APLICAÇÃO DOS DADOS OBTIDOS POR SODAR NO ESTUDO DE POLUIÇÃO ATMOSFÉRICA NA REGIÃO METROPOLITANA DE SÃO PAULO

APLICAÇÃO DOS DADOS OBTIDOS POR SODAR NO ESTUDO DE POLUIÇÃO ATMOSFÉRICA NA REGIÃO METROPOLITANA DE SÃO PAULO

Rita Yuri Ynoue, K. Narayanan Nair, Maria de Fátima Andrade e Odón R. Sánchez-Ccoyllo Instituto Astronômico e Geofísico – Universidade de São Paulo

Rua do Matão, 1226, São Paulo – SP, CEP: 05508-900 e-mail: ryuynoue@model.iag.usp.br

ABSTRACT

In this paper, the impact of micrometeorological processes to atmospheric pollution for the urban boundary layer over the Metropolitan Area of São Paulo, Brazil, is discussed. This study is based on meteorological and air quality data collected during the winter campaign of July-August, 1999; with particular attention given to meteorological data obtained by a Doppler SODAR. It was seen that when the kinetic turbulent energy reached high values, the concentration of CO was low. On the other hand, when the kinetic turbulent energy was lower, the inversion height and local emissions had higher influence on the concentration of CO.

1. INTRODUÇÃO

A atmosfera da Região Metropolitana de São Paulo recebe milhares de toneladas de poluentes diariamente, resultando numa atmosfera com concentrações de gases e partículas bem acima de valores de áreas não contaminadas. A qualidade do ar em termos dos padrões da legislação, no entanto, vai depender basicamente das condições meteorológicas. De fato, dada uma distribuição das fontes da poluição do ar, a concentração dos poluentes na Camada Limite Planetária (CLP) varia basicamente em função da profundidade desta camada, de sua estabilidade, da topografia, da intensidade da turbulência (tanto mecânica quanto térmica) e do campo do vento predominante. Assim, o conhecimento destes parâmetros em toda a região entre as fontes e as áreas receptoras torna-se essencial para se determinar a qualidade do ar. Os episódios críticos de poluição do ar são mais comuns no inverno, quando a Região Metropolitana de São Paulo se encontra sob o domínio de um sistema de alta pressão, causando inversões térmicas próximas à superfície e ventos calmos por vários dias consecutivos. Com o intuito de se estudar a interação entre poluição e meteorologia, está em andamento o projeto temático: Meteorologia e poluição do ar em São Paulo, com recursos da FAPESP, que conta com a participação de vários institutos da Universidade de São Paulo. Este presente estudo se concentra na análise dos dados meteorológicos e de qualidade do ar obtidos durante a primeira campanha experimental deste projeto, que se deu entre julho e agosto de 1999, enfocando a utilização do SODAR como poderosa ferramenta nos estudos de poluição atmosférica.

2. DADOS EXPERIMENTAIS

A Região Metropolitana de São Paulo esteve sob o domínio de um sistema de alta pressão entre os dias 10 e 13 de agosto de 1999, provocando altas concentrações de poluentes nesses dias. Uma frente fria chegou no dia 13, causando muita nebulosidade, pouca precipitação, mas intensificando os ventos, que aumentaram a dispersão dos poluentes. Desta forma, para este estudo foi selecionado o período entre 10 e 15 de agosto de 1999, utilizando os dados gerados pelo SODAR Doppler e pela estação meteorológica automática localizados no prédio do IAG na Cidade Universitária (IAG-CUASO) em São Paulo (latitude: 23033’31 “, longitude:46043’59”) e os dados de qualidade do ar fornecidos pela CETESB (Companhia de Tecnologia Ambiental de São Paulo).

2.1. Dados Meteorológicos

verticalmente a partir de uma antena, que consiste de 196 transdutores cerâmicos piezoelétricos distribuídos uniformemente num quadrado de 1,4m x 1,4m. As diferenças nos índices de refração resultantes das flutuações de temperatura, vento e umidade do volume sondado causam o espalhamento da energia acústica emitida. A energia retroespalhada é recebida pela mesma antena transmissora e a intensidade desta energia é proporcional à função estrutura de temperatura, CT2, que é uma medida da intensidade da turbulência térmica. O SODAR gera eletronicamente cinco feixes: um ao longo da vertical e quatro inclinados de 30o nas direções norte, leste, sul e oeste (Freitas et al., 1999 e Nair et al., 1999). Usando uma transformação de coordenadas, o SODAR fornece a cada 15 minutos e a cada 50m, de 50m a 1500m acima da superfície:

• a velocidade (U) e a direção (φ) do vento horizontal;

• o desvio padrão da direção do vento horizontal (σφ);

• o vento vertical (W);

• os desvios padrão das velocidades do vento: σu, σv e σw;

• a altura da inversão térmica ou da altura da camada de mistura (zi) e

• estabilidade da CLP.

A Figura 1 mostra a distribuição vertical e temporal da função estrutura de temperatura obtida pelo SODAR com uma freqüência de 15 minutos. Nesta figura observam-se algumas plumas convectivas durante o período diurno dos dias 10, 11 e 12, quando o estado de São Paulo se encontrava sob o domínio de um sistema de alta pressão. A entrada da frente fria, na tarde do dia 13, provoca grandes perturbações na atmosfera, intensificando o CT2 em toda a extensão vertical medida pelo SODAR. A estabilidade da massa de ar polar que invade a região metropolitana de São Paulo nos dias seguintes, também é claramente notada pelos baixos valores de CT2.

A Figura 2 mostra a evolução temporal do perfil vertical do vento horizontal (mostrado na forma vetorial) e do vento vertical (regiões coloridas, com movimento ascendente em cores quentes e movimento descendente em cores frias) obtidas pelo SODAR. Nota-se o domínio do sistema de alta pressão, com ventos fracos nos primeiros dias e a bem marcada entrada da frente fria às 1800HL do dia 13 de agosto de 1999, com a mudança dos ventos, observando-se nos níveis mais próximos à superfície a mudança na sua direção de noroeste para sudoeste. Há uma intensificação na velocidade horizontal do vento, principalmente acima da camada limite superficial. Observa-se também que há predominância do movimento descendente, identificado em tons verdes, exceto próximo à superfície e na passagem da frente fria (cor amarela), estando de acordo com a subsidência associada a sistemas de alta pressão.

Confirmando as observações dadas pelo SODAR, os dados de superfície medidos pela estação meteorológica automática também instalada no prédio do IAG-CUASO são mostrados na Figura 3. O sistema de alta pressão é caracterizado pelos ciclos diurnos de temperatura e umidade relativa com grandes amplitudes. As temperaturas mínimas ocorrem aproximadamente entre 6 e 7 horas da manhã, com o nascer do sol, e as máximas entre as 3 e 4 horas da tarde. As temperaturas mínimas aumentam entre os dias 10 e 13, o mesmo acontecendo com as temperaturas máximas. A frente fria é marcada pelo súbito aumento da umidade relativa e pela queda abrupta da temperatura e a massa de ar polar que a segue esfria bastante a atmosfera sobre São Paulo.

Pelos dados obtidos pelo SODAR, pode-se calcular também a energia cinética turbulenta, mostrada na Figura 4, obtida da seguinte forma:

(

)

2

1

ECT

=

σ

+

σ

+

σ

Foram selecionados dois níveis: um dentro da camada limite superficial (50m) e outro dentro da camada de mistura (300m). Na camada limite superficial, nota-se que a energia cinética turbulenta é modulada pela turbulência térmica durante o período diurno nos dias 10, 11 e 12. Há este mesmo tipo de modulação na camada de mistura, porém com amplitude menor e ligeiramente atrasada em relação ao da camada limite superficial. A entrada da frente fria aumenta a energia cinética turbulenta das duas camadas e ao se analisar a Figura 5, que mostra o cisalhamento do vento entre os níveis de 50 e 100m obtido pela equação (2), observa-se que boa parte deste aumento é devido à turbulência mecânica.

2 2













∂

∂

+













∂

∂

=

z

v

z

u

S

Figura 1 – Distribuição vertical e temporal da função estrutura de temperatura (CT2, em unidades arbitrárias) entre os dias 10 (0000HL) e 16 (0000HL) de agosto de 1999.

0 5 10 15 20 25 30 10/08/99 00:00 6:00 12:00 18:00 11/08/99 00:00 6:00 12:00 18:00 12/08/99 00:00 6:00 12:00 18:00 13/08/99 00:00 6:00 12:00 18:00 14/08/99 0:00 6:00 12:00 18:00 15/08/99 00:00 6:00 12:00 18:00 16/08/99 00:00 Temperatura (C) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Umidade relativa (%) temp Hum

Figura 3 – Evolução temporal da temperatura (em oC) e da umidade relativa (em %) medidas pela estação automática

localizada no prédio do Instituto Astronômico e Geofísico na Cidade Universitária

A Figura 6 mostra a evolução da média horária da altura da inversão térmica obtida pelo SODAR. Nos dias que antecedem a entrada da frente nota-se o desenvolvimento da camada limite planetária durante o dia, havendo uma grande variação temporal de sua altura; observa-se também a queda abrupta da altura da inversão com o pôr do sol e, após isso, a evolução da camada limite noturna. A frente fria traz um ar mais frio e causa grande nebulosidade, fazendo com que não haja uma variação tão grande da altura de inversão e que esta também não atinja valores tão altos. Apesar da grande variação horária da altura da inversão, pode-se notar que, em geral, as menores alturas ocorrem entre o anoitecer e o amanhecer e as maiores alturas, durante o dia.

2.2. Dados de qualidade do ar

Para se estudar a influência dos parâmetros micrometeorológicos medidos pelo SODAR nos dados de qualidade do ar, foi escolhido o poluente monóxido de carbono (CO), o qual, entre os gases rotineiramente medidos é o que apresenta o maior tempo de residência, podendo ser considerado o mais inerte, e pela sua maior disponibilidade, em termos de dados medidos, em relação aos outros poluentes. O CO é medido em várias estações da CETESB, dentre estas foram escolhidas as estações de Cerqueira César, Centro, Congonhas, Ibirapuera e Lapa. A Figura 7 mostra a evolução temporal da concentração de CO, em ppm, para estas estações.

Observa-se que as concentrações são influenciadas pelas emissões locais, com picos próximos aos horários de maior tráfego: um de manhã e outro ao anoitecer. Estes picos também estão associados à menor altura da inversão térmica, mostrada na Figura 6. Nos dias sob o domínio do sistema de alta pressão nota-se que as menores concentrações ocorrem durante o dia, aproximadamente entre 1200HL e 1500HL. A Figura 4, mostra que a energia cinética turbulenta na camada limite superficial (50m) atinge seu valor máximo próximo deste horário, aumentando a eficiência de diluição e mistura dos poluentes. Nos outros horários, quando a energia cinética turbulenta é menor, a variação da altura da inversão térmica tem maior influência na variação das concentrações de CO. As concentrações máximas atingidas vão aumentando nestes primeiros dias, com exceção da concentração medida na estação do Centro, que teve a maior concentração no dia 10 de agosto. É interessante notar também que, no dia 11, todas as estações mostram um pico na concentração do CO perto das 1500HL; pequeno nas estações Ibirapuera, Cerqueira César e Congonhas, mas significativo nas estações Centro e Lapa. A Figura 8 mostra o deslocamento de uma parcela de ar entre o dia 10 de agosto de 1999, quando se encontrava a aproximadamente 1200m acima da superfície de Sorocaba, e 11 de agosto de 1999 às 1500HL, quando penetra na camada limite da cidade de São Paulo. A análise de trajetórias, cuja metodologia é descrita em Sánchez-Ccoyllo et al., 2000, mostra que esse

região do ABC ou mesmo de Cubatão. A maior energia cinética turbulenta, neste caso, ajudaria a espalhar de uma maneira eficaz este CO adicional entre todas as estações.

A entrada de uma massa de ar mais limpa é claramente percebida, podendo-se dividir o período de estudo em dois distintos: o primeiro, entre os dias 10 e 13 de agosto de 1999, bastante poluído, e o segundo, entre 13 e 15 de agosto de 1999, com níveis de CO bastante baixos. Outro fator que deve ser observado é a menor emissão durante os dias 14 e 15, sábado e domingo.

0.01 0.1 1 10 100 10 11 12 13 14 15 ECT (m2/s2) 5 0 m 3 0 0 m

Figura 4 – Evolução temporal da energia cinética turbulenta (m2s-1) nos níveis de 50 e 300m.

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 10 11 12 13 14 15 cisalhamento (m/s)

Figura 5 – Cisalhamento do vento (ms-1) em 75m

3. Conclusão

Este trabalho consistiu de uma análise dos dados obtidos pelo SODAR adquirido pelo IAG-USP durante a primeira campanha experimental do projeto temático: Meteorologia e Poluição do Ar em São Paulo financiado pela FAPESP, ocorrido durante o inverno de 1999. Estes dados foram comparados com os dados de concentração de monóxido de carbono (CO) coletados pela CETESB. Notou-se que, valores altos de energia cinética turbulenta dentro da camada limite superficial estão associados, em geral, a valores baixos de concentração de CO. Para valores baixos de energia cinética turbulenta em 50m, a concentração de CO tinha uma maior dependência da altura

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 10 11 12 13 14 15

Figura 6- Evolução temporal da altura da inversão térmica (m)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

10/ago 11/ago 12/ago 13/ago 14/ago 15/ago 16/ago

[CO] (ppm)

Ccésar Centro Congonhas Ibirapuera Lapa

Figura 7 – Evolução temporal da concentração de CO (ppm) nas estações de monitoramento da CETESB em Cerqueira César, Centro, Congonhas, Ibirapuera e Lapa.

Figura 8- . Trajetória de chegada na estação Centro (São Paulo) a 200 m acima da superfície no dia 11/08/99 às 1500HL. A escala vertical à direita indica a altura da parcela, em m, acima do nível do mar.

Agradecimentos

Os autores agradecem à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo – FAPESP pelo financiamento do projeto temático: Meteorologia e Poluição do Ar em São Paulo, processo número 96/01403-4, à CETESB e ao IAG.

Referências Bibliográficas

Freitas, E.D., M.A.F. Silva Dias, K. Narayanan Nair and P.L. Silva Dias, 1999: ‘Using of Dopler SODAR in Atmospheric Measurements’. Workshop on Physics of the PBL and Dispersion Processes Modeling, Santa Maria (RS), Brazil (to appear in Hybrid Methods in Engineering, Begel House Inc., Brazil, 2000).

Nair, K.N., E.D. Freitas, O.R.C. Sánchez, M.A.F. Silva Dias and M.F. Andrade, 1999: ‘Variability of Boundary Layer Processes for the Metropolitan Area of São Paulo during Winter’. Workshop on Physics of the PBL and Dispersion Processes Modeling, Santa Maria (RS), Brazil (to appear in Hybrid Methods in Engineering, Begel House Inc., Brazil, 2000).

Sánchez_Ccoyllo, O.R; Silva Dias, P.L; Andrade, M.F. (2000). O transporte de poluentes emitidos em Cubatão para a Região Metropolitana de São Paulo: Estudo de caso de agosto de 1999. Submetido para XI Congresso Brasileiro de Meteorologia.