PROJETO CHUVA
Processos de Nuvens Associados aos principais
Sistemas Precipitantes no Brasil: Uma contribuição a
Modelagem da Escala de Nuvens e ao GPM (Medida
Global de Precipitação)
Cloud processes of tHe main precipitation systems in
Brazil: A contribUtion to cloud resolVing modeling and
to the GPM (GlobAl Precipitation Measurement)
Pesquisador responsável: Luiz Augusto Toledo Machado - CPTEC/INPE Pesquisadores Principais:
Carlos Augusto Morales - IAG/USP Carlos Frederico Angelis - CPTEC/INPE
Gilberto Fernando Fisch - DCTA/IAE Maria Assunção da Silva Dias - USP/IAG
Projeto Temático FAPESP - 2009/15235-8
Relatório Parcial #1 - Agosto 2010-2011
Resumo do Projeto
O processo físico no interior das nuvens é um dos componentes mais desconhecidos do sistema climático. A descrição desses processos através de parâmetros meteorológicos convencionais ainda precisa ser bastante aprofundada de forma que modelos de previsão de tempo e clima consigam descrever, com precisão, o tipo e as características dos hidrometeoros, os perfis de liberação de calor latente, o balanço radiativo, o entranhamento de ar na nuvem e as correntes ascendentes e descentes. Os modelos numéricos estão se aprimorando e rodando em resoluções espaciais nas quais esses processos precisam ser explicitamente descritos. Por exemplo, a análise dos efeitos do aquecimento global em uma dada região necessita de simulações descrevendo todos esses processos. Outra aplicação importante que necessita conhecer os processos das nuvens é a estimativa de precipitação por satélite. O programa espacial brasileiro tem planejado o lançamento em 2015 de um satélite para inferência da precipitação - esse satélite fará parte da constelação do GPM (Global Precipitation Measurement). Nuvens quentes, responsáveis por grande parte da precipitação nos trópicos, principalmente nas regiões costeiras, são pouco estudadas e não são consideradas nas estimativas de precipitação por satélite. Este Projeto realizará experimentos de campo em sete sítios com diferentes padrões climáticos, para estudar os regimes de precipitação no Brasil. Esses experimentos utilizarão radar polarimétrico, lidar, radiômetro de microonda, disdrômetros, radiosondas e vários outros instrumentos. As análises serão realizadas considerando as características microfísicas e a evolução com o ciclo de vida, os modelos de estimativa de precipitação, o desenvolvimento da tempestade e a formação de descargas elétricas, os processos na camada limite e a modelagem da microfísica. Este projeto tem o objetivo de reduzir as incertezas na estimativa da precipitação e progredir no conhecimento dos processos das nuvens, principalmente das nuvens quentes. A pesquisa a ser realizada abrangerá estudos de clima e os processos físicos por meio de observações convencionais e especiais para criar um banco de dados descrevendo os processos de nuvens dos principais sistemas de precipitação no Brasil. O Projeto pretende criar e explorar essa base de dados para melhorar a estimativa de precipitação por satélites e validar e estudar as parametrizações da microfísica das nuvens.
Conteúdo
1) O Projeto CHUVA no ano 2010-2011 3
1.1) Descrição das Atividades 3
1.2) Descrição e avaliação dos apoios Institucionais 9
2) Discussão sobre as atividades 2011-2014. 9
3) Descrição dos trabalhos e perspectivas dos Working Grupos 12 4) Trabalhos apresentados, publicados ou em preparação e lista de alunos envolvidos com o
Projeto.
41 5) Descrição da aplicação dos recursos de Reserva Técnica e Benefícios Complementares 49 6) Solicitação e Justificativa de Aditivos, Mudanças no calendário e dos locais dos
experimentos
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ANEXOS:
ANEXO 1 Artigo Publicado: Understanding three‐dimensional effects in polarized observations with the ground‐based ADMIRARI radiometer during the CHUVA campaign.
ANEXO 2 Os cursos realizados nos experimentos
ANEXO 3 Sistema de Observação de Tempo Severo (SOS) - Projeto piloto de previsão imediata.
ANEXO 4 Artigo Publicado: A dense GNSS meteorological network for observing deep convection in the Amazon
ANEXO 5 O Portal do Projeto Chuva
ANEXO 6 Monografia Lato Sensu: Sistema WEB de pedidos: CHUVA Project.
ANEXO 7 Artigo: Observations of tropical rain with a polarimetric X-band radar: First results from the CHUVA campaign. Artigo em fase de submissão.
ANEXO 8 Abstract Radar Conference: Overview and first results from the CHUVA project
ANEXO 9 Artigo Publicado: Radiometric estimation of water vapor content over Brazil
ANEXO 10 Estrato do Relatório anual do INCT- Cenários Climáticos Futuros e Redução de Incertezas 2009-2010.
ANEXO 11 Projeto: IGRA2014 (Intensive Ground-Based Research in Amazonia 2014) ANEXO 12 Minutes of the CHUVA - GLM meeting 08/08/2011.
ANEXO 13 Lista dos locais dos instrumentos do CHUVA-GLM
ANEXO 14 Artigo CBMET 2010: The São Paulo Lightining Mapping Array: Propects for GOES-R GLM and CHUVA
ANEXO 15 Abstract AGU 2011: The CHUVA Lightning Mapping Campaign ANEXO 16 Descrição dos Experimentos - Alcântara, Fortaleza e Belém.
ANEXO 17 Relatório de Bolsa - Characteristics of the vertical profiles of rainfall: radar data exploitation.
ANEXO 18 Relatório de trabalho - Metodologia de Análise da Convecção Resolvida
pelo Met Office Unified Model
ANEXO 19 Relatório de trabalho - A influência dos aerossóis de queimadas na precipitação sobre a Amazônia.
ANEXO 20 Relatório técnico do INPE: Avaliação de diferentes métodos de estimativa de precipitação.
1) O Projeto CHUVA no ano 2010-2011.
1.1) Descrição das Atividades
O Projeto consiste em 7 campanhas em diferentes regiões do país que permitirão definir as características microfísicas dos principais regimes de precipitação do país e conseqüentemente melhorar a estimativa de precipitação por satélite e radar, a modelagem em alta resolução espacial e aprimorar o entendimento dos processos físicos envolvidos na formação e no ciclo de vida das e nuvem e da precipitação.
Para tanto, foram previstos campanhas em diferentes regiões do país, a aquisição de equipamentos, a montagem de grupos de pesquisas em modelagem, experimental e sensoriamento remoto para desenvolver pesquisa nas áreas de microfísica de nuvens, uso e tratamento de dados de radar, sensoriamento remoto em microondas, modelagem explicita dos processo físicos das nuvens, interação entre aerossóis e precipitação, processo na camada limite e a formação da precipitação e estimativa de precipitação por satélite. Essas áreas, bem como grande parte da instrumentação utilizada, são recentes e portanto existem poucos especialistas no mundo e principalmente no Brasil. O Projeto visa também criar capacitação de recursos humanos nestes novos tópicos da ciência através, dos trabalhos científicos, uso dos equipamentos, da vinda de pesquisadores especialistas e dos cursos que estão sendo realizados nos locais dos experimentos meteorológicos.
O passo inicial do projeto foi a aquisição dos novos instrumentos que não são, normalmente, obtidos em prateleiras e a aquisição passa por toda uma especificação detalhada e interação com os fabricantes. A principal aquisição do Projeto foi ao radar 50DX da GematroniK-Selex, Banda X de dupla polarização. Esse radar tem um custo de 600.000,00 euros o que inviabiliza a aquisição fase os recursos disponíveis. Logo, foi feita uma negociação de contratar um leasing do radar por dois anos ao custo de 136.000,00 euros. Esse é um dos mais modernos radares meteorológicos e os resultados preliminares são muito satisfatórios. A oficialização do leasing, a importação, a solução dos problemas de administrativos no porto e transporte do radar demandaram grandes esforços. Hoje após viajar pelas nossas estradas de Santos para São José dos Campos, Fortaleza, Belém e Cachoeira Paulista podemos considerar que o mesmo é muito resistente e manteve as calibrações e operação sem grandes problemas. Os problemas com transporte foram demasiadamente custosos, devido a altura do radar foram necessários procedimentos especiais de transporte tomando muito tempo na solução dos problemas, nas viagens com um custo altíssimo que somente foi possível graças a contribuição do INPE e de outros projetos. Contudo, hoje o problema está equacionado e estamos projetando um carreta especial para
Lançamento de Alcântara-CLA (MA) que já dispõe de um radar operacional Banda X de dupla polarização. Alcântara foi escolhida pela facilidade logística do CLA, mas também porque grande parte da precipitação na região está relacionada à formação de nuvens quentes, isto é, nuvens sem a formação de gelo. Esse experimento (veja detalhes no anexo - Descrição dos experimentos) foi realizado conjuntamente com a NASA - GPM e conseguimos trazer um radiômetro experimental chamado ADMIRAI, que permite conhecer em detalhes as características das nuvens, tais como a água líquida da chuva, das nuvens e hidrometeoros.Essa campanha teve a participação de vários Pis do GPM, como Chirs Kummerow (responsável pelo software para estimar precipitação do GPM), Walt Pettersen (responsável pelas campanhas do GPM) entre outros. Na campanha de Alcântara definimos estratégias de medidas que estão sendo utilizadas nas campanhas do CHUVA. Os dados deste experimento ainda estão sendo processados, contudo já há publicações realizadas com esses dados. Um dos focos do experimento foram as nuvens quentes e a precipitação associada e vários casos foram reportados, embora os primeiros 10 dias do experimento não houveram precipitações. O avião da UECE de microfísica das nuvens foi contratado para voar na campanha, contudo, o avião apresentou uma série de problemas, tendo realizado somente dois vôos e as medidas não foram consideradas satisfatórias. O Brasil precisa ter uma aeronave laboratório de microfísica das nuvens, radiação e química atmosférica para poder desenvolver as pesquisas nessas novas áreas de ponta da pesquisa atmosférica.
O experimento de Alcântara teve o apoio da AEB, NASA e do INCT. Os resultados preliminares da campanha foram apresentados em reuniões internacionais (veja a relação de trabalho na seção 5). Os primeiros resultados desta campanha foram publicados no artigo: Understanding three‐dimensional effects in polarized observations with the ground‐based ADMIRARI radiometer during the CHUVA campaign (ANEXO 1).
Após a realização deste experimento e a aquisição, recepção, teste e preparação dos novos equipamentos realizamos o experimento em Fortaleza no mês de abril de 2011. O experimento previsto no projeto após Alcântara era o experimento de São Luiz do Paraitinga, contudo, como houve atraso na aprovação do Projeto tivemos que adiar essa campanha para o mesmo período, mas em 2011. O experimento de Fortaleza foi o primeiro realizado com os novos equipamentos e dentro da estrutura e financiamento do Projeto Temático.
A descrição deste experimento pode ser analisada em detalhes na no anexo: Descrição dos experimentos. Em Fortaleza a campanha foi realizada com apoio da FUNCEME e a participação da UFAL, UFERSA, UFC e UECE, além da Defesa Civil Municipal e Estadual. Durante o experimento foi ministrado um curso para os alunos de Graduação e Pós das Universidades citadas acima. Houveram 110 alunos inscritos e 92 participantes de todas as aulas, a avaliação do curso foi muito positiva. Um descrição detalhada dos cursos pode ser analisada no ANEXO 2: Os cursos realizados nos experimentos. Outra atividade aplicada associada ao experimento foi o piloto de previsão imediata que funcionou durante a campanha na Defesa Civil Municipal. A descrição sobre o piloto pode ser encontrada no ANEXO 3 - Sistema de Observação de Tempo Severo (SOS) Projetos piloto de previsão imediata. Muito se fala de prevenção de desastres naturais
devido as tempestades severas e a necessidade da compra de radares e montagem de salas de situação. Como esse projeto leva para a campanha essa estrutura, aproveitamos a situação para desenvolver um sistema de informações geográficas, com as vulnerabilidades locais, um modelo em alta resolução (1 km - a primeira vez operacional nessa resolução) e operações 24/24 horas com meteorologistas e a Defesa Civil. Esse piloto em Fortaleza foi um sucesso, ao final do projeto a Defesa Civil já distribuía seu efetivo em função do acumulado de chuva nos bairros, informação esta provida pelo SOS-Fortaleza.
O radar foi instalado nas facilidades do INPE em Euzébio e o sitio principal na Defesa Civil em Fortaleza. Para a instalação do radar tivemos que montar uma torre metálica e na Defesa Civil levarmos um container para ser a base de recepção dos dados. No experimento tivemos vários casos de chuva, de nuvens quentes, estratiforme e convectivas profundas. A amostragem foi excelente e um conjunto único de dados foi colhido. Além das medidas previstas para a campanha, fizemos com apoio do INMET uma coleta de 8 dias de radiossondagem em um triângulo de mesoescala com vértices da ordem de 140 km. Essa coleta ocorreu durante um período de chuvas intensas e a exploração deste dados nessa escala com as medidas de microfísicas tem um grande potencial. Novamente neste experimento tentamos voar o avião da UECE, chegamos a realizar um vôo, contudo os equipamentos ainda não estavam adequados e decidiu-se abandonar os vôos do avião. Pode-se notar que as campanhas que foram previstas para serem realizadas em um período de 15 dias passaram a ocorrer durante 30 dias, aumentando assim a quantidade de dados e eventos reportados. Porém isto tem um custo financeiro e portanto será necessário um aditivo para compor o orçamento de diárias.
O experimento de Belém foi realizado em junho de 2011 com a parceria do Instituto de Geociências da UFPA do SIPAM e do Segundo DISME do INMET. O radar foi montado no teto do prédio da Geociências da UFPA e o sítio principal em Outeiro nas instalações do SIPAM. Detalhes do experimento podem ser encontrados no anexo: Descrição dos experimentos. Em Belém foi realizado o curso do Projeto CHUVA na UFPA com uma média, 72 alunos participando das aulas. O curso, também foi muito bem avaliado, toda a documentação do curso pode ser consultada no anexo - Os cursos realizados nos experimentos. O SOS-Belém também foi adaptado para ser uma ferramenta operacional de nowcasting e o SIPAM como o INMET utilizaram com sucesso, contudo, não foi possível ter uma aproximação com a Defesa Civil como realizado em Fortaleza. Durante o experimento ocorreram reuniões diárias de discussão do tempo e dos eventos com a participação conjunta, pela primeira vez, das equipes do SIPAM, INMET, Secretária Estadual do Meio Ambiente e da Universidade. O experimento cobriu diversas linhas de instabilidade (LI), praticamente todos os dias houveram chuvas e um grande número de eventos foi reportado. Casos clássicos de LI
Açu, foram lançados dois balões lagrangianos com controle altitude, que realizava medidas da termodinâmica da camada limite planetária. Esses dados serão utilizados para estimar a advecção de umidade e os mecanismos de transporte de vapor d água no interior da Amazônia. Esse balão lagrangiano é experimental e foi desenvolvido pelo Dr. Paul Voss do Smith College (EUA). Além destes lançamentos, uma outra medida inédita foi a instalação de uma rede de sensores GPS para medir a variabilidade espacial do vapor d´água em alta resolução temporal. A discussão sobre a preparação desta rede e a descrição dos estudos foi publicado no artigo: A dense GNSS meteorological network for observing deep convection in the Amazon ( ANEXO 4) O Projeto CHUVA desenvolveu uma página web para aumentar a integração e ampliar a discussão em torno da temática, auxiliar o uso dos dados e divulgar os resultados. A página pode acessada no endereço: http://chuvaproject.cptec.inpe.br/portal/br/ ou http://chuvaproject.cptec.inpe.br/portal/en/ em inglês. Cada experimento (link experimentos) tem uma página especial com todos os detalhes, os relatórios diários, quicklooks dos resultados, os eventos registrados (SOS), as previsões dos modelos, fotos, reportagens, filmes, relatório de coleta de dados, o material dos cursos e principalmente os dados do experimento. Uma descrição do portal do CHUVA encontra-se no ANEXO 5 (O Portal do Projeto Chuva ). O acesso aos dados no momento é feito por ftp com apenas cadastro do usuário e recebimento do usuário e senha. Contudo, está sendo preparado um banco de dados do Projeto e a modelagem deste banco já está definida e poder ser analisada no ANEXO 6: Sistema Web de pedidos: CHUVA Project (monografia de conclusão de Pós-Graduação em Engenharia de Sistemas da Escola Superior Aberta do Brasil).
Um grande esforço está sendo realizado para processar os dados de forma a facilitar o uso das informações com qualidade. O processamento de dados do radar Banda X com dupla polarização é bastante complexo, por outro lado pode-se estimar uma grande número de parâmetros. O radar banda X permite obter dados com alta resolução, por outro lado, ele sofre muita atenuação e os dados precisam ser reprocessados levando em conta os efeitos do radôme e dos tipos de hidrometeoros e da quantidade de água líquida. Um esforço considerável foi realizado neste pré-processamento dos dados, o que gerou um artigo que estará sendo submetido em breve (ANEXO 7: Observations of tropical rain with a polarimetric X-band radar: First results from the CHUVA campaign) e um asbtract submetido a reunião de radar da American Meteorological Society - Cloud processes of the main precipitation systems in Brazil: Overview and first results from the CHUVA project (ANEXO 8).
Para preparar os experimentos e discutir os resultados preliminares foram realizados diversas reuniões (as atas e apresentações podem ser acessadas pela página- link workshops e cursos):
Abril de 2010: Preparação do Experimento CHUVA- Alcântara, local CTA/IAE.
Junho de 2010: Pré avaliação dos dados do Experimento de Alcântara, local CPTEC/INPE
Fevereiro de 2011: Preparação da Campanha para Fortaleza e Belém no INPE.
Agosto de 2011: CHUVA-GLM Planning meeting, Rio de Janeiro durante o ICAE (International Congress in Atmosphere Electricity).
O conjunto de dados coletados tem um forte potencial, contudo, antes de iniciar os estudos é necessário processar as informações, o que tem tomado um tempo e esforço considerável. Neste primeiro ano do projeto nos dedicamos a compra dos equipamentos e em cumprir uma agenda substancial de experimentos. Além disso, nos concentramos na preparação das próximas campanhas e na organização das equipes de trabalho. A parte de modelagem depende de vários fatores como adequação dos modelos para rodar em alta resolução, ajustes das parametrizações e assimilação dos dados. O grupo escolheu 3 "goldens days" de cada experimento para testar hipóteses e definir o melhor ajuste para realizar as rodadas dos três experimentos, para todo o período, utilizando o super computador Tupã. O uso dos dados de radar depende dos processos de correção da atenuação devido a própria chuva e ao radôme do radar (quando está úmido pode chegar a 19 dB de atenuação). A forma de realizar essa correções foi estudada em detalhes e o processamento de todos os dados está se iniciando neste mês. Os dados de disdrômetros e pluviômetros precisam ser intercomparados e ajustados quando necessário. Há diferenças entre disdrômetros com características diferentes (Joss e Parsivel e Thies). Uma análise específica está sendo realizada para essa adequação. O radiômetro MP3000, o MRR e as radiosondas estão sendo utilizadas para extrair o conteúdo de vapor e água líquida das nuvens e da chuva, bem como os perfis termodinâmicos e dinâmicos. Não é trivial obter esses valores, na verdade, até hoje não se sabe certamente quais os limites destas medidas para diferentes tipos de nuvens. Lembra-se que essas informações são fundamentais na modelagem dos processos radiativos das nuvens e na microfísica das nuvens. A solução para se ter medidas mais precisas depende da homogeneização e da combinação destas diferentes fontes de medidas. Por exemplo, o radiômetro (MP3000), consegue estimar a água líquida das nuvens, contudo quando começa a precipitar as medidas não são confiáveis. Já o micro radar (MRR) permite estimar o conteúdo de água líquida após a correção da atenuação do sinal devido a precipitação, contudo, somente quando a nuvem já está desenvolvida e com gotas grandes de chuva. Uma análise de parte destes problemas foi recentemente publicado no artigo: Radiometric estimation of water vapor content over Brazil (ANEXO 9). Os dados de radiosondagem precisam ser tratados e calculados os parâmetros dinâmicos e termodinâmicos, esses processos estão em andamento. Os dados GPS precisam ser processados para obter os atrasos troposféricos e derivados o conteúdo integrado de umidade, esse pré-processamento também está sendo iniciado pelos colaboradores do projeto.
Diversos trabalhos foram publicados durante este ano criando uma base científica, novas metodologias e obtendo resultados que auxiliam no cumprimento das metas do Projeto e as bases para o tratamento dos dados. Os artigos publicados, bem como os alunos envolvidos estão descritos na seção - Trabalhos apresentados, publicados ou em preparação e lista de alunos envolvidos com o Projeto. O próximo ano do projeto ainda continuaremos dedicados a parte experimental nos experimentos deste verão e
1.2) Descrição e avaliação do apoio institucional
O INPE como Instituição sede, bem como a USP, o DCTA e a AEB apoiaram de forma efetiva a preparação e a realização das campanhas. Esse apoio se concretizou através do uso da infra estrutura dos Laboratórios, principalmente o LIM (Laboratório de Instrumentação Meteorológica do INPE), do uso dos meios de transportes, do apoio financeiro a campanha de Alcântara pela AEB, mas fundamentalmente pelos recursos humanos que participaram de todas as etapas do projeto. Essa participação específica não se restringe as Instituições citadas acima, pois tivemos uma participação ativa da FUNCEME, UFPA, UFAL,UFERSA, SIPAM, CLA e das diversas Instituições que colocaram a disposição pesquisadores para participar das campanhas ou das análises e processamento dos dados.
Neste primeiro ano de Projeto agradecemos a todos os pesquisadores que dedicaram horas de trabalho ao Projeto, seja no campo ou em seus escritórios. Em particular agradecemos o apoio administrativo da Sra. Adna Sabará que cuidou da parte administrativa dos experimentos, a participação ativa dos engenheiros e técnicos Jorge Nogueira, Jorge Mello e Jorge Marton pela dedicação na preparação, montagem, coleta de dados e desmontagem dos experimentos. Ao César Melo, engenheiro do radar que acompanhou toda a movimentação instalação e montagem do radar. Ao Marcos Moraes pela preparação e manutenção da página Web permitindo o acompanhamento em tempo real do experimento e a preparação da base de dados. Ao Thiago Biscaro, Jojhy Sakuragi e Izabelly Carvalho pela análise em tempo real dos dados do experimento e ao Marc Shenebelli, que deixou a Suíça por 5 meses para desenvolver todo o software de processamento dos dados de radar e nos auxiliar nas operações e preparação do radar. Ao Nelson Arai da AEB, ao Cel Tineli e Mauro Dolinsky do DCTA na preparação do experimento de Alcântara, ao Eduardo Martins e a Meiry Sakamoto, da FUNCEME, na realização do experimento de Fortaleza e ao João Batista e Júlia Cohen da UFPA, ao José Raimundo do INMET Belém e ao Bernardino Simões e Jaci Saraiva do SIPAM que auxiliaram na realização do experimento de Belém e a todos que participaram neste primeiro ano de projeto.
Este projeto faz parte do INCT para mudanças climáticas no subprojeto - Cenários Climáticos Futuros e Redução de Incertezas. O relatório de atividades 2009-2010, apresenta as atividades do CHUVA e pode ser analisado no ANEXO 10.
2) Discussão sobre as atividades 2011-2014.
Além dos experimentos já realizados, no projeto original estão previstos experimentos em São Luiz do Paraitinga, Santa Maria, Londrina, Brasília e Manaus. O experimento de São Luiz do Paraitinga será realizado no início da estação chuvosa de 2011, em todo o Vale do Paraíba, com uma componente descargas elétricas em conjunto com a NOAA e a EUMETSAT e vários outros participantes. O experimento de Londrina e Santa Maria pretendemos realizar em somente um local, mas com maior duração, a proposta atual em discussão é a cidade de Foz do Iguaçu. Estamos discutindo com especialistas americanos em MCC (Mesoscale Convective Complexes) a realização de um
experimento com maior envergadura, contudo, recursos americanos estão escassos. Em novembro haverá a reunião do GPM em Denver (EUA) e nesta ocasião teremos reuniões específicas para definir esse tópico. Hoje podemos confirmar a participação de pesquisadores da UBA (Universidade de Buenos Aires), que estão interessados em participar destas medidas no sul do país. O experimento de Brasília ainda não está totalmente definido e existem propostas que o experimento seja realizado em Belo Horizonte . A CEMIG adquiriu recentemente um radar Doppler banda C polarimétrico e junto com a UFMG tem demonstrado interesse no experimento nessa região. Do ponto de vista meteorológico, os sistemas que pretendemos estudar são observados em ambas regiões. Além disso, esta região tem uma estação chuvosa que conta com o desenvolvimento de tempestades severas que além de serem monitoradas pelo Radar Meteorológico da CEMIG, também são monitoradas pela rede de raios da BrasilDat que nos próximos meses estará contando com uma atualização dos sensores da VAISALA e WeatherBug. Neste sentido, teremos uma outra oportunidade de obter medidas de raios intra-nuvem e nuvem-terra com dois radares meteorológicos, que contando com uma boa sobre-posição permitirão a inferência da estrutura 3D dos ventos. O experimento de Manaus será realizado dentro do grande projeto chamado IGRA2014 (Intensive Ground-Based Research in Amazonia 2014). O documento que descreve a proposta do IGRA2014 encontra-se no ANEXO 11. Esse documento já descreve a contribuição do CHUVA nesse grande projeto que engloba diversas ações na Amazônia em 2014.
O experimento denominado no Projeto de São Luiz do Paraitinga, agora denominado de CHUVA-GLM (Geostationary Lightning Mapper ) Vale do Paraíba, ocorrerá nos meses de Novembro e Dezembro de 2011, com a possibilidade de ser estendido até fevereiro de 2012. O radar ficará alocado em São José dos Campos e serão instalados diversos sítios no Vale do Paraíba. Esse experimento será realizado em conjunto com a NOAA e a EUMETSAT que irão colocar uma rede de sensores de descargas elétricas inédita que permite medir com precisão a posição em três dimensões da descargas. Dia 8 de agosto, no ICAE (International Conference Atmosphere Eletricity) tivemos uma reunião de planejamento do experimento. No ANEXO 12 encontra-se a Ata da reunião. Esse experimento terá um conjunto de medidas inéditas e diversos pesquisadores nacionais e internacionais envolvidos. Esse experimento terá a duração de 60 dias e portanto necessitará de solicitação adicional de diárias para os técnicos e pesquisadores.
Os sensores LMA (Lightining Mapping Array), junto com os instrumentos da LINET, da VAISALA e da Weather Bug/BrasilDat permitirão caracterizar o comportamento de descargas elétricas intra-nuvem, enquanto que as redes RINDAT, WWLLN, STARNET e WSI irão medir as raios nuvem-terra. Dessa maneira, será possível identificar todos os processos individuais associados a uma descarga atmosférica tanto no espaço e como
para obtermos os dados volumétricos dos radares meteorológicos de São Roque e Salesópolis, respectivamente. Estas informações irão auxiliar o algoritmo de correção de atenuação do radar banda X, além de prover as informações 3D da precipitação em um raio de 240km a cada 5 minutos. Os sítios previstos para a campanha são apresentados na Figura 2.1. O ANEXO 13 apresenta a lista de instrumentos e locais de instalação do CHUVA-GLM. No ANEXO 14 encontra-se o artigo de Congresso da CBMET (Congresso Brasileiro de Meteorologia) 2010: The São Paulo Lightining Mapping Array: Propects for GOES-R GLM and CHUVA. No ANEXO 15 encontra-se o abstract submetido a AGU Fall 2011: The CHUVA Lightning Mapping Campaign.
O curso associado a esse experimento será realizado na UFRJ e terá a seguinte agenda:
Curso: Sensoriamento Remoto e Modelagem dos processos de formação
da precipitação – O PROJETO CHUVA
Experimento CHUVA-GLM -Vale do Paraíba
Horário Dia 24/10 Dia 25/10 Dia 26/10 Dia 27/10 Dia 31/10
9:00 às 12:00 I) Satélites Meteorológicos e a Previsão imediata. (Luiz Machado-CPTEC/INPE)
III Microfísica das
nuvens (Carlos Morales – IAG/USP V) Radar de dupla polarização (Jojhy Sakuragi - CPTEC/INPE) VII) Princípios básicos da Modelagem em alta resolução (Henrique Barbosa - IFUSP) IX) Camada Limite planetária e a convecção (Gilberto Fisch IAE/CTA 14:00 às 17:00 II) Estimativa de precipitação por satélite (Daniel Vila-CPTEC/INPE) IV) Radar Meteorológico (Frederico Angelis – CPTEC/INPE) VI) Eletrificação das nuvens (Rachel Albrecht - CPTEC/INPE) VIII) interação aerosol- chuva (Maria Assunção – IAG/USP X) O uso do GPS (GNSS) na Meteorologia Luiz Sapucci (CPTEC/INPE)
Figura 2.1a Mapa mostrando os locais dos sensores do GLM.
Figura 2.2b Mapa mostrando os locais dos instrumentos do CHUVA.
3) Descrição dos trabalhos e perspectivas dos Working Grupos
Uma descrição detalhada dos experimentos e a apresentação de resultados preliminares são descritos no ANEXO 16. Neste anexo são apresentadas as campanhas
3.1) WORKING GROUP – 1: CHARACTERISTICS OF THE PRECIPITATING SYSTEMS AS FUNCTION OF THE REGION AND LIFE STAGE. Responsável: Luiz Augusto Toledo Machado.
Este grupo de pesquisa se preocupa em conhecer os processos físicos no interior das nuvens e como eles evoluem ao longo do ciclo de vida. Esse comportamento será analisado para os diferentes regimes de precipitação do Brasil, com ênfase nas nuvens quentes. Nesse contexto é importante conhecer o conteúdo de água das nuvens, o conteúdo de chuva (gotas grandes) , as distribuições de tamanho das gotas, os tipos de hidrometeoro, principalmente a grande família de tipos de cristais e agregados de gelo, a densidade do gelo e como essas variáveis evoluem ao longo do ciclo de vida. Essas informações serão de grande utilidade para desenvolver algoritmos de estimativa de precipitação, principalmente para a constelação do GPM em específico para resolver o problema de nuvens quentes que não são consideradas por nenhum algoritmo, a modelagem de alta resolução que precisa de uma base de dados para ajustes de parametrizações e análise da performance dos modelos de microfísica explicita, o entendimento da interação aerossol-chuva e no domínio do uso de radares polarimétricos e microondas passivo.
Com relação ao uso de satélites e radares as questões que precisam ser respondidas são: Qual é a capacidade destes métodos para identificar a água na atmosfera? É possível separar áreas cobertas por nuvens com e sem precipitação? Como determinar a transição da nuvem para a precipitação? Existe um limite de teor de água líquida em que a nuvem começa a precipitar? Como estimar precipitação sobre o continente de nuvens quentes? Qual é a contribuição da precipitação de nuvens quentes no total acumulado de chuva? Podemos melhorar a estimativa de precipitação acrescentando a informação de fase da vida?
Com relação a modelagem os pontos principais a serem respondidos são: Os modelos de previsão de tempo em alta resolução conseguem, estatisticamente, reproduzir os campos microfísicos observados? Como evolui a microfísica das nuvens ao longo do ciclo de vida das nuvens? Como a microfísica das nuvens é modificada pela interação com os aerossóis?
Os dados experimentais coletados permitem explorar essas questões, contudo, cada dado tem uma limitação e a determinação dos limites das informações precisas instrumentais precisam ser definidas criteriosamente. Os resultados preliminares mostram discrepâncias entre os diferentes disdrômetros que fornecem os espectros de gotas (Joss, Parsivel Thies e o MRR - forma indireta). Com relação a água líquida há diferenças entre as medidas do MP3000, MRR, IWV, radiosonda, Lidar e do radar banda X. Com relação a classificação de hidrômeteoros e a correção de atenuação há diferenças entre diferentes algoritmos de classificação, no presente caso sendo avaliado as diferentes parametrizações do T-matrix (função básica para calcular o espalhamento Mie em diferentes direções e polarizações), o modelo do radar- rainbow, o modelo desenvolvido no Projeto (paper- anexo 7).
Logo, os experimentos estão sendo realizados cada vez com mais conhecimento e aperfeiçoando as medições e os métodos e limitações de cada sistema de observação
sendo conhecidos profundamente; Desta forma, os valores a serem obtidos no processamento dos diferentes métodos de estimativa - observação permitirão obter um conjunto confiável para estudar as questões listadas acima. Portanto, nesta primeira etapa estaremos trabalhando no processamento e pretendemos submeter trabalhos que descrevem as tecnologias adotadas tais como: Limitações na medida da água líquida das nuvens, medidas de espectros de gotas com diferentes tipos de disdrômetros e metodologia de correção da atenuação e classificação de hidrometeoros.
De outra parte, estamos trabalhando na integração de dados de satélites e modelos numéricos para validar e analisar os processos físicos das nuvens, desenvolvendo métodos para classificar os diferentes padrões de precipitação (para uso nas caracterizações dos tipos e nuvens, regimes e ciclo de vida). Estudos que visam avaliar as variações das propriedades microfísicas com o ciclo de vida das nuvens usando a técnica VPR (Vertical Profile Reflectivity), determinação das características dinâmicas no topo das nuvens convectivas, avaliar as mudanças dos conteúdos de gelo e água líquida em função de aerossóis, variações no campo de umidade atmosférica na presença de tempestades e classificação das características das nuvens quentes e sua variabilidade temporal.
Abaixo apresentamos alguns resultados preliminares destes estudos:
Características dos perfis verticais de precipitação com a utilização de dados de radar Uma descrição completa deste trabalho encontra-se no ANEXO 17.
A técnica do VPR foi aplicada especificamente para a célula de chuva rastreadas pelo Fortracc usando dados de radar. A técnica do VPR é ajustada temporalmente com um filtro extendido de Kalman, que permite assimilar as observações de radar e assegurar consistencia temporal para os parâmetros físicos que definem o VPR. Um exemplo é apresentado na Figura 3.1.1.. A camada de derretimento do gelo (Melting Layer) apresenta, de maneira geral, um decaimento que pode ser devido ao enfraquecimento das correntes ascendentes dentro da célula convectiva. No final do ciclo de vida, este parâmetro tem o comportamento contrário, o que pode indicar que a célula precipitante adquiriu algumas características estratiformes com o desaparecimento das correntes ascendentes. A espessura da camada de derretimento do gelo diminui regularmente, o que é um outro indicativo de uma diminuição dos movimentos verticais no interior da célula. No fim do ciclo de vida do sistema analisado, a espessura da camada de derretimento do gelo são típicas de uma nuvem estratiforme. A densidade das partículas de gelo também diminui de 900 kg.m-3 (valor comum para células convectivas) para 300 kg.m-3 (característico para células estratiformes).
Figura 3.1.1 – Evolução temporal do limite superior da camada de derretimento do gelo (superior esquerdo), espessura da camada de derretimento de gelo (superior direito), inclinação do perfil de refletividade na fase líquida (inferior esquerdo) e a densidade das partículas de gelo (inferior esquerdo) identificados pela técnica do VPR aplicada para a célula rastreada pelo Fortracc.
Caracterização dos Sistemas de Chuva Quente
Esse trabalho está sendo realizado pelo Aluno de Doutorado (INPE) - Alan Calheiros. Essas análises foram realizadas com os dados da Defesa Civil de Fortaleza. No intuito de averiguar diferenças entre sistemas não-precipitantes e sistemas precipitantes, no que diz respeito ao conteúdo de água liquida integrado, foi construída uma série de dados baseada nos ILW (Integrated Liquid Water Content) do radiômetroMP3000 (Sem Chuva) e do MRR (Com Chuva). Os sistemas precipitantes são classificados pela a chuva observada na superfície pelos disdrômetros Parsivel. O Parsivel é um disdrômetro óptico com um feixe de laser horizontal de 54 cm2 que estabelece medidas da distribuição do tamanho de gotas (DSD: Drop Size Distribution em Inglês) bem como outras informações derivadas da DSD como por exemplo a taxa de precipitação e a concentração de gotas. A Figura 3.1.2 mostra um histograma de freqüência relativa para eventos de chuva precipitantes (preto) e não precipitantes (vermelho). Nota-se nesta figura que a maior freqüência de ILW para os sistemas é de 0,1 mm o que correspondeu a 80% das ocorrências, enquanto que o restante dos valores observados estão entre 0,2 e 0,3 mm, cuja média é de 0,06 mm. Nos eventos precipitantes foram encontrados valores entre 0,1 e 2,5 mm, sendo que a maior concentração desses valores ficou entre 0,3 e 2,5 mm, com uma média de 0,4 mm. Como o ILW em eventos precipitantes é baseado no conteúdo de água líquida integrado pelo MRR, problemas com a atenuação do sinal podem subestimar os valores. E para alguns eventos não precipitantes pode haver algumas superestimativas devido à presença de água no radôme do MP3000. Essa é uma análise preliminar, mas
Upper limit of the melting layer altitude
Melting layer thickness Profile slope liquid phase Density ice particles uppe r li mit of the mel tin g la yer a ltitude (m)
verifica-se que valores apresentados pelos eventos precipitantes foram bastante superiores aos não precipitantes. Assim, conclui-se que a diferença entre o ILW para sistemas precipitantes e não-precipitantes em ambas as classificações é notória, o que indica que possíveis metodologias para a estimativa de precipitação por satélite podem utilizar tal informação na discriminação dos eventos de chuva.
Figura 3.1.2) Histograma de freqüência relativa para os valores de água líquida integrada (mm) para eventos de chuvas quentes precipitante (linha preta) e não-precipitante (Linha vermelha)
A distribuição de ILW para eventos precipitantes em função de sua taxa de precipitação [RR: rain rate em inglês (mm/h)] pode ser observada na Figura 3.1.3.. Nota-se que aproximadamente 50% dos eventos são associados com taxa de precipitação abaixo de 2 mm/h em que mais de 90% dos valores de ILW estavam abaixo de 0,5mm. Todos os eventos com taxas de precipitação maiores foram observados valores abaixo de 0,3 mm. Para os eventos com RR entre 2 e 5 mm foi observado que o ILW acima de 0,4 correspondia a mais de 30% dos casos. Para RR acima de 5 mm/h foi observados uma distribuição uniformes, mas com mais de 50 % dos valores acima de 0,5 mm.
Para exemplificar o comportamento do ILW ao longo do ciclo de vida de uma nuvem, apresentamos a análise de um caso de evento de chuva quente observado no dia 24 de abril de 2011 ocorrido entre 21:30 e 23:00 GMT. A Figura 3.1.4 apresenta os valores observados para os perfil vertical de refletividade radar banda-x (dBZ), conteúdo de água liquida (gm-3) do MRR, conteúdo de água líquida integrado (mm) pelo radiômetro MP3000A (Azul), MRR (vermelho) e radar banda X (verde), chuva na superfície (mm, azul) e taxa de chuva pelo disdrômetro Parsivel (mm/h, vermelho). Nota-se na figura que o topo do sistema está localizado aproximadamente a 4 km com núcleos de refletividade e água líquida por volta de 35 dBZ e 0,5 g.m-3, respectivamente.
Figura 3.1.3. Histograma de freqüência relativa para os valores de água líquida integrada (mm) para eventos de chuvas quentes precipitantes em função da taxa de precipitação observada na superfície para a classificação de análise de agrupamento. Os valores de ILW variaram ente 0.1 à 1 mm para taxas de precipitação que chegaram a 25 mm/h. Essa figura também mostra variações na temperatura da superfície (°C, azul) e umidade relativa do ar (%, vermelho), temperatura de brilho no infravermelho (K, azul) e estimativa da base da nuvem (km, vermelho), conteúdo de água líquida (azul) e vapor d’água (vermelho) integrado (mm) e as temperaturas de brilho observadas para todos os canais do MP3000A. Nota-se que as temperaturas na superfície após o início da precipitação diminuíram cerca de 2,5 °C com variação de 20 % na umidade relativa. A temperatura de brilho no infravermelho observada pelo MP3000 foi de 295K durante a passagem do sistema, o que veio a provocar uma estimativa da base da nuvem de aproximadamente 250 m. Além disso, nota-se uma diminuição de 0.4 mm do conteúdo de vapor d’água integrado após o início da precipitação, com variações que chegaram a 1mm durante passagem do sistema. Exceto os canais de 57 a 58,8 GHz, todos os outros apresentaram variações bruscas na temperatura de brilho que chegaram a 200 K, principalmente nos canais de absorção do vapor d’água e água líquida, como era de se esperar, além disso, pode-se verificar que por volta das 22:30 GMT a precipitação cessa, mas as temperaturas ainda se mantêm altas o que está associado a água sobre o radôme induzindo medidas incorretas de ILW (acima de 3 mm) pelo radiômetro.
(a) (b)
Figura 3.1.4). Evento de chuva quente observado no dia 24 de abril de 2011 das 21:30 às 23 GMT. (a) perfil vertical de refletividade radar banda-x (dBZ), conteúdo de água liquida (gm-3), conteúdo de água líquida integrado (mm) pelo radiômetro MP3000A (Azul) e pelo MRR (vermelho), chuva na superfície (mm, azul) e taxa de chuva pelo disdrômetro parsivel (mm/h, vermelho). (b) Temperatura da superfície (°C, azul) e umidade relativa do ar (%, vermelho), temperatura de brilho no infravermelho (K, azul) e estimativa da base da nuvem (km, vermelho), conteúdo de água líquida (azul) e vapor d’água (vermelho) integrado (mm) e as temperaturas de brilho observadas para todos os canais do MP3000A.
Classificação de padrões de convecção utilizando dados de radar.
Esse trabalho está sendo realizado pelo Wagner Flauber Araújo Lima- Aluno de Doutorado (INPE).
Este trabalho visa desenvolver metodologia para classificar os padrões de organização das nuvens e precipitação para posteriormente classificação em termos de microfísicos. Essa etapa consiste em separar o conjunto de dados em quatro su-padrões: perfis convectivos (CNV), perfis estratiformes sem banda brilhante (NBB), perfis estratiformes com banda brilhante (STR), perfis de nuvens quentes (WRC). para tanto foi realizada um análise de agrupamento, em cada conjunto, para determinar sub-categorias de perfis que são similares entre si através de seus atributos, padrões ou características. para esse estudo foi utilizado os dados do satélite TRMM e a análise dos dados foi realizada através de um treinamento para a determinação dos centróides médios, para cada tipo de nuvens usando o método “K-Means”.
banda brilhante centrada entre 4 e 5 km de altura para todos os centróides. Com relação, as nuvens quentes os topos dos três centróides não ultrapassaram a altura de 5 km, geralmente corresponde a altura da isoterma de zero grau. Por outro lado, os três centróides definidos no grupo de nuvens STR seguiram uma categorização baseada tanto na base quanto no topo dos perfis, com valores do topo variando de 6 a 11 km de altura.
Figura 3.1.5) – Centróides para os perfis a) convectivo, b) nuvens quentes, c) estratiforme e d) estratiforme com banda brilhante.
Análise preliminar dos dados GNSS coletados na campanha Esse trabalho está sendo realizado pelo Dr. Luiz F. Sapucci (INPE).
Os dados coletados nas campanhas de Fortaleza e Belém se encontram em fase de processamento. Há dois grupos envolvidos com essa atividade. O primeiro é o Laboratório de Geodésia Espacial (LGE) da UNESP de Presidente Prudente-SP que tem a disposição diversos software de processamento e o outro são pesquisadores da Universidade Beira Interior em Portugal que utiliza o software GOA-II do Jet Propulsion
Laboratory. Com relação aos dados da campanha CHUVA-Alcântara os dados foram
processados e as séries temporais dos valores do IWV foram geradas. Diversos estudos estão sendo realizados, tal como a comparação com medidas feitas por outras técnicas como radiômetro e as radiossondas. Um estudo com relação a melhoria das medidas está sendo feito ao comparar diferentes métodos, software e configurações no processamento e até mesmo uma combinação de diferentes soluções está sendo investigada. A figura 3.1.6 mostra a série temporal do IWV-GNSS durante o
experimento CHUVA Alcântara bem como as taxas de precipitação. Em análises do comportamento das oscilações do IWV é possível verificar grosseiramente que há um padrão relacionado com a ocorrência da precipitação. Estudos mais detalhando para identificar esse padrão estão em curso ao utilizar os dados coletados tanto nessa campanha como nas demais campanhas realizadas.
Figura 3.1.6). Serie temporal dos valores do IWV-GNSS e as taxas de precipitação medidas por pluviômetros.
Com os dados coletados nas últimas campanhas com especial ênfase a rede densa de receptores implantada no experimento em Belém, viabilizará as seguintes frentes de trabalho: a) Estudo da variabilidade temporal da umidade em períodos que antecedem fortes tempestades, bem como durante e posteriormente a sua ocorrência, visando identificar possíveis padrões de oscilações que podem ser utilizados como alertas em previsões por nowcast. b) Emprego de rede densa de receptores para a reconstrução tridimensional dos campos de umidade, o que permitirá a obtenção de perfis e uma tomografia do vapor d’água. c) Estudos do comportamento das séries temporais do IWV durante eventos convectivos ao associar as mesmas com valores de perfis de pressão temperatura e vento. d) Investigar metodologias de processamento dos dados GPS visando o aumento da acurácia das medidas do IWV, envolvendo diferentes softwares, metodologias e a combinação de diferentes soluções. e) Avaliar o impacto da assimilação dos dados de IWV de uma rede densa GPS em modelos de Previsão Numérica de Tempo na melhoria da qualidade dos campos de umidade nas análises e das previsões de precipitação. f) Calibração e avaliação de outras técnicas de quantificação do vapor d’água atmosférico como fotômetros, radiômetros, sensores em satélites, entre outras.
3.2) WORKING GROUP – 2: PRECIPITATION ESTIMATION – DEVELOPMENT AND VALIDATION ALGORITHM. Responsável: Carlos Frederico Angelis.
O Working Group 2 atua na avaliação de algoritmos estimadores de variáveis hidrometeorológicas como chuva, distribuição do tamanho de gotas, conteúdo de água na atmosfera, conteúdo de vapor de água na atmosfera entre outras. Além dessa componente científica, o Working Group 2 também atua em uma componente aplicada na qual desenvolve ferramentas e aplicativos que possam ser usados por usuários para aplicações diversas como previsão de curto prazo, auxílio a gestão e planejamento de medidas preventivas e mitigadores em caso de eventos extremos de chuva que possam causar enchentes e outros eventos hidrometeorológicos.
Os objetivos principais do Working Group 2 são:
Avaliar, validar e calibrar algoritmos estimadores de precipitação e analisar seu desempenho para diferentes tipos de regimes de chuvas;
Gerar uma base de dados de Distribuição de Tamanhos de Gotas de eventos de chuvas observada nos vários sítios experimentais do projeto;
Usar as estimativas de chuva para estudos de casos e assim apoiar as investigações dos processos físicos envolvidos nos eventos de precipitação originada de convecção profunda e nuvens quentes.
O Working Group 2 está tentando responder várias questões científicas que uma vez esclarecidas, certamente irão trazer expressivos avanços para a área de sensoriamento remoto da atmosfera. Entre as questões destacam-se:
1. Os campos de chuva produzidos por estimativas de satélites podem ser validados e ajustados pelos campos de chuva produzidos por radares meteorológicos?
2. Estimativas de chuva por satélites podem ser usadas para estudos de fenômenos meteorológicos em escala regional ou sinótica na América do Sul? 3. As estimativas de chuva por satélites podem ser usadas para a avaliação dos
impactos da mudança da cobertura da terra nos regimes de chuva em escala local e/ou regional?
4. É possível quantificar com exatidão a quantidade de precipitação produzida por chuvas convectivas e chuvas quentes?
Resultados preliminares das análises dos espectros de gotas obtidos pelos disdrômetros.
Com o objetivo de analisar as medidas obtidas pelos dois tipos de disdrômetros, Parsivel e Joss instalados no sitio de Outeiro no experimento de Belém, período de
01/06/11 a 30/06/11, foram elaborados gráficos da série temporal (Figura 3.2.1) e de dispersão (Figura 3.2.2) da taxa de precipitação instantânea (mm/h).
Na Figura 3.2.1 é possível verificar que há uma boa concordância entre as taxas de precipitação, principalmente para taxas inferiores a 100 mm/h, no caso de taxas superiores a esse valor há uma discrepância entre as informações obtidas por cada disdrômetro, a mesma conclusão pode ser obtida analisando o gráfico de dispersão (Figura 3.2.2). Quando limita-se o valor da taxa de precipitação em 100 mm/h verifica-se que há um aumento na correlação entre as medidas (Figura 3.2.3).
Figura 3.2.1 – Série temporal da taxa de precipitação instantânea (mm/h) obtidas pelo Parsivel e Joss. 0 50 100 150 200 250 2 3 4 7 7 7 7 8 10 12 15 20 21 21 21 23 23 27 27 Ta xa d e Pr e ci p it aç ão (m m /h) Data Parsivel Joss
Figura 3.2.3 – Gráfico de dispersão entre a taxa de precipitação obtida pelo Joss e o Parsivel até 100 mm/h.
Para avaliar e tentar entender melhor as diferenças entre as taxas de precipitação dos diferentes disdrômetros, foram selecionados alguns casos. O primeiro caso selecionado foi o do dia 07/06/11 das 20:25 as 21:07 GMT, que apesar de não termos dados de pluviômetros é interessante verificar que as 20:34 GMT tinha-se uma diferença em torno de 16 mm/h e que as 20:36 GMT essa diferença aumentou para 40 mm/h (Figura 3.2.4).
Figura 3.2.4) – Série temporal da taxa de precipitação instantânea (mm/h) obtidas pelo Parsivel e Joss para o dia 07/06/11.
No segundo e terceiro caso, dias 08 e 11/06/11 (Figuras 3.2.5 e 3.2.6), comparando com os pluviômetros é possível verificar que os dados concordam com as informações obtidas pelo disdrômetro do tipo Joss, não havendo taxas de precipitação superiores a 120 mm/h. 0 20 40 60 80 100 120 20 :2 5 20 :2 8 20 :3 1 20 :3 4 20 :3 7 20 :4 0 20 :4 3 20 :4 6 20:49 20 :5 2 20 :5 5 20 :5 8 21 :0 1 21 :0 4 21 :0 7 Ta xa d e p re ci p it aç ão (m m /h) 07/06/2011 Parsivel (mm/h)
Figura 3.2.5 – Série temporal da taxa de precipitação instantânea (mm/h) obtidas pelo Parsivel e Joss para o dia 08/06/11.
0 50 100 150 200 250 21 :2 9 21:31 21 :3 3 21:35 21 :3 7 21 :3 9 21 :4 1 21 :4 3 21 :4 5 21 :4 7 21 :4 9 21 :5 1 21 :5 3 21 :5 5 21 :5 7 21 :5 9 Ta xa d e p re ci p it aç ão (m m /h) 08/06/2011 Parsivel (mm/h) Joss (mm/h) Pluviometro1 Pluviometro2 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 21: … 21: … 21: … 21: … 21: … 21: … 21: … 21: … 21: … 21: … 21: … 21: … 22: … 22: … 22: … 22: … 22: … 22: … 22: … 22: … 22: … 22: … 22: … Ta xa d e p re ci p it aç ão (m m /h) 11/06/2011 Parsivel Joss Pluviometro1 Pluviometro2
possível observar que há concordância entre as medidas de todos os equipamentos, o mesmo também foi observados para outros casos.
Figura 3.2.7 – Série temporal da taxa de precipitação instantânea (mm/h) obtidas pelo Parsivel e Joss para o dia 14/06/11.
Para avaliar a distribuição do tamanho de gotas, obtidas pelo disdrômetro do tipo Parsivel, foram elaboradas médias e desvios padrão para cada intervalo de diâmetro durante todo o período do experimento (Figura 3.2.8). Observou-se que para diâmetros acima de 6 mm haviam valores de concentração superiores a 1 g.m-3.mm-1, essa informação pode estar influenciando frotemente o cálculo da taxa de precipitação instantânea. Desta forma, resolveu-se limitar o cálculo da precipitação a diâmetros inferiores a 6,5 mm, como mostrado na Figura 3.2.9. Nota-se que essa diferença não é razão das gotas maiores que 6,5 mm. Sendo assim conclui-se que, como esses valores de concentração acima de 6,5 mm só ocorrem em 4 casos em toda a amostra, os mesmos não são responsáveis pelas altas taxas de precipitação obtidas pelo Parsivel sendo necessárias mais algumas comparações e investigações.
Figura 3.2.8) – Gráfico da concentração média (g.m-3.mm-1) obtida pelo Parsivel. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 19: … 19: … 19: … 19: … 19: … 19: … 19: … 19: … 19: … 19: … 19: … 19: … 19: … 19: … 19: … 19: … 19: … 19: … 19: … Ta xa d e p re ci p it aç ão (m m /h) 14/06/2011 Parsivel Joss Pluviometro1 Pluviometro2
Figura 3.2.9) – Série temporal da taxa de precipitação instantânea (mm/h) obtidas pelo Joss e Parsivel, com limite de 6.5 mm de diâmetro no cálculo da taxa de precipitação do Parsivel.
Este é somente um dos exemplos das análises de dados que estamos trabalhando para poder caracterizar os espectros de gotas em função dos tipos de nuvens de forma a montar o banco de dados microfísicos dos principais regimes de precipitação do Brasil. Um estudo sobre a técnicas de validação dos estimadores de precipitação por satélite, que também é uma das metas deste sub-projeto se encontra no ANEXO 20.
3.3) WORKING GROUP – 3: ELETRIFICATION PROCESS: MOVING FROM CLOUDS TO THUNDERSTORMS. Responsável: Carlos Augusto Morales.
Durante as 3 campanhas experimentais realizadas até o presente momento o sistema de detecção de descargas atmosféricas a longa distância STARNET esteve monitorando os raios sobre a América do Sul. A Figura 3.3.1 apresenta a distribuição horária de raios dentro de uma área de 50 e 100 km distante do radar meteorológico utilizado durante cada uma das campanhas e a acumulação diária de raios até 100 km do radar.
Em todos os experimentos pode-se observar uma atividade elétrica associada à convecção local, ou seja, 17 as 22 GMT, sendo o sítio de Belém o mais característico. Nos experimentos de Alcântara e Fortaleza foi possível observar uma atividade elétrica associada a uma componente de larga escala, uma vez que a incidência de raios estava distribuída ao longo do dia. Em teremos de acumulação de raios, todas as campanhas tinham em média menos de 300 raios por dia, exceto em alguns episódios observados em Alcântara e Belém que estiveram acima de 500 raios por dia. Este comportamento é esperado para a convecção associada a sistema marítimos, uma vez que estas
Figura 3.3.1. Distribuição horária e diária de raios observados durantes as campanhas de Alcântara (topo), Fortaleza(intermediária) e Belém(inferior),
Dessa maneira, após o processamento dos dados de radar, ou seja, correção de atenuação, será possível correlacionar as medidas de raios com as variáveis polarimétricas a fim de identificar os padrões associados ao desenvolvimento das tempestades, bem como foi o ciclo de vida das mesmas. Análises visuais durante os experimentos indicavam que algumas tempestades eram advectadas, porém muitas eram iniciadas por topografia.
Finalmente, após a aquisição do sensor de campo elétrico, fizemos uma intercomparação entre as medidas feitas com os field mills desenvolvidos na USP e o recém instrumento adquirido da Campbell, bem como uma calibração capacitiva. Nestes testes, identificamos alguns offsets em cada um dos instrumentos e ajustamos as curvas de cada sensor para que as medidas fossem consistentes. Dessa maneira, somente durante a campanha de Belém foi possível realizar as primeiras medidas de campo elétrico. Neste experimento, só instalamos 3 field mills porém nos próximos estaremos operando com pelo menos 6 instrumentos de medidas de campo elétrico. Na campanha de Belém instalamos dois field mills junto aos radares de apontamento vertical MRR (Outeiro e Benevides), para que possamos também entender qual é a variação do centro de cargas dentro da chuva.
Na Figura 3.3.2 são apresentadas a variação temporal das medidas de campo elétrico do sensor que foi instalado em Benevides com a indicação dos raios observados pela STARNET, As Figura 3.3.2a e 3.3.2b apresentam medidas coincidentes do radar de apontamento vertical com o campo elétrico durante a fase de calibração dos sensores na USP.
Na figura 3.3.2a podemos observar que os raios (barras verticais) estão sempre associadas a uma variação abrupta, e quando a descarga estava próxima observa-se um reverso de polaridade. Basicamente, quando ocorre uma descarga de retorno existe uma neutralização do centro de carga. Então o campo elétrico que estava aumentando é aniquilado após a conexão entre os 2 centro de cargas (o raio se propaga em direção ao outro centro de cargas). No exemplo da Figura 3.3.2a podemos também observar a aproximação da tempestade, ou seja, após as 20 GMT (158,84) o campo elétrico começa a aumentar positivamente, o que indica a presença de um grande centro de cargas negativo o que é consistente com a estrutura de cargas observada em outras localidade. Porém para determinar exatamente a estrutura vertical de cargas será necessário empregar as medidas dos outros 2 field mills, que proporcionaram soluções de um dipolo no momento.
Na Figura 3.3.2b é apresentado um exemplo de medidas coincidentes do radar de apontamento vertical e de campo elétrico durante o período de intercomparação dos sensores de campo elétrico. Este exemplo é possível observar claramente que a chuva esta transportando cargas positivas (campo elétrico fica negativo) e o colapso da tempestade onde observamos a oscilação do campo elétrico no final da tempestade. Estas medidas coincidentes foram feitas em Belém e servirão para identificar o tipo de tempestade e como os centros de cargas podem estar distribuídos, uma vez que estaremos resolvendo o problema inverso da lei de Coulomb.
Nos próximos meses estaremos analisando as medidas de campo elétrico para avaliar a calibração elaborada anteriormente a fim de obtermos medidas mais consistentes para disponibilizarmos para toda a comunidade. Além disso, estaremos reprocessando os dados da STARNET para o período de 2011 a fim de inserirmos o sensores que não estavam disponíveis no sistema em tempo real.
Finalmente, na próxima campanha do CHUVA a ser realizada no Vale do Paraíba (CHUVA-GLM em Novembro-Dezembro de 2011), conseguimos realizar uma parceria com o GOES-R da NOAA(EUA) no sentido de instalar uma rede de detecção de descargas atmosféricas em 3D de VHF em São Paulo, conhecida como LMA (Lightning Mapper Array) para validar o algoritmos de detecção de tempestades a partir do sensor LIS a ser lançado no próximo satélite americano. Como conseqüência, o projeto CHUVA estará coletando as medida do LMA entre o período de Outubro de 2011 a Junho de 2012. Posteriormente, graças a esta iniciativa, a EUMETSAT também estará instalando o sistema LINET para validar as medidas do satélite MSG e o sensor de raios do MTG. Já que teríamos dois sistemas que medem todos os tipos de descargas atmosféricas (intra-nuvem e nuvem-terra) , decidimos convidar a Vaisala, Weather Bug e a WSI a participarem deste experimento também, bem como a RINDAT, STARNET e WWLLN. Dessa maneira, conseguimos definir um novo experimento dentro do projeto CHUVA que irá possibilitar pela primeira vez na área de eletricidade atmosférica uma
(a) (b)
Figura 3.3.2) A- campo elétrico em função do tempo, b) Medida de refletividade do MRR e do file mill
3.4) WORKING GROUP – 4: CHARACTERISTICS OF THE BOUNDARY LAYER FOR DIFFERENT CLOUD PROCESSES AND PRECIPITATION REGIMES. Responsável: Gilberto Fisch.
As atividades principais deste subgrupo foram o de participar da fase de coleta de dados realizadas em Alcântara(MA), Fortaleza (CE) e em Belém (PA), estabelecendo parcerias com outros pesquisadores de outras instituições e de iniciar estudos sobre o experimento realizado em Alcântara (2010) descritos com maior detalhe no anexo 16. a) Fase de Coleta de Dados. Para o experimento de Fortaleza, os instrumentos adquiridos não foram recebidos pela empresa Campbel Scientific do Brasil e somente foram instalados (em Outeiro, PA) para a campanha de Belém. Entretanto, houve uma boa participação de pesquisadores da UFAL (veja Tabela) e da UECE (idem) nas atividades do projeto e de estruturação de atividades futuras. Com relação aos dados coletados na campanha de Belém (basicamente de estação meteorológica de superfície, fluxos turbulentos, balanço de radiação) estão sendo consistidos e serão analisados ao longo do ano de 2011. Nesta fase, ocorreu o envolvimento do Prof. Henrique Cattanio (UFPA) que ajudará nas análises dos dados coletados.
b) Fase de Simulação Numérica. Após uma reunião dos PIs do projeto em julho de 2011, ficou acertado períodos específicos em cada experimento (descritos na seção 3.4.5).
Estes períodos foram escolhidos por apresentar sistemas atmosféricos bem interessantes, sendo que há diversos casos em que a chuva vem do mar, da região da ITCZ. Portanto, serão realizadas simulações com grades aninhadas (por exemplo, 10, 5
e 1 km de resolução horizontal) para se obter características da grande escala. Serão utilizados, como dados de entrada, as análises do GFS.
Como forma de iniciar os testes de simulação, foi realizado um teste piloto para as simulações numéricas da Camada Limite para a região do CLA, utilizando-se do modelo numérico WRF. Como o WRF possui diversas versões foi selecionada a versão 3.21 para as rodadas de estudo, sendo que o modelo está instalado em um servidor HP com 2 processadores Intel xeon x5650, cada processador possui 4 núcleos de 2,40GHz de processamento (cada núcleo), 6 GB de memória RAM,2 HD de 146 GB para as simulações. Este equipamento faz parte do parque computacional do Instituto de Controle e Espaço Aéreo (ICEA), localizado dentro do DCTA (Departamento de Ciência e Tecnologia Aerospacial – antigo CTA, Centro Técnico Aeroespacial), que trabalha em cooperação com a Divisão de Ciências Atmosféricas do Instituto de Aeronáutica e Espaço (ACA/IAE). Foi utilizada uma configuração com duas grades aninhadas, ambas centradas no Centro de Lançamento de Alcântara (CLA) e razão de 1:3. A primeira grade possui resolução de 18 km com 130 x130 pontos de grade nas componente leste-oeste (zonal) e norte-sul (meridional), extensão de domínio de 55°W até 34°W e 12,5°S até 0,5°N. A segunda grade com resolução de 6 km com 112 x 112 pontos de grade, extensão de domínio de 47,5°W até 41,5°W e 5°S até 0,5°N. Para as duas grades, as simulações realizadas foram feitas com as seguintes opções de parametrizações: a) Microfisica (WRF Single-Moment 3-class scheme); b) Radiação de onda longa (RRTM); c) Radiação de onda curta (esquema de Dudhia); d) Camada Limite (?) de superfície (MM5 similarity); e) modelo de superfície de terreno (Noah Land Surface); f) Camada Limite Planetária (Yonsei University Scheme). As simulações foram feitas para 72 horas iniciadas as 12Z de 20/03/2010, sendo que o passo de tempo da simulação foi de 180s. Este dia foi escolhido inicialmente por apresentar um período intenso de chuvas e também por que foi feito uma análise detalhada de sua estrutura, pelo Dr. Reinaldo B. Silveira (SIMEPAR). Para elas foram utilizados dados de inicialização do tipo GFS de 0,5° de resolução. As simulações de 72 horas levaram em média 3 horas para serem completadas. Foram obtidos todos os dados meteorológicos que o modelo WRF disponibiliza. Os dados binários foram pós-processados para serem utilizados com o software GrADS, sendo que as imagens foram geradas no GrADS 1.9b. Os resultados ainda são preliminares, mas já mostram algumas características interessantes. Por exemplo, na Figura 3.4.1, é apresentada a precipitação na área, que, de certa forma, foi representado pelos dados obtidos pelo radar meteorológico. O diagrama termodinâmico mostra uma camada rasa bem úmida, como deveria se esperar pela presença da chuva (Figuras 3.4.2). A Figura 3.4.3 apresenta um corte vertical da chuva e mostra a ação de uma nuvem quente, com topo próximo da isoterma de 0 C (em torno de 5 km).
Figura 3.4.1: Taxa de chuva observado pelo radar meteorológico para o dia 22.03.2010 às 02:31 UTC.
Figura 3.4.2: Precipitação e Perfil Termodinâmico na região do CLA simulado para o dia 22 de março de 2010.
Figura 3.4.3: Secção vertical plana dos dados volumétricos observados pelo radar meteorológico do dia 22.03.2010, às 02:31 UTC.
O elemento climático vento é fundamental para se entender a dinâmica da formação da chuva, pois além de advectar os sistemas provenientes do Oceano, também auxiliam no desenvolvimento vertical. Os ventos estão sendo estudados e serão futuramente comparados com as radiosondagens realizadas no local. A Figura 3.4.4, mostra um exemplo da simulação do campo de vento simulada pelo modelo.
Figura 3.4.4: Escoamento de vento na grade 2 e perfil vertical do vento no CLA.
Os grupos formados (e liderados por pesquisadores ou professores) que estão trabalhando neste SG é o seguinte:
Nome Instituição Experimento Atividade de
pesquisa
Gilberto Fisch CTA/IAE Alcântara e Belém WRF e fluxos de superfície
Roberto Lyra UFAL Fortaleza WRF e fluxos
superfície Marco A. L. Moura UFAL Fortaleza Fluxos superfície
Rosiberto UFAL Fortaleza Fluxos superfície
Claudio Pellegrini UFSJ Belém WRF
João Bosco Leal Jr. UECE Fortaleza WRF
Gerson de Almeida UECE Fortaleza WRF
Cleber de Souza Correa
ICEA Alcântara WRF
As atividades de modelagem numérica foram divididas da seguinte maneira: a) grupo da UFAL e da UECE: rodarão o modelo WRF para o estudo de caso do
