3. HIDROMETEOROLOGIA 3.1 Introdução
A hidrometeorologia trata do estudo das fases atmosférica e terrestre do ciclo hidrológico com ênfase na inter-relação dessas fases. Segundo em Occhipinti (1989), de forma mais simples pode-se entender a hidrometeorologia como a aplicação da meteorologia na hidrologia. Um aspecto importante na formação do hidrólogo é o conhecimento básico do mecanismo de formação da precipitação. Destaca-se, também, nos estudos hidrológicos relacionados à avaliação dos recursos hídricos, a determinação de valores característicos de determinadas variáveis meteorológicas. Atualmente, como possíveis problemas a serem enfrentados pelo engenheiro civil, com atuação voltada aos recursos hídricos, e que exigem conhecimento de meteorologia, tem-se:
- caracterização climatológica de bacias hidrográficas nos estudos de implantação de usinas hidrelétricas;
- determinação da precipitação máxima provável (PMP) em estudos de cheia e de implantação de usinas hidrelétricas;
- estabelecimento de modelos de previsão de vazões em tempo real e sistemas de alerta contra enchentes com utilização de informações de radares meteorológicos;
- estabelecimento de modelos de previsão de vazões de longo prazo;
- utilização de modelos meteorológicos integrados com modelos hidrológicos; - análise da influência das mudanças climáticas sobre os recursos hídricos.
Do ponto de vista da formação geral do engenheiro civil, pode-se destacar ainda como atividades que exigem conhecimentos básicos de meteorologia:
- realização de estudos energéticos envolvendo energias alternativas; - localização de indústrias;
- conforto térmico de residências;
- execução de obras (atrasos no cronograma); - projetos de obras viárias.
3.2 Massas de ar e Frentes
O clima e as condições meteorológicas de uma região são determinados principalmente pelas circulações atmosféricas, que atuam nas diversas escalas em que se insere a região, e em menor proporção pelas condições geográficas, geológicas e hidrológicas locais. Essas circulações são decorrentes da distribuição não uniforme da radiação solar líquida sobre a Terra, do movimento de rotação da Terra, das diferenças de calor específico do solo e da água, do relevo, da evaporação de grandes massas de água e da evapotranspiração de grandes florestas (Raudkivi, 1979).
Esses fatores determinam um padrão variável no tempo e no espaço da pressão atmosférica, umidade e temperatura, que por sua vez caracterizam as condições do tempo em cada local. Apesar de toda a complexidade da circulação atmosférica, já se tem estabelecidos os principais fenômenos meteorológicos atuantes na diversas regiões do planeta Terra.
classificadas em função da sua região geográfica de origem como: - equatorial (E);
- tropical (T);
- polar (P);
- antártica (A).
As massas de ar ainda podem ser sub-classificadas em função de sua umidade como: - continental e
- marítima.
Quando do deslocamento de uma massa de ar, a mesma leva características da área original às regiões para onde se move. Entretanto, ao longo de sua trajetória, as massas de ar podem modificar em parte as suas propriedades. Estas modificações vão depender das propriedades das superfícies percorridas e do tempo de contato com as mesmas.
O sul do Brasil, como resultado de sua localização em latitudes médias, está sujeito aos seguintes centros básicos de ação atmosférica (Monteiro, 1968): o Anticiclone Subtropical do Atlântico Sul, o Anticiclone Migratório Polar, o Centro de Baixa Pressão do Chaco, as Altas Tropicais da Amazônia e o Anticiclone do Pacífico. Este último eventualmente influi, com acúmulo de ar frio, para intensificar a Frente Polar Atlântica, que passa a atuar no clima regional.
As diversas massas de ar não se deslocam à mesma velocidade e além disto apresentam diferenças de densidade. As regiões de transição entre massas de ar diferentes, principalmente em termos de temperatura, umidade e pressão; são chamadas de frentes. Elas são constituídas de uma superfície inclinada com espessura de centenas de metros. As frentes podem ser classificadas em (Occhipinti, 1989):
a) frente fria: é definida como aquela em que o ar frio invade o domínio do ar quente. O ar frio avança em forma de cunha elevando o ar quente. A declividade da superfície frontal junto ao solo é da ordem de 1:10, e a declividade média varia de 1:50 a 1:150. A espessura da superfície central é de centenas de metros. A linha frontal sobre a superfície do solo pode estender-se por centenas de quilômetros. A largura da faixa frontal ativa pode alcançar 500 km;
Figura 3.1 Frente fria. Ar tropical estável (corte vertical) (Occhipinti, 1989)
Figura 3.2 Frente fria. Ar tropical instável (corte vertical) (Occhipinti, 1989)
b) frente quente: é definida como aquela em que o ar quente invade o domínio do ar frio. O ar quente eleva-se sobre o ar frio arrastando consigo a superfície de descontinuidade. A declividade média da superfície frontal é da ordem de 1:100 a 1:300. A espessura da superfície frontal é de alguns quilômetros. A linha frontal sobre a superfície do solo estende-se por centenas de quilômetros e a largura da faixa frontal ativa é da ordem de 300 km;
Figura 3.4 Frente quente. Ar tropical instável (corte vertical) (Occhipinti, 1989) c) frente estacionária: é aquela que não se desloca. Quando o deslocamento é lento ou até
se reverte lentamente, a frente é dita quase estacionária. Este tipo de frente resulta em geral da desaceleração de frentes frias ou quentes;
d) frente oclusa ou oclusão: é a perturbação meteorológica formada no estágio maduro de um ciclone extra tropical, constituída por uma frente fria conectada em uma das extremidades a uma frente quente.
3.3 Caracterização Climatológica
Entende-se por caracterização climatológica de uma bacia hidrográfica, a definição de valores característicos de determinadas variáveis meteorológicas, tais como:
- Radiação solar;
- Insolação; - Temperatura; - Umidade;
- Vento (velocidade e direção); - Precipitação;
- Evaporação/Evapotranspiração.
De modo geral, estes valores característicos compreendem: - médias anuais de longo período;
- médias mensais de longo período; - extremos máximos e mínimos;
- análise de variação ao longo dos anos; - análise da variação intra-ano (dentro do ano).
Na seqüência são apresentadas definições básicas em relação a algumas variáveis meteorológicas.
Radiação Solar
O calor radiante fornecido pelo sol constitui a energia motora para o próprio ciclo hidrológico. A radiação solar é a energia emitida pelo sol sob a forma de ondas eletromagnéticas. A
radiação solar, ao atravessar a atmosfera, interage com a mesma, e parte dessa radiação é espalhada em outras direções, além daquela de incidência.
Levando-se em consideração os efeitos de espalhamento e da absorção pelos constituintes atmosféricos, a radiação solar incidente no topo da atmosfera chega à superfície sob a forma de dois fluxos: fluxo de radiação direta, que atinge diretamente o solo sem interagir com a atmosfera, e fluxo de radiação difusa, que chega ao solo após sofrer o processo de difusão atmosférica, em razão do espalhamento.
Define-se a radiação solar global sobre determinada superfície como a densidade de fluxo de radiação solar sobre tal superfície e é a resultante da soma das componentes de radiação direta e a difusa. Os instrumentos utilizados para a medição são os piranômetros e a unidade de radiação global no Sistemas Internacional é o Watt por metro quadrado (W/m2).
Pressão Atmosférica
A pressão atmosférica em uma determinada superfície horizontal é definida como a força por unidade de área exercida sobre a referida superfície em virtude do peso da atmosfera. A pressão é igual portanto ao peso de uma coluna vertical de ar por unidade de área sobre a superfície em questão, estimada até o limite superior da atmosfera.
Os instrumentos de medição podem ser os barômetros de mercúrio, barômetros aneróides e hipsômetros. A unidade relativa de pressão no Sistema Internacional é o Pascal (Pa) ou o
Newton por metro quadrado (N/m2), mas apresenta-se inconvenientemente pequena para fins
meteorológicos. A unidade empregada para aplicações meterológicas é o hectopascal, definido como igual a 100 pascal, sendo igual a unidade tradicionalmente utilizada, o milibar (mb).
Vento
É o ar em movimento horizontal ou praticamente horizontal, procurando-se diferenciar do movimento vertical das colunas de ar denominados correntes. O vento é gerado pela ação de gradientes de pressão atmosférica, mas sofre influências modificadoras do movimento de rotação da Terra, da força centrífuga ao seu movimento e do atrito com a superfície terrestre. O vento atua no fenômeno da evaporação renovando o ar em contato com as massas de água ou com a vegetação, afastando do local as massas de ar que já tenham grau de umidade elevado.
Os instrumentos mais utilizados para a medição do vento são: catavento tipo Wild, anemômetro de canecas e o anemógrafo universal. A velocidade do vento pode ser expressa em metros por segundo (m/s) ou knots. Utiliza-se, ainda, para a caracterização do vento, a escala Beaufort, como apresentada em WMO (1983), que relaciona a velocidade do vento com os seus efeitos sobre a superfície.
geralmente em alturas de 1,25m a 2,00m acima do nível do terreno.
Os instrumentos utilizados para medir a temperatura são os termômetros e os termógrafos. A temperatura termodinâmica em Kelvin (K) é definida como temperatura básica. O zero absoluto (0 K) é a temperatura na qual as moléculas de qualquer substância não possuem energia cinética.
A temperatura Celsius é usada para a maioria dos propósitos meteorológicos sendo a origem (valor zero) igual ao ponto triplo da água. Um grau Celsius (ºC) corresponde a uma unidade Kelvin e a relação entre as duas escalas á dada por:
T = θ - 273.15
onde: T = temperatura expressa em graus Celsius;
θ = temperatura em unidades Kelvin. Umidade Relativa
A umidade relativa representa uma das maneiras de se expressar o teor de vapor de água no ar. Segundo em Blair e Fite (1964), pode ser definida como sendo a razão entre a quantidade de vapor de água presente no ar e a quantidade de vapor de água necessária para a saturação do ar, sob condições constantes de temperatura e pressão.
Os higrômetros, os higrógrafos e os psicrômetros são os instrumentos que medem a umidade relativa que é expressa em termos de porcentagem.
Precipitação
A precipitação é a principal forma de transferência de água da atmosfera para a superfície terrestre. É a água proveniente do vapor de água da atmosfera depositada na superfície terrestre de qualquer forma como chuva, granizo, orvalho, neblina, neve ou geada. A sua forma mais comum é a chuva que ocorre pela condensação do vapor de água presente na atmosfera. A precipitação é também considerada como um fenômeno meteorológico, sendo geralmente analisada em conjunto com as demais variáveis meteorológicas na caracterização climatológica.
A caracterização da precipitação envolve a determinação de valores mínimos, médios e máximos de precipitação a nível anual e a nível mensal. O principal objetivo é estabelecer a disponibilidade hídrica representada pela precipitação e a sua distribuição temporal ao longo do período observado. É importante também determinar a distribuição da precipitação ao
longo do ano, procurando destacar períodos de baixa pluviosidade (estiagens) e períodos de alta pluviosidade (enchentes). Portanto, a existência de registros de chuva é fundamental para a caracterização da precipitação de uma bacia hidrográfica.
Especificamente no caso de pequenas bacias localizadas em áreas urbanas é importante o estudo de chuvas intensas, caracterizadas por apresentarem pequena duração e grande intensidade, para o projeto dos sistemas de drenagem.
Evaporação, Transpiração e Evapotranspiração
A evaporação é o conjunto dos fenômenos de natureza física que transformam em vapor a água da superfície do solo, dos cursos de água, lagos, reservatórios de acumulação e mares.A transpiração é a evaporação devida à ação fisiológica dos vegetais. As plantas, através de suas raízes, retiram do solo a água para suas atividades vitais. Parte dessa água é cedida à atmosfera, sob a forma de vapor, na superfície das folhas. Esse fenômeno depende do grau de umidade relativa do ar, da temperatura e da velocidade do vento. A luz, o calor e a maior umidade do ar abrem os poros das folhas e influem diretamente sobre a transpiração (Pinto et al., 1976). A natureza do solo, o seu grau de umidade e a posição do nível do lençol freático influenciam a umidade do solo na zona ocupada pelas raízes dos vegetais.
Ao conjunto das duas ações denomina-se evapotranspiração, que constitui-se da soma das perdas por evaporação do solo e transpiração das plantas, que ocorrem em uma superfície com cobertura vegetal.
Em termos de disponibilidade de recursos hídricos, a evapotranspiração representa uma “retirada” de água da bacia hidrográfica, diminuindo o volume disponível para o escoamento superficial e, portanto, reduzindo a disponibilidade hídrica de uma bacia hidrográfica. A sua caracterização tem como principal objetivo estabelecer como a evapotranspiração varia em termos médios ao longo do ano, procurando estimar a evapotranspiração média anual e a evapotranspiração média mensal.
Existem três tipos de evapotranspiração: a) Evapotranspiração potencial; b) Evapotranspiração real;
c) Evapotranspiração máxima.
A evapotranspiração potencial, segundo em Tucci (1993), representa a quantidade de água transferida para a atmosfera por evaporação e transpiração, na unidade de tempo, de uma superfície extensa completamente coberta de vegetação de porte baixo e bem suprida de água. A evapotranspiração real, também segundo em Tucci (1993), representa a quantidade de água transferida para a atmosfera por evaporação e transpiração, nas condições reais (existentes) de fatores atmosféricos e umidade do solo. A evapotranspiração real é igual ou menor que a evapotranspiração potencial.
b) No Brasil:
- CPTEC - Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos; - INMET - Instituto Nacional de Meteorologia;
- INPE – Instituto de Pesquisas Espaciais;
- IPMET - Instituto de Pesquisas Meteorológicas;
- MMA - Ministério do Meio Ambiente, dos Recursos Hídricos e da Amazônia Legal; - SBMET - Sociedade Brasileira de Meteorologia;
c) No Paraná:
- IAPAR – Fundação Instituto Agronômico do Paraná;
- SIMEPAR – Sistema Meteorológico do Paraná;
- SEMA - Secretaria Estadual do Meio Ambiente;
- SUDERHSA – Superintendência do Desenvolvimento dos Recursos Hídricos e Meio
Ambiente.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Blair, T.A.; Fite, R.C. Meteorologia. 4 ed. Rio de Janeiro: Aliança para o Progresso, 1964. Monteiro, C. A. de F. Clima: região sul. Rio de Janeiro: IBGE, vol. 04, Tomo I, 1968. Occhipinti, A. G. Hidrometeorologia. In: Ramos, F. et al. Engenharia hidrológica. 1.ed. Rio
de Janeiro: Editora da UFRJ, 1989, p. 19-141. (Coleção ABRH de Recursos Hídricos; v.2). Pinto, N. L. de S. et al. Hidrologia básica. 1.ed. São Paulo: Edgard Blücher, 1976.
Raudkivi, A. J. Hidrology. Oxford: Pergamon, 1979.
Silveira, A. L. L. da. Ciclo hidrológico e bacia hidrográfica. In: TUCCI, C. E. M. Hidrologia: ciência e aplicação. 1.ed. Porto Alegre: Editora da Universidade de São Paulo, 1993, p. 34-51. (Coleção ABRH de Recursos Hídricos; v.3).
3.
Tucci, C. E. M. Hidrologia: ciência e aplicação. 1.ed. Porto Alegre: Editora da Universidade de São Paulo, 1993. (Coleção ABRH de Recursos Hídricos; v.3).
World Meteorological Organization. Guide to meteorological instruments and methods of
