ESTRUTURA DA CAMADA LIMITE ATMOSFÉRICA SOBRE A REGIÃO EQUATORIAL MARÍTIMA
José Francisco Oliveira Junior
Universidade Federal de Alagoas – Departamento de Meteorologia Cidade Universitária – 57072 – Maceió - AL
E-mail: junj@ccen.ufal.br
Byung Hyuk Kwon
Universidade Federal de Alagoas – Departamento de Meteorologia Cidade Universitária – 57072 – Maceió - AL
E-mail: kwon@ccen.ufal.br
Ricardo Sarmento Tenório
Universidade Federal de Alagoas – Departamento de Meteorologia Cidade Universitária – 57072 – Maceió - AL
E-mail: tenor@ccen.ufal.br
ABSTRACT
Atmospheric boundary layer over equatorial maritime continent was analyzed with L-band Doppler radar in Serpong, Indonesia. In the dry season, two types of strong echo appeared systematically on clear days. The first type is a strong echo layer from below 300 m (in the morning) to above 3 km (in the afternoon), which is identified with a diurnal variation of the top of the mixing layer. As expected, it is higher in the Indonesian equatorial region than in midlatitudes. Another type is a layered echo appearing at 2-3 km heights in the nighttime, which seem to be coincident with humidity gaps. In the rainy season, the atmospheric mixing height was lower than that in the dry season.
INTRODUÇÃO
O continente marítimo da Indonésia está localizado no centro do Oceano Pacífico – Índico, dentro de uma região de águas quentes. Nesta região encontra-se o centro de convecção atmosférica mais ativo do mundo, o qual acredita-se controlar o clima global incluindo as grandes variações intra-sazonal e interanual. É reconhecido que a dinâmica da Camada Limite Planetária (CLP) na região da Indonésia é muito importante para a compreensão dos mecanismos globais de controle do clima, associados ao continente marítimo cercado por águas de temperaturas altas. Por exemplo, a dinâmica da CPL governa a geração de convecção, e está relacionada às variações interanuais de cobertura de nuvens convectivas sobre o continente marítimo, com atenção especial ao comportamento do El Nitta et al., 1992). A climatologia da Ilha de Java é caracterizada por um ciclo anual de estações chuvosas e secas, e é afetada pela circulação dos Ventos Aliseos de leste sobre o Oceano Pacífico e Monçônica de oeste sobre o Oceano Índico. Altos cumulonimbus freqüentemente penetram através da
tropopausa e transportam vários constituintes troposfera para bem dentro da estratosfera (Holton,
1984). Estas nuvens também excitam várias ondas atmosféricas, como ondas de gravidade, ondas Kelvin, e outras oscilações de períodos longos (Tsuda et al., 1992, 1994a, b). Entretanto, para estudar as características essenciais da CLP sobre o continente marítimo perto da Indonésia se faz necessárias observações em o número limitado de satélites e radiossondas.
As observações efetuadas por programas internacionais para estudo da estrutura e das características da camada limite usando o BLR (Boundary Layer Radar - é um sistema móvel com um Radar Doppler banda-L) começaram em novembro de 1992 no PUSPITEK (Centro Nacional para Pesquisa, Ciência e Tecnologia) (6,4° S, 106,7° E; 50 m acima do nível do mar) em Serpong, Java Ocidental, no sudoeste da cidade de Jakarta. As observações são gerenciadas pela BPPT (Agência para Avaliação e Aplicação de Tecnologia) e LAPAN (Instituto Nacional de Aeronáutica e Espaço) pelo lado indonésio e pelo RASC (Centro de Ciência Atmosférica com Rádio) da Universidade de Kyoto, pelo lado japonês. Progressos recentes em tecnologia de radar e obtenção de perfis
Neste trabalho nós apresentamos primeiramente uma breve descrição do sistema BLR juntamente com o seu desempenho na obtenção das observações em Serpong. Evidências observacionais referentes à extensão vertical e às variações diurnas da CLP é descrita nas seções seguintes. Inclui-se também uma comparação entre as camadas de mistura atmosférica das estações secas e chuvosas.
RADAR CAMADA LIMITE (BLR)
Os parâmetros básicos do BLR são mostrados na Tabela 1. O BLR é um radar pequeno e transportável que MHz (banda-L), com uma potência de transmissão de pico de 1 kW. Foi projetado para receber ecos de retroespalhamento causados por flutuações no índice refrativo que por sua vez, são gerados por flutuações turbulentas na umidade e nos perfis de estabilidade atmosférica. Três antenas parabólicas são apontadas na vertical e duas em direções oblíquas alinhadas ao leste e ao norte com um ângulo de zênite de 15°. O BLR fornece perfis verticais das três componentes do vento, de parâmetros de turbulência (em dias claros) e de características de gotas de chuva (em dias chuvosos), na baixa troposfera, inclusive a CPL, com resolução temporal e vertical de cerca de 1 min em 100 m. Além disso, perfis de temperatura podem ser obtidos por meio do RASS (sistema acústico de sondagem por rádio), uma técnica não descrita neste trabalho. O BLR foi instalado em PUSPITEK, em outubro de 1992 e tem operado continuamente desde 9 de novembro de 1992. Controlado por um computador on-line, a operação do BLR; dispensa a intervenção humana, exceto na troca das fitas com dados gravados a cada 4 ou 5 dias.
Tabela 1. Principais Especificações do Radar Camada Limite.
No presente estudo foram utilizadas as informações de 64 níveis diferentes, isto é, entre 0,1 e 6,4 km de altura, para as observações com radar. Os ecos de radar, para cada uma das 64 alturas observadas foram integrados coerentemente, utilizando informações a cada 3,2 m por intervalo de 100 m, para formar o valor de uma amostra e então uma série temporal de 128 amostras foi armazenada. O espectro Doppler com 128 valores foi então calculado para cada altura, em aproximadamente 0,4 s, usando a Transformação de Fourier. A direção feixe do radar é mudada imediatamente depois da alteração do espectro Doppler. Finalmente foram calculadas as médias de 32 espectros Doppler para cada altura, obtendo-se os perfis verticais para 3 direções em aproximadamente 50 s, o tempo inclusive de transferência dos dados (~10 s) para o computador.
Valor
Freqüência 1357.5 MHz (Banda L)
Antena Três antenas parabólicas
Abertura 31 m2 (2 m de diâmetro)
Largura do feixe 7,6° (potência média)
Direção do feixe Fixo nas três direções
Transmissor Três amplificadores solid state
Potência máxima 1 kW (máximo)
Potência média 20 W (razão imposta de 20%)
OBSERVAÇÕES
No local do radar, parâmetros meteorológicos fundamentais como ventos de superfície foram monitorados juntamente com temperatura, umidade, precipitação, e radiação infravermelha solar e líquida usando instrumentação padrão. Além das observações rotineiras, foram realizadas duas campanhas de campo intensivas nas estações seca (8-15 de outubro de 1993) e chuvosa (15-22 de fevereiro de 1994). Em cada campanha foram feitas, no local do radar, aproximadamente 50 radiossondagens com intervalo 3 horas (Tsuda et al., 1995). Nesta seção descrevemos o desempenho do BLR em Serpong, principalmente com respeito às observações de intervalos de altura e à confiabilidade na medição do vento.
ALCANCE DA ALTURA DO BLR
A altura mais baixa de observação do BLR (neste trabalho a altura é mediada a partir do solo) é escolhida em cerca de 300 m do intervalo entre a transmissão e recepção do sinal. No entanto, ela é significativamente afetada pelos ecos indesejáveis (ground clutter) provenientes da topografia e de anomalias nas propriedades de propagação atmosférica. Em Serpong, os ventos puderam ser medidos a partir de 300 m, que é o limite do sistema do BLR. Isto se deve ao baixo nível de ruído dos ecos de fundo em Serpong, pois o local do radar foi selecionado levando-se em conta ausência de montanhas ou edifícios altos na proximidade. A altura da antena foi abaixada, e construída uma cerca de prevenção para minimizar os ecos indesejáveis.
As alturas máximas de observações com BLR dependem da intensidade do eco pela atmosfera. Na atmosfera clara sem precipitação, a intensidade do eco aumenta com umidade, temperatura, e com seus gradientes verticais. Foi notado que a maior altura em Shigaraki era um pouco mais baixa que 3 km mesmo sob condições adversas de umidade e temperatura, como em Agosto. Pela mesma razão, a cobertura de altura mostra grandes variações que dependem da hora local. Em dias claros a cobertura de altura é mais alta no meio da tarde e mais baixo durante a noite. O radar banda-L é muito sensível as partículas de precipitação (gotas de chuva ou cristais de gelo envolvidos em água), de forma que a cobertura da altura é em muito aumentada. Eco de precipitação estende-tropopausa em condições de convecção profunda, embora os dados sejam rotineiramente amostrados até cerca de 6,4 km. Nota-se, estritamente falando, já que a velocidade de queda mediada pela reflectividade é medida na precipitação, ela deve ser subtraída nas estimativas dos ventos horizontais.
MEDIDA DO VENTO
A medida de vento efetuada pelo radar BLR baseia-se na velocidade média radial Doppler dentro de um volume dado pela largura do feixe de 7,6° com uma resolução vertical de 100 m. A velocidade vertical determinada, usando uma inclinação vertical, correspondente ao valor médio para um volume rugoso de 130 m de largura por 100 m de espessura para cada 1 km de altura. Dado que a velocidade zonal e meridional são determinadas usando inclinações verticais e oblíquas de 15°, estas componentes de velocidade são os valores para um volume de cerca de 400m de largura e 100 m espessura em 1 km de altura, assumido que os campos de vento neste volume são homogêneo. As velocidades calculadas podem ser consideradas como valores instantâneos em
um tempo de amostragem (≈ 1 minuto), embora algumas médias sejam necessárias para que se obtenha valores
Os ventos obtidos simultaneamente com o BLR e com radiossondagens (VAISALA, RS80-15N; lançadas no local do radar a cada 3 horas) foram comparadas durante os períodos de 8-15 de outubro de 1993 e 15-22 de fevereiro de 1994. Considerando que uma radiossonda levava aproximadamente 15 min para atravessar o alcance de altura do BLR, calculamos as médias dos dados de BLR sobre um intervalo de 15 min após o lançamento da radiossonda. O BLR detectou variações de pequena escala comparada com aquelas da radiossondagens. A
inerente das observações de vento com o BLR é melhor que 1 ms-1. Nota-se que o BLR permiti obter perfis
tridimensionais de vento (incluindo a componente vertical somente quando não há precipitação) com maiores resoluções verticais e temporais que as das radiossondagens .
ajustada aos dados não considerando quaisquer picos que não fossem contínuos em altura e tempo. Esses detalhes
ESTRUTURA DA CAMADA LIMITE ATMOSFÉRICA EQUATORIAL
Nesta seção somente os resultados mais notáveis obtidos com o BLR em Serpong, Indonésia são discutidos. Existe uma evidência observacional com respeito à extensão vertical e variações diurnas da CPL equatorial, que mostra claramente estruturas distintas entre as estações seca e chuvosa.
Figura 1 mostra uma secção transversal tempo-altura da intensidade do eco (fator de reflectividade equivalente do radar) observado com o BLR em Serpong durante os períodos 10-12 de outubro de 1993 (estação seca). Embora variações de menores escalas estavam presentes, foram achados dois tipos de regiões com ecos fortes durante a estação seca. Primeiramente todas as manhãs, aproximadamente 0800 LT (Tempo Local igual ao tempo universal mais 7 horas), uma significativa camada de eco apareceu na altura mais baixa de observação (300 m) e gradualmente ascendeu até 3-5 km de altura aproximadamente pelas 1600 LT. Esta estrutura de camada é menos pronunciada à noite e é identificada como o topo da CLP (ou da camada de mistura) nas subseções seguintes. Segundo outro tipo de fina camada de eco (nós nomeamos este tipo de “eco de colar”) foi observado em alturas de 2-3 km durante 2000-1200 LT e descendo para cerca de 300 m pelas 0600 LT de todas às manhãs. Nestes três dias foram observadas variações diurnas na intensidade de potência dos ecos típicos de dias claros (sem qualquer precipitação no solo) na estação seca. Observações em outros dias claros mostraram variações diurnas semelhantes. Em dias nublados essas características eram tênues ou mesmo ausentes. Em dias chuvosos, surgiram ecos fortes causados pela precipitação, mas estes têm um comportamento típico totalmente distinto daquele dos ecos de ar limpos acima mencionados.
A Figura 2 mostra variações nas três componentes do vento como observadas com o BLR. Achamos que a direção e magnitude do vento mudaram drasticamente perto da camada de eco do tipo 1 (ascendendo) durante o dia e também próximo da camada de eco tipo 2 (camada tipo “colar”) à noite. Abaixo da camada de eco do tipo 1 (ou dentro da camada de mistura) o vento horizontal era geralmente fraco e a velocidade vertical forte e altamente variável. Abaixo da camada de eco tipo colar, tanto as componentes vertical e horizontal do vento eram variáveis, embora as flutuações na componente vertical eram relativamente mais fracas que aquelas abaixo da camada de eco tipo 1. Acima desses dois tipos de camadas, os ventos de leste predominaram durante todo o período de observação (pelo menos nesta estação). As velocidades verticais foram observadas ao redor de 1 km às 1200 LT também durante todo o período de observação. É possível que isto seja uma precipitação leve que não pode ser medida pelos instrumentos de superfícies.
Os ventos de superfície (aproximadamente acima
0 6 1 2 1 8 2 4 3 0 3 6 4 2 4 8 5 4 6 0 6 6 7 2 0 1 2 3 4 5 6 1 2 1 1 1 0 1 0 - 1 2 O u t u b r o 1 9 9 3 Altura (km) T e m p o ( L T ) 1 0 m / s
Figura 2. Seção transversal tempo-altura dos
ventos zonal-meridional. Médias horárias das observações do BLR, em Serpong, durante o período 10-12 de outubro de 1993. As flechas plotadas na parte inferior foram obtidas com um anemômetro padrão a aproximadamente 10 m sobre solo no local do radar. A direção do vetor é para cima quando o vento é de norte e para a direita quando é de leste. 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 0 1 2 3 4 5 12 11 10 10-12 Outubro 1993 -40,00 -36,67 -33,33 -30,00 -26,67 -23,33 -20,00 Tempo (LT) Altura (km)
Figura 1. Seção transversal tempo-altura do fator
equivalente de refletividade radar observado com o BLR. Média horária das observações no sentido leste, em Serpong, durante o período 10-12 de outubro de 1993.
de 10 m do solo), monitorados no local de radar com um anemômetro padrão (OGASAWARA, WS-A54) foram também plotados. Apesar das variações no vento ser menos intensas que aquelas observadas com o BLR, a direção do vento tende a ser de norte e de sul, durante o dia, respectivamente, ao longo do período de observacional. Julgamos que as variações diurnas dos ventos de superfície correspondem à circulação de brisa marítima, pois observatório está situado acerca de 40 km da costa sul de Java, e não há montanhas entre o observatório e a costa. A brisa marítima claramente alcançou aproximadamente 1 km de altura e havia vestígios de um escoamento superior de retorno. Entretanto, a brisa terrestre não foi claramente detectada pelas observações do BLR e era, como esperado, relativamente rasa.
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0 1 2 3 4 5 20 Fevereiro 1994 -40,00 -36,67 -33,33 -30,00 -26,67 -23,33 -20,00 Tempo (LT) Altura (km) 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0 1 2 3 4 5 21 Fevereiro 1994 -40,00 -36,67 -33,33 -30,00 -26,67 -23,33 -20,00 Tempo (LT) Altura (km)
Figura 3. Seção transversal tempo-altura do fator equivalente de refletividade radar observado com o BLR.
Média horária das observações no sentido leste, em Serpong, 20 de fevereiro (à esquerda) e 21 de fevereiro (à direita), 1994. 0 6 1 2 1 8 2 4 0 1 2 3 4 5 20 Fevereiro 1994 Altura (km) Tempo (LT) 10 m/s 0 6 12 18 24 0 1 2 3 4 5 21 Fevereiro 1994 Altura (km) Tempo (LT) 10 m/s
Figura 4. Seção transversal tempo-altura dos ventos zonal-meridional. Médias horárias das observações do
BLR, em Serpong, 20 de fevereiro (à esquerda) e 21 de fevereiro (à direita), 1994. As flechas plotadas na parte inferior foram obtidas com um anemômetro padrão a aproximadamente 10 m sobre solo no local do radar. A
Como na estação seca, a estrutura da CLP equatorial é mostrada através do perfil vertical da potência de eco e vento horizontal para a estação chuvosa. Figura 3 mostra a seção transversal tempo-altura da intensidade de eco como observada pelo BLR 20 e 21 de fevereiro de 1994, respectivamente. Das 0600 LT a camada de mistura se desenvolveu e alcançou uma altura de cerca de 1,5 km às1500 LT no dia 20 de fevereiro. A altura máxima é mais baixa do que a altura da camada de mistura na estação seca que é desenvolvida
de calor de superfície. No 21de fevereiro, ecos fortes não apareceram acima 1 km durante o dia. Após o
um outro eco forte foi observado sistematicamente devido às falhas na umidade. De acordo com perfis da temperatura potencial virtual, observados com radiossondagens lançado no local do radar a aproximadamente cada 3 horas, a camada de eco apareceu próxima a camada de mistura, definida por uma temperatura potencial virtual praticamente constante. Considerando os mecanismos de formação de eco de ondas de rádio, supomos que uma turbulência e flutuações forte na componente vertical vento estavam ocorrendo dentro da camada de mistura. A falha distinta nas distribuições verticais de umidade e temperatura também contribui para gerar uma forte camada de eco observada com o BLR (Angevine et al., 1994).Na figura 4 ventos observados com o BLR na estação chuvosa, não foram afetados por sistema meteorológico local como, por exemplo, a brisa marítima. Os aliseos durante estes dois dias eram mais fortes que os ventos na estação seca. Este vento de leste não produziu nenhum cisalhamento de origem que pudesse causar o desenvolvimento da camada de mistura atmosférica. Em conseqüência, a camada de mistura não pôde se desenvolver na estação chuvosa quando os fluxos de calor eram fracos e cisalhamentos ausentes.
CONCLUSÃO
A CLP sobre o continente marítimo equatorial foi estudada com um radar Doppler (banda-L). Conseguimos com sucesso fazer uma série de observações com o BLR em Serpong na Indonésia equatorial, desde de novembro de 1992. O bom desempenho do BLR foi testado com observações meteorológicas convencionais simultâneas. Mesmo os resultados preliminares aqui obtidos, o BLR mostra que existem pronunciadas variações diurnas na CLP em dias claros na região equatorial, mas que estas apesar de similares com as das latitudes médias (em estação seca) são bem mais espessas. Na estação chuvosa, a mixagem atmosférica não se desenvolveu devido aos fracos fluxos de calor e nenhum cisalhamento do vento. Algumas características da CPL equatorial descritas
CPLs das latitudes médias. Isso prova que às observações de BLR deve desempenhar um importante papel em vários estudos da baixa atmosfera equatorial.
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