition Frequency – PRF), entre outros. Procurou-se definir uma tarefa de processamento e armazenamento de dados em uma única área subentendida por um raio de 150 km, com a finalidade de evitar, simultaneamente, o dobramento em distância (“distance folding”) e o dobramento em velocidade (“velocity folding”).
Assim sendo, para o acompanhamento dos sistemas meteorológicos analisados em ambas as partes deste estudo, foram empregados produtos obtidos por meio de varreduras volumétricas, entre eles: MAX CAPPI de 60 km, CAPPI de 3 km e MAX CAPPI de 150 km, de acordo com as tarefas de operação que constam na Tabela 1. Tabela 1. Características das tarefas de operação do radar de SJC empregadas na obtenção dos dados utilizados
neste estudo (Parte I e Parte II).
Tempo gasto na varredura volumétrica Cerca de 10 minutos
“Steps” de varredura em elevação 15, de 0,1a 25,5o de elevação
Raio 150 km
Resolução radial 0,375 km
Filtro Número 3 (Doppler)
Velocidade da antena 15o/s
PRF Pulso longo: 476 Hz
Pulso curto: 714 Hz
Foram também utilizadas imagens obtidas pelos satélites GOES-Leste (GOES-8) na região espectral do infravermelho termal, para o monitoramento e a identificação dos sistemas em escala sinótica que estavam atuando na área de estudo.
Como já mencionado, foram selecionados alguns casos associados a sistemas convectivos ativos na área compreendida por um raio de cerca 150 km em torno do radar de SJC. Nesta Parte I do estudo, são analisados dois eventos severos ocorridos nos dias 28 de fevereiro e 16 de março de 2000.
BREVE DISCUSSÃO DOS CASOS EM ESTUDO Análise do dia 28 de fevereiro de 2000
Foram destaques nas principais manchetes nos jornais da cidade de São Paulo os problemas que as chuvas do dia 28 fevereiro de 2000 causaram na cidade: moradores de São Paulo, das cidades do ABC e do Vale do Paraíba enfrentaram um dia caótico com as chuvas que começaram na madrugada. Deslizamentos causaram mortes na Zona Sul da capital. O Rio Tietê transbordou pela manhã e o trânsito na Marginal do Tietê ficou praticamente interrompido durante o dia todo.
Os congestionamentos espalharam-se pelas principais vias da cidades e a CET (Companhia de Engenharia de Tráfego) registrou recordes de lentidão do ano, tanto pela manhã quanto à tarde: 101 quilômetros às 10h 30 e das 12 às 19 horas.
A Defesa Civil municipal de São Paulo decretou estado de alerta entre as 15h 30 e 17h 30 em bairros de 12 administrações regionais.
No ABC, São Caetano do Sul, onde havia sido decretado estado de calamidade por causa das cheias duas semanas antes, voltou a enfrentar problemas.
No Vale do Paraíba, São José dos Campos foi o município mais afetado pelas chuvas. Segundo os registros da estação meteorológica do aeroporto de SJC, o temporal, que foi acompanhado de rajadas de ventos com mais de 70 km/h, durou aproximadamente 40 minutos, provocando caos no trânsito da cidade e derrubando dezenas de
As imagens obtidas pelo satélite GOES–8 no dia 28 de fevereiro (Figura 1) mostram uma frente fria sobre o Rio Grande do Sul deslocando-se para o interior da região Sul. No decorrer do dia esta frente associou–se às linhas de instabilidade geradas pela convergência de umidade associada à Zona de Convergência Intertropical (situada na costa norte da Região Nordeste) e à Alta da Bolívia. Estas linhas de instabilidade formaram-se em boa parte do Estado de São Paulo e, no decorrer do dia, contribuíram, junto com o aquecimento diurno, para a formação de convecção local, principalmente no leste do estado [Figuras 2(a), 2(b) e 2(c)], onde as chuvas foram bem intensas e isoladas.
Figura 1. Imagens da América do Sul e adjacências obtidas pelo satélite GOES–8 (infravermelho termal) no dia 28/02/2000 às: (a) 12:00Z, (b) 15:00Z e (c) 18:00Z.
Figura 2. Imagens setorizadas da região sudeste obtidas pelo GOES-8 (infravermelho termal) no dia 28/02/2000 (a) 12:00Z, (b) 15:00Z e (c) 18:00Z.
A partir das 12:00 Z [Figura 2(a)] pode ser observado no centro-norte e leste do Estado de São Paulo um aumento significativo de formações convectivas isoladas. Essas formações intensificaram-se principalmente no setor leste do estado, inclusive em todo o Vale do Paraíba [Figuras 2(b) e 2(c)], onde as chuvas foram bem intensas. Na Figura 3, de (a) a (f), é mostrada uma seqüência temporal de imagens de refletividade MAX CAPPI obtida pelo sistema radar de SJC (representado pela cruz no mapa), numa área compreendida por um raio de cerca de 150 km em torno do equipamento (destacada pelo círculo em tons mais claros), a qual abrange a Grande São Paulo e o Vale do Paraíba. Nesta seqüência de imagens, pode-se observar uma linha de cumulus que penetrou pelo norte [Figura 3(a)] e provocou chuvas nas regiões centro-norte e noroeste da grande São Paulo. Note-se que entre 17:52 Z e 19:40 Z, os valores de refletividade aumentaram bastante: variaram de 48 dBZ a 64 dBZ, representados nas cores entre o azul bem claro e o laranja. A refletividade máxima ocorreu às 18:20 Z. A partir das 20:00 Z as
b c
b c
a
Figura 3.Seqüência das imagens de refletividade MAX CAPPI obtidas pelo radar meteorológico Doppler de SJC num raio de 150 km em torno do sistema radar (localizado pela cruz no mapa), onde as cores representam a escala de variação em dBZ indicando a linha de convecção (áreas em azul) e nuvens convectivas fortes (áreas em laranja), nos seguintes horários: (a) 17:52 Z, (b) 18:12 Z, (c)18:20 Z, (d) 18:32 Z, (e)18:40 Z e (f) 18:52 Z.
Análise do dia 16 de março de 2000
Como noticiado pela imprensa, o evento de chuva ocorrido no dia 16 de março de 2000 também tumultuou o município de São Paulo, causando sérios transtornos. O Centro de Gerenciamento de Emergências (CGE), da Prefeitura, declarou estado de atenção em toda a cidade a partir das 15h30, situação que permaneceu até as 17 h, quando a chuva enfraqueceu. As Zonas Sul, Leste e Oeste foram as mais atingidas, com diversos pontos de alagamento, que causaram lentidão no trânsito durante toda a tarde. O trasbordamento do Córrego Pirajuçara, em dois pontos diferentes – no Butantã (Zona Oeste) e no Campo Limpo (Zona Sul), e do Córrego Aricanduva (Zona Leste), causaram alagamentos. A CET registrou 79 km de congestionamento, um índice alto para o horário.
Nas imagens setorizadas obtidas pelo satélite GOES–8 no canal infravermelho termal, pode-se observar, na seqüência de horários, um aumento das nuvens convectivas avançando para a região metropolitana de São Paulo. [Figuras 4: (a), (b) e (c)]. Nesse dia, a situação que predominava após a passagem de um sistema frontal sobre o Estado de São Paulo no período da manhã era de cobertura estratiforme [Figura 4: (a) e (b)]. A partir da tarde várias nuvens convectivas formaram-se rapidamente sobre a grande São Paulo, provocando chuvas intensa localizadas na região metropolitana da cidade [Figura 4(c)].
a b c
f e
Esse sistema convectivo serviu como exemplo da capacidade de monitoramento pelo radar de SJC, por mostrar com detalhe a evolução do deslocamento da convecção. Para facilitar a visualização, fez-se um “zoom” sobre a Grande São Paulo (área mais clara do mapa, onde também aparecem as principais rodovias de acesso à região), o que permite melhor identificar os pontos mais afetados pelas chuvas [Figura 5, (a) a (l)]. Pode ser observado nesta figura, a rápida evolução da banda de nebulosidade convectiva que atingiu a cidade. Entre o aparecimento do primeiro eco, com refletividade em torno de 45 dBZ (azul bem claro), até que fosse atingido 64 dBZ, passaram-se 2 horas [Figura 5, (d) e (e)]. A máxima refletividade atingiu mais intensamente o setor oeste da Grande São Paulo.
Figura 4. Imagens setorizadas obtidas pelo GOES-8 (infravermelho termal), da região Sudeste, para o dia 16/03/2000: (a) 12:00 Z, (b) 15:00 Z e (c) 18:00 Z.
Figura 5. Seqüência das imagens de refletividade MAX CAPPI sobre a Grande São Paulo obtidas pelo radar Doppler de SJC, num raio de 150 km em torno do sistema radar onde aparecem a linha de convecção (áreas em azul claro) e nuvens convectivas intensas (áreas amarelas). Horários: (a) 15:54 Z, (b) 16:15 Z, (c)16:26 Z, (d) 16:37 Z, (e)16:48 Z, (f) 17:43 Z, (g) 17:54 Z, (h) 18:05 Z, (i) 18:16 Z, (j) 18:27 Z, (k) 18:38 Z e (l) 18:49 Z. A escala de cores em dBZ segue a da Figura 3.
a c d e c b g f h b a i j k l
CONSIDERAÇÕES FINAIS
As atividades operacionais (H-24) no radar meteorológico Doppler de SJC tiveram início em 10 de fevereiro de 2000 e, desde então, a operação tem sido contínua, compreendendo varreduras volumétricas, processamento, registro e arquivamento dos dados coletados.
Como já mencionado, esta etapa inicial de operação, que tem caráter experimental, exige uma série de atividades e estudos que possibilitem melhor conhecer o desempenho desse radar. Os estudos aqui apresentados se encaixam neste escopo e constituem as primeiras avaliações da capacidade de monitoramento do radar. Nesta Parte I do estudo, são analisados dois casos de chuvas intensas (28 de fevereiro e 16 de março de 2000), associadas a sistemas convectivos de mesoescala, cuja formação e evolução foram claramente detectadas pelo radar de SJC, por meio de configurações relacionadas à estrutura do campo de refletividade obtido no modo MAX CAPPI.
Os resultados da análise dos dois casos confirmam a utilidade radar Doppler de banda S recém instalado em São José dos Campos no acompanhamento de sistemas convectivos de curta duração que ocorram num raio de 150 km em torno do equipamento. Portanto, este radar constitui uma ferramenta valiosa para subsidiar alertas e tomadas de decisão quando da ocorrência de chuvas intensas, não só no Vale do Paraíba, mas também em locais mais afastados, como na Grande São Paulo. Após a mudança do local da antena, deverão ser conduzidos estudos mais detalhados, desta e de outras naturezas, que propiciem um melhor conhecimento das capacidades e limitações deste radar Doppler.
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