Capítulo 6
Precipitação
Precipitação
1. Distribuição de tamanho de gotas
-DSD
• A precipitação poder ter sido iniciada através do processo de coleta seguida de
coalescência, acreção ou agregação ou pela simples formação de cristais de gelo.
• A medida que os hidrometeoros atingem
tamanhos precipitáveis, eles crescem a partir da coleta de gotículas de nuvens
(coalescência/acreção), cristais de gelo
• Dessa maneira, dependendo do processo
dominante teremos gotas de chuva, flocos de neve ou mesmo granizo como hidrometeoros precipitantes.
• Por exemplo, a coalescência é predominante em
• Por exemplo, a coalescência é predominante em nuvens quentes com altos valores de LWC
• Em tempestades de neve, que são nuvens frias,
temos o predomínio da agregação.
• Já em nuvens mistas, podemos ter os 3 processos.
• No globo temos que grande parte do volume precipitante se deve à chuva e para
caracteriza-la utiliza-se a Taxa de Precipitação (R).
• A taxa de precipitação por sua vez pode ser descrita em função da DSD que expressa a distribuição do número de gotas por volume por intervalo de classe de diâmetro – N(D).
{
}
b n m aR D D N D N = Λ Λ − = exp , ) ( 0• A taxa de precipitação por sua vez pode ser descrita em função da DSD que expressa a distribuição do número de gotas por volume por intervalo de classe de diâmetro – N(D).
{
}
b n m aR D D N D N = Λ Λ − = exp , ) ( 0• A taxa de precipitação por sua vez pode ser descrita em função da DSD que expressa a distribuição do número de gotas por volume por intervalo de classe de diâmetro – N(D).
{
}
b n m aR D D N D N = Λ Λ − = exp , ) ( 0• De uma forma geral, independente da região de observação, a concentração de gotas
diminui com o aumento do tamanho (diâmetro).
Para caracterizar a DSD utilizamos sensores que contam o número de
gotas (disdrômetros) em uma área de 50 cm2 a
partir da vibração
causada pelo impacto causada pelo impacto (JOSS) ou mesmo pelo espalhamento da luz ou sombra (Parsivel e ou Thiess).
• As 1o medidas de DSD foram feitas em Otawa (Canadá) durante o verão Canadense pelos
pesquisadores Marshall e Palmer (1948). Neste estudo, eles parametrizaram as precipitações naquela região e descobriram que elas podiam
ser descritas por uma função do tipo exponencial.
{
D
}
N
D
N
(
)
=
exp
−
Λ
Onde N(D) representa a concentração de gotas por m3, N0 o coeficiente linear (0,08 cm-4) e Λ o
coeficiente angular (Λ = 41R-0,21) que depende de R (taxa de precipitação em mm/h)
{
D
}
N
D
• Por outro lado, podemos lembrar que a taxa de precipitação pode ser expressa como:
(
)
∫
∞−
=
3)
(
)
(
D
D
V
D
W
dD
N
R
π
Onde VT(D) representa velocidade terminal de queda dos hidrometeoros e W a velocidade vertical. Na superfície W = 0.
(
)
∫
−
=
0 3)
(
)
(
6
N
D
D
V
D
W
dD
R
π
TN
0Λ
{
D
}
N
D
N
(
)
=
0exp
−
Λ
Além disso, temos também a distribuição Gama N(D) = N0 Dµ e-λD Forma
γ
Escala γ λ µ De
D
N
D
N
(
)
=
0Ou a distribuição gama generalizada:
Deirmenjian, D.: Electromagnetic
scattering on spherical polidispersions. Elsevier, New York (1969)
O modelos de distribuições de gota de chuva (RDSD) mais aplicados são:
•Exponential: N(D)=N0exp(-3.67D/D0)
Marshall-Palmer (1948), Laws-Parsons (1943), Best (1950)
• Log-Normal:
Feingold and Levin (1986)
• Gamma: N(D)=N0Dµexp[-(3.67+µ)D/D0]
Deirmendjian (1969), Willis (1984), Ulbrich (1983)
[
]
[
]
∫
∫
∞ ∞ = = 0 3 3 0 6 3 6 ) ( 6 / ) ( / dD D D N m g LWC dD D D N m mm Z L ρ π2. Rompimento das gotas
• A ruptura das gotas de chuva implica no
aparecimento de DSD exponenciais, uma vez que a quebra é dependente do tamanho.
• A medida que a gota cresce, aumenta a
• A medida que a gota cresce, aumenta a chance de rompimento/quebras.
• Este efeito decorre da circulação
aerodinâmica induzida na gota de chuva após esta atingir diâmetros maiores que 3 mm.
• Basicamente a tensão superficial da gota (σ) não é suficiente para segurar as moléculas de água.
• Portanto, a medida que os diâmetros são
• Portanto, a medida que os diâmetros são maiores, as gotas se tornam instáveis e se quebram a parte.
• O processo de rompimento depende da colisão das partículas, do tamanho, da
velocidade relativa e do ponto de impacto, pois isso pode levar à coalescência ou ao pois isso pode levar à coalescência ou ao rebatimenteo ou mesmo rompimento das gotas.
• Consequentemente, estes processos podem levar ao aparecimento de certas modas.
• Rompimento do filamento é causado por colisões inclinadas que possibilitam a criação de novas gotas a partir da
• Rompinento da folha: Após a colisão, a gota maior
desaparece pois a medida que ela gira em torno do ponto de impacto, ela cria várias gotas menores
• Disco: ocorre quando o
impacto acontece no meio da gota coletora, que gera uma uma coalescência temporária seguida de rompimento de várias gotículas pequenas
3. Equilíbrio
• Após um certo intervalo de tempo, em geral associado ao volume de chuva, a DSD atinge um equilíbrio e a forma da DSD se estabiliza e não muda muito a sua forma e tende a se
não muda muito a sua forma e tende a se aproximar de uma distribuição exponencial.
Neste processo de
equilíbrio, gotas grandes consomem as pequenas, e depois de um tempo elas se rompem a parte e logo aumentam a
concentração de gotas pequenas e diminuem a concentração das gotas
LWC CTE para cada DSD Antes e depois do equilíbrio
concentração das gotas maiores
4. DSD de flocos de neve
• Flocos de neve representam o maior volume de precipitação sólida, e como tem formas
irregulares de agregados e de cristais de neve fica difícil fazer uma medida de seu tamanho. fica difícil fazer uma medida de seu tamanho.
• Portanto, as medidas da concentração de flocos de neve é feita a partir da massa ou diâmetro de um gota formada a partir do derretimento do floco de neve.
5. Granizo e graupel
• Granizo esta associado ao processo de
acreção, ou seja, coleta de gotículas de água super-resfriada pelos cristais de gelo
(formados por sublimação ou congelamento) (formados por sublimação ou congelamento)
Ajuste exponencial CHUVA Granizo cm Granizo cm
6. Classificações:
Chuva Estratiforme e
Chuva Convectiva
• Estratiforme – generalizada e uniforme;
precipitação contínua associada à ascenção de movimentos de larga escala produzidos por
sistemas frontais, topografia ou mesmo sistemas frontais, topografia ou mesmo
convergência horizontal de grande escala.
• Nimbostratus e Cumulus em dissipação.
• Agregação e difusão de vapor.
• Convectiva – Localizada, pancadas de chuva, precipitação associada a convecção de
cumulus em atmosfera instável.
• Cg, Cb
• Cg, Cb
• Coalescência e Acreção
Outra visão para a Classificação Convectiva e Estratiforme
De acordo com a definição padrão (Houze, 1993), temos que ter medidas simultâneas de velocidade
vertical e velocidade terminal dos hidrometeoros para poder fazer a classificação de precipitação como sendo Convectiva ou Estratiforme.
Waldvolgel (1974) propôs um método baseado na variação do N0 (parâmetro linear/interceptador) a partir de um ajuste da função exponencial
(N(D) = N0 exp (- ΛD). Valores baixos de N0 estavam associados ao aparecimento da banda brilhante (neve derretendo)(BB), logo precipitação estratiforme. Variações repentinas de N0 estavam associados ao desaparecimento da BB, logo precipitação convectiva, ou mesmo pequenas alterações de N0 também.
Esta classificação não era muito valida para precipitações nos Trópicos e de acordo com Tokay e Short (1996) esta classificação é sucetível à variações de Λ e R.
Classificação Convectiva e Estratiforme 10 100 Stratiform Z=276 R^1.49 Convective Z=147R^1.55 R [ m m /h r] TRMM Z-R Zcv < Zst
Em nuvens Maritimas Convectiva :
Mais Coalescencia Chuva D0 < D0e R(Z) Menor Menor evaporação D0 menor R(Z) Menor
Em nuvem estratiforme :
Agregação de gelo D0 maior R(Z) maior
Maior evaporação D0 maior R(Z) maior .
1 20 25 30 35 40 45 50 Reflectivity [dBZ] Do é Do é diâmetro diâmetro com 50% com 50% de LWC de LWC
7. Processos que modificam o
desenvolvimento das distribuição de
tamanho de gotas de chuva RDSD – Rain
DSD
A modificação da DSD somente pelo processo de
colisão/coalescência implica em:
• diminuição da concentração de gotas pequenas
• aumento da gotas grandes
Coalescência
• aumento da gotas grandes
Isto implica que:
• D0 deve aumentar
• Número total de gotas NT deve
diminuir.
Do
Do
Rompimento
A modificação da DSD somente pelo processo de ruptura implica em:
• aumento do número de gotas pequenas
• diminuição das gotas grandes. • diminuição das gotas grandes.
Portanto, deve haver
• decréscimo de D0
• aumento da NT.
• Logo, N0 deve aumentar.
Do
Do
A quebra é mais importante para tamanhos maiores, enquanto que colisão/coalescência é mais
importante para gotas menores.
Uma vez que a acreção de gotas de nuvem pelas gotas de chuva age no sentido de aumentar o tamanho de todas as partículas sem aumentar o número delas
Acreção
número delas
NT não deve mudar.
Entretanto deve existir um desvio da distribuição para tamanhos
maiores, logo:
• aumento de D0
• Como NT é constante, N0 deve
aumentar.
Do
Do
A evaporação reduz em maior grau o número de gotículas pequenas do que as grandes.
• Consequentemente NT diminui.
Evaporação
Também temos uma alteração na DSD implicando:
• aumento de µ e D0
A presença da corrente ascendente é o de eliminar as partículas
pequenas da DSD nos níveis mais baixos.
Corrente Ascendente
baixos.
Logo este efeito é similar ao da evaporação.
Com a corrente descendente, temos um aumento do fluxo de pequenas partículas.
• diminuição de µ implica em
Λ
Corrente Descendente
aumento de ∞ Λ
Nesta linha temos
• Aumento de NT
Separação por tamanho:
• DSD fica mais estreita • aumento substancial de µ.
• NT deve diminuir.
Seleção de tamanho
• NT deve diminuir.
D0 pode aumentar ou diminuir e depende da parte da precipitação que estamos observando.
Do
Do
Impacto da DSD de nuvem na evolução da RDSD DSD Nuvens Maritimas
Coalescência/gotas de nuvem garoa Coalescência/garoa gotas de chuva Mais coalescência gotas grandes
Quebra/ruptura e DSD de equilíbrio
•Se aproxima de D0e por baixo
•DSD Nuvens continentais
Acreção de gotas de nuvem graupel granizo gotas grandes quebra DSD de equilíbrio
Se aproxima de D0e por cima
Do
Do
Do
Do
Do
Do
Do
Do
0.1 1 10 100 1000 Florida Cont Florida Mar LBA C ont LBA Mar India C ont India Mar Kwaj Mar N [ m m m -3 \ m m h r -1 ]
Medidas de Disdrometro durante diversas campanhas do TRMM
0.01 0.1 0 1 2 3 4 5 6 N [ m m m D [m m ]
