NOTAS DE AULA - AULA 1
Disciplina: Meteorologia Aplicada
Professora: Rita de Cássia Marques Alves
1 ESTAÇÕES METEOROLÓGICAS
1.1 DE SUPERFÍCIE CONVENCIONAL
Observação dos fenômenos meteorológicos que ocorrem na troposfera ao nível
da superfície terrestre. Pode ser feita por instrumentos com leitura direta ou através de
instrumentos registradores. As leituras devem ser sistemáticas, ou seja, padronizadas no
tempo; uniformes, ou seja, com pessoas treinadas e devem ser ininterruptas, ou seja, não
falhar. No Brasil, na rede oficial as leituras são feitas às 9, 15 e 21 horas de Brasília que
correspondem as 12,18 e 24 horas GMT.
1.1.1 Classificação das estações meteorológicas de superfície quanto
à finalidade:
Estação sinótica: objetiva a previsão do tempo. As medições realizadas são direção e
velocidade do vento, temperatura do ar, umidade relativa do ar, chuva, pressão
atmosférica, nuvens, geadas. As leituras são realizadas as às 9, 15 e 21 horas.
Estação climatológica: tem por finalidade obter dados para determinar o clima de uma
região, após um histórico de no mínimo 30 anos de observação. As medições realizadas
são direção e velocidade do vento, temperatura do ar, umidade relativa do ar, chuva,
pressão atmosférica, nuvens, geadas, temperatura do solo, evapotranspiração, orvalho,
evaporação e radiação solar. As leituras são realizadas ás 9, 15 e 21 horas.
Estação agroclimatológica: tem por finalidade fornecer informações para estudar a
influencia do tempo (elementos meteorológicos) sobre as culturas, além de realizar
observações que determinam o crescimento e desenvolvimento das culturas.
1.1.2 Instalação de uma estação meteorológica
O Local onde é instalado convenientemente um conjunto de instrumentos que
descrevem de maneira sucinta as condições meteorológicas ocorrentes no momento da
observação.
Escolha do local: Devem ser representativos da região. Tem abrangência de cerca 150
km2 ao redor da estação. Requisitos da área:
a) exposição aos ventos gerais da região, devendo-se para não instalar em fundo de vale;
b) deve apresentar horizontes amplos, ou seja, não podem ter barreiras que impeçam a
incidência da radiação solar ou que modifiquem o vento;
c) distante de cursos d’água, pois modificam o balanço de energia;
d) o solo deve ser representativo da região, plano, que não acumulem água e deve ser
gramada a fim de minimizar o efeitos das diferentes texturas.
e) o acesso da estação deve ser voltado para o sul.
Montagem: a área que os aparelhos devem ocupar deve ser tal que evite o
sombreamento ou interfer6encia de um equipamento sobre outro. A estação deve ser
cercada a fim de evitar animais na área. A tela deve ser de arame galvanizado com
malha de 5cm e 1,5m de altura (OMM). O terreno deve ser plano, gramado e bem
drenado. Junto a estação deve existir uma casa de alvenaria que tem por finalidade
conter os instrumentos de medida de pressão, além do rádio amador.
Localização dos instrumentos: a finalidade é que um instrumento não interfira na
medição do outro. Na porção norte devem ficar os instrumentos que não podem ser
sombreados como o heliógrafo, actinógrafo, geotermômetros, tanques de evaporação,
pluviômetros e evapotranspirômetros. Na porção central deve ser instalado o abrigo
meteorológico, o qual deve ter a porta voltada para o sul. Na porção sul devem ser
instalados os aparelhos mais altos como, por exemplo, o anemômetro.
Cuidados gerais: A grama deve ser cortada periodicamente a fim de se manter a 10 cm
evitando-se o sombreamento de equipamentos. Os equipamentos devem ser calibrados
periodicamente. Cercas e mourões devem ser pintados de branco e as portas da estação
e do abrigo devem ser mantidas fechadas.
1.1.3 Instrumental
Abrigo meteorológico: tem por finalidade manter os instrumentos secos, livres da
precipitação e insolação.
Descrição – caixa de teto duplo, parede de venezianas com porta também de venezianas
que deve estar na direção sul. Deve ser de madeira e pintado de branco.
Instrumentos – termômetro de máxima, mínima, evaporímetro de piche, psicrômetro,
termohigrômetro
Instalação: terreno plano, coberto de grama rasteira. A base deve ficara altura de 1,20m
do solo. Deve ser nivelado sobre um cavalete ou pilar de alvenaria.
Heliógrafo: mede o número de horas durante o dia que os raios solares atingem
diretamente a superfície da terra num determinado local.
Descrição – compõem-se de uma perfeita esfera de cristal suspensa em suporte
semicircular, tendo por baixo uma armação metálica em forma de concha, na qual
existem seis ranhuras onde são colocadas as tiras de papelão. A tira curva comprida é
utilizada da metade de outubro até o fim de fevereiro. A tira reta é utilizada do princípio
de março até o meado de abril e do princípio de setembro até a metade de outubro. A
tira curva curta é utilizada da metade de abril até o fim de agosto.
Instalação – pilar em alvenaria de 1,0 x 0,3 x 0,3m, rebocado e esboçado, devendo ser
bem nivelado na sua base, as faces laterais devem ficar orientadas para o N,S,L,W. Os
ajustes devem existir a fim da boa carbonização da fita, devendo estar em nível, ou seja,
concentricidade, meridiano e latitude.
Manejo – a tira curta é colocada na ranhura mais curta do aparelho; a tira reta na
ranhura do centro e a tira comprida mais próxima ao pólo inferior do aparelho. A tira
deve ser substituída na leitura das 21 horas.
Actinógrafo: determina a quantidade de energia que atinge a superfície na terra (cal
cm2 dia-1). É denominada de radiação solar global.
Descrição: o elemento sensível a radiação é protegido por uma cúpula de vidro que
aciona um sistema de alavancas que registra a energia sobre um papel colocado sobre
um tambor acionado por meio de relojoaria. A radiação é recebida por três placas
bimetálicas uma enegrecida e duas brancas, que através de suas dilatações geram
energia.
Instalação: mesmo do heliógrafo.
Utilização - uma caloria = energia necessária para elevar 1 grau centígrado a
temperatura de um grama de água em qualquer instante do dia. A troca de fase de um
grama de água a 20oC, requer 585 Kcal, conhecida como calor latente de evaporação.
Termômetro de máxima: mede a temperatura máxima do dia à sombra.
Descrição – o elemento sensível é um bulbo cheio de mercúrio ligado um tubo capilar
que tem uma constrição nas proximidades da união com o bulbo. Aquecendo-se o
mercúrio o capilar dilata-se. Resfriando-se tende a voltar, mas fica restrito no capilar. A
leitura é dada pela dilatação que registra a temperatura.
Instalação – no abrigo meteorológico em posição horizontal, levemente inclinado, junto
com o de mínima.
Utilização – temperaturas extremas interferem no crescimento e desenvolvimento de
plantas. A leitura é realizada às 21 horas.
Termômetro de mínima: mede a temperatura mínima do ar à sombra.
Utilização – elemento sensível é o álcool. Dentro do álcool há uma pequena peça de
material em forma de halter que se movimenta quando a coluna retrocede em direção ao
bulbo. O halter deve estar junto ao menisco que se forma com o álcool. Por isso deve
ser movimentado nas horas mais quentes do dia.
Leitura – 9 horas.
Termohigrógrafo: registrar continuamente a temperatura do ar e umidade relativa do ar
à sombra.
Descrição – faixas de temperatura = -15 a +/- 40oC, com resolução de 0,5 oC.
Umidade relativa do ar: 0 – 100% com resolução de 3%, entre 20 e 80% nos extremos.
Instalação – Abrigo meteorológico
Manejo – calibração dos sensores, sendo cabelo humano para a umidade relativa e a
temperatura do ar é medida por sistema bimetálico.
Psicrômetro: aparelho constituído de dois termômetros. Um fluxo de ar pode ser
forçado a passar nos bulbos dos termômetros – ventilação forçada. Um termômetro
fornece a temperatura do ar (t). O segundo é coberto com uma gaze ou cadarço de
algodão que é umedecido com água destilada (tw). O ar passa e retira a umidade.
Instalação dentro do abrigo meteorológico em suporte próprio.
Utilização – Depressão psicrométrica = diferença entre (t – tw).
Evaporímetro de Piche: Considerações gerais: mede a evaporação potencial do ar a
sombra.
Descrição: tubo cilíndrico em vidro de 35 cm de comprimento e 1,5cm de diâmetro
externo. Graduado em 30cm3 com divisões a cada 0,1cm3. Apresenta uma extremidade
fechada denominada olhal que tem por finalidade pendurar o instrumento. A outra
extremidade, a inferior é aberta e dispõe de uma presilha para fechá-la por meio de um
disco circular de papel absorvente com espessura de 30 mm e 0,5mm de diâmetro,
fixado por capilaridade e mantido pela presilha.
Instalação – no abrigo meteorológico.
Os dados coletados, ou seja, a evaporação medida não leva em consideração os valores
de radiação solar. A evaporação é sensível a velocidade do vento e mantém relação
inversa com a umidade relativa do ar e não apresenta nenhuma relação com a
evapotranspiração.
Tanque classe A: servem para determinar a capacidade evaporante da atmosfera a fim
de medir a evaporação de uma superfície livre de água.
Descrição – diâmetro de 1,219m por 25,4cm de altura – chapa galvanizada número 22.
Assentado sobre caibros (estrado) nivelados com vãos cheios de terra. É constituído
ainda por:
Poço tranqüilizador: nivelado, onde se faz a leitura com aparelho chamado micrômetro
de gancho assentado em cima do poço tranqüilizador.
Em casos especiais deve-se colocar tela de arame hexagonal para evitar entrada de
galhos, folhas e pássaros. Nesse caso deve-se fazer a correção da leitura. Outro tanque
deve estar junto a fim de servir de depósito de água.
No tanque principal deve-se ter um termômetro de máxima e mínima flutuando sobre a
água do mesmo. Tornasse necessário um anemômetro para medir a velocidade do vento.
Manejo e operação – enche-se o tanque até 5 cm da borda superior . O nível de medida
permitida é 7,5cm a partir da borda superior, ou seja, a cada 25 mm de evaporação
deve-se recolocar água no mesmo.
O micrômetro tem precisão de 0,01 a 0,02mm.
Horário da leitura – 9 horas.
Pluviômetro: determina a precipitação pluvial (mm).
A altura de chuva é dada pela razão entre o volume inicial e a superfície em questão
Descrição – O mais comum é “Ville de Paris”. O recipiente é tronco cônico com área de
captação e torneira na parte afunilada inferior.
Instalação – em suporte a 1,5m em nível.
Manejo – após a chuva coletar e medir em proveta.
Pluviôgrafo: registrar a cada instante de tempo a precipitação pluvial, informando sobre
o total de chuva e a intensidade (mm/h).
Descrição – boca de captação de 200cm2 que vai descarregar a água em um depósito
que possui uma bóia. A medida que o depósito se enche de água, a bóia se eleva,
acionando uma pena que registra a precipitação num gráfico acoplado em um tambor. O
tamanho do depósito é limitado em 10mm. Na extremidade inferior possui um sifão
para escoar a precipitação captada.
Manejo - dar corda no sistema, trocar o gráfico, esgotamento do reservatório, trocar a
pena e observar a tinta da pena.
Catavento: dar a direção e sentido do vento. Alguns podem dar a velocidade expedita
do vento (m/s).
Descrição – metálico o qual tem em uma extremidade terminal em forma de cone que
indica o sentido de onde vem o vento e na outra extremidade duas aletas separadas por
um ângulo de 22o. O conjunto é móvel juntamente com um ponteiro que indica sobre
uma parte fixa a direção do vento. Na parte fixa estão os pontos cardeais e os números
representativos da direção do vento.
Instalação – canto sul a 8 – 10m.
Tipos:
1 – Biruta = dá o sentido, a direção do vento e ainda uma idéia de velocidade.
2 – Catavento tipo Wild = superfície metálica que sempre está perpendicular à direção
do vento. A velocidade é dada pela deflexão da superfície.
Anemômetro de concha ou caneca: três a quatro conchas, instaladas sobre um eixo
vertical fixado a uma engrenagem que movimenta um mostrador. Os dados são
acumulados e divididos pelo período.
Anemôgrafo universal: registra continuamente a intensidade do vento bem como a
direção e o sentido.
Sensor dines = determina a velocidade instantânea do vento – rajadas.
Robinson = integrador da trajetória.
Geotermômetro: determina a temperatura do solo.
Descrição – haste de vidro que apresenta uma saliência que é o ponto de referência que
deve ficar na superfície da terra. É fixado em suporte específico. Apresenta um bulbo
que deve ser enterrada no solo a profundidade desejada. As profundidades mais comuns
são: 2,5; 10 e 20cm na disposição leste/oeste. A menor profundidade deve ser colocada
no lado oeste. A extremidade superior da haste deve apontar para o norte. A variação da
medição é de -13 a 60oC, com subdivisões de 0,2 oC, podendo-se estimar até 0,1 oC.
Lisímetros: determina a evapotranspiração real das culturas.
Evapotranspirômetros: determina a evapotranspiração potencial
1.2 DE SUPERFÍCIE AUTOMÁTICA
As Estações Meteorológicas Automáticas (EMA's) ou também conhecidas como
Plataformas de Coleta de Dados (PCD's) surgiram da necessidade de inúmeras empresas
e instituições em obter regularmente informações colhidas em lugares remotos ou
espalhadas por uma região muito extensa.
A seleção adequada do sítio de instalação para Estações Meteorológicas
Automáticas é crítica para a obtenção de dados meteorológicos precisos. De modo geral,
o local deverá representar a área de interesse e apresentar-se livre de agentes
interferentes nas proximidades.
Como exemplos de agentes interferentes, citamos:
Construções e árvores impedem a livre circulação de ventos, podendo interferir na
mensuração da velocidade e direção deste. A temperatura e umidade relativa do ar
também podem sofrer alterações devido à formação de microclima alterando de
sobremaneira os valores. A radiação e precipitação atmosféricas poderão sofrer
“sombreamento” ou elevada exposição em casos onde o instrumento estiver localizado
próximo às barreiras ou áreas de reflexão.
Áreas de solo desnudo ou impermeabilizadas afetam a medição de algumas variáveis
meteorológicas, causando elevada amplitude térmica do ar, acarretando distúrbios
também na medição da umidade relativa do ar.
Inicialmente deve ser escolhido o local apropriado onde irá ser instalada a
estação meteorológica. A qual deve ser montada em um local plano, longe de
instalações elétricas que possam produzir interferências eletromagnéticas, como fios de
alta tensão, motores elétricos, etc. A distância recomendada do obstáculo é de pelo
menos 10 vezes a altura deste, ou seja, na hipótese de haver uma árvore com altura de
10 metros, a estação deverá ser montada a uma distância de 100 metros ou superior a
este obstáculo. A área recomendada pela maioria das agências de monitoramento é de
100 metros quadrados (10 x 10 m) com o solo preferivelmente coberto por grama ou
vegetação local de baixo porte. É desejável acesso restrito à área com instalação de
cerca com alambreado na altura máxima de 1,5 m e único acesso à área pela face Sul.
Selecionado o local da instalação da EMA, deve-se identificar e marcar a direção
Norte (usar sempre o Norte Verdadeiro – Geográfico). O método mais prático é
determinar o Norte Magnético com o uso de uma bússola e descontar a declinação
magnética do local.
Normas de localização e padronização dos sensores:
1) Sensor de Temperatura e Umidade Relativa do Ar (Termohigrômetro): O
Termohigrômetro é um instrumento que permite obter diretamente a Temperatura e a
Umidade Relativa do ar, através de dois sensores conjugados.
O conjunto sensor é protegido por um abrigo meteorológico que pode ser de
plástico ou alumínio na cor branca. Esse abrigo evita a exposição direta dos elementos
sensores aos raios solares e à chuva, além de garantir a livre circulação do ar permitindo
um equilíbrio com a atmosfera a sua volta. Esse conjunto sensor deve ser instalado no
lado oposto do sensor de radiação. Suas unidades de medida são:
Temperatura: ºC (Celsius);
Umidade Relativa: % (Porcentagem);
A medição poderá sofrer alterações em caso de: fortes fontes industriais de
calor; proximidade à coberturas (ou telhados); lugares íngremes ou abrigados; vegetação
alta ou ocorrência de aglomerações; locais mal drenados.
A Organização Meteorológica Mundial (OMM), entidade internacional ligada à
ONU, que coordena as atividades operacionais na área das Ciências Atmosféricas,
estabelece normas e alturas padrões para instalação dos instrumentos meteorológicos,
portanto, o conjunto sensor de temperatura e a umidade relativa do ar devem ser
efetuados a uma altura entre 1,25 a 2,00 m acima do terreno.
2) Sensor de Velocidade e Direção do Vento (Anemômetro): É um instrumento que
determina a direção e a velocidade horizontal do vento. Os sensores de vento deverão
ser instalados em área livre acima do nível do terreno ao seu redor, com distância
horizontal 10 vezes superior à altura do obstáculo. Em condições alguns casos a
distância horizontal pode ser reduzida para 3 vezes sua altura, sendo que valores
inferiores a estes inviabilizam por completo a representação do fenômeno. Suas
unidades de medida são:
Velocidade do vento: m/s Km/h;
Direção do vento: ° (Graus);
Altura de medição recomendadas e suas respectivas normas:
3,0 m ±0,1 m
2,0 m ± 0,1 m e 10,0 m ±0,5 m como opcional
10,0 m
3) Sensor de Radiação Solar Global (Piranômetro) Radiômetros são instrumentos
utilizados para medir a radiação solar. Dependendo do tipo da componente da radiação
medida, estes passam a ter nomes específicos, como exemplo, o aparelho para medição
da radiação solar global recebe o nome de Piranômetro.
A radiação solar incidente no topo da atmosfera terrestre varia basicamente com
a latitude e o tempo, a qual, ao atravessar a atmosfera, interage com seus constituintes e
parte dessa radiação que é espalhada em outras direções é especificada de radiação solar
difusa, a outra parte chega diretamente à superfície do solo é denominada de radiação
solar direta. Somando a radiação difusa com a direta obtém-se a radiação solar global. A
radiação solar global é medida por um radiômetro específico denominado Piranômetro;
a radiação terrestre (ou radiação líquida) é medida por um radiômetro denominado
Pirgeômetro e a radiação fotossinteticamente ativa por um Radiômetro PAR
(Photosynthetically Active Radiation).
Todos esses tipos de radiômetros são funcionalmente semelhantes e devem ser
instalados em suportes que garantam seu perfeito nivelamento com a normal e em locais
abertos sem a presença de sombras, obstáculos e áreas reflexivas. No Hemisfério Sul é
recomendado à instalação do instrumento na face Norte, minimizando a possibilidade de
sombras de sensores ou estruturas da estação meteorológica. Esta variável não é
dependente da altura do instrumento, mas recomenda-se instalação entre 1,5 m e 2
metros de altura, dada a facilidade de acesso.
Sua unidade de medida é: W/m² (Watts por metro quadrado).
4) Sensor de Precipitação (Pluviômetro): O sensor de precipitação ou pluviômetro é
um instrumento destinado a medir a precipitação (chuva) num intervalo de tempo.
A Organização Meteorológica Mundial (OMM) recomenda que o sensor de
precipitação atmosférica mantenha-se em local livre em distância igual ou superior a
quatro vezes a altura de eventuais obstáculos. A área de captação da precipitação deverá
estar posicionada em plano horizontal a uma altura de 1,5 m. De modo genérico, no
local de instalação de pluviômetros encontra-se recoberto por grama ou vegetação local
de baixo porte. Salientamos que pelo princípio de funcionamento da maioria dos
sensores de precipitação, é desejável o uso de suportes robustos como tubo de aço
galvanizado. Sua unidade de medida é: mm/h (milímetros por hora).
5) Sensor de Pressão Atmosférica (Barômetro): Denomina-se pressão atmosférica ao
peso exercido por uma coluna de ar, com secção reta de área unitária, que se encontra
acima do observador, em um dado instante e local. Fisicamente, representa o peso que a
atmosfera exerce por unidade de área. Pode ser instalado em qualquer orientação,
vertical ou horizontal. Normalmente instala-se no interior da caixa selada da Estação
Meteorológica, mas possuindo comunicação externa, onde é realizada a leitura da
pressão atmosférica. Sua unidade de medida é: mb (Milibar) ou hPa (Hecto Pascal).
6) Sensor de temperatura do solo: A medição da temperatura do solo deverá ocorrer
em área não superior a 1 m² e com a cobertura da superfície semelhante à de interesse.
O local deverá estar nivelado com a área ao seu redor em um raio de 10 metros.
Profundidades de medição:
10,0 cm ±1,0 cm
5,0 cm, 10,0 cm,
50,0 cm, 100,0 cm (WMO)
1.3 Estações Meteorológicas de altitude
As estações meteorológicas de altitude são equipadas com sistemas destinados a
observar e a traçar o perfil vertical de temperatura, pressão, umidade, direção e
velocidade do vento nas diversas camadas da atmosfera. As sondagens são executadas
por meio de um balão, lançado na atmosfera, contendo gás hidrogênio, ao qual é presa
uma sonda dotada de sensores, bem como de um sistema GPS para precisar os dados de
vento em altitude.
As informações colhidas por uma EMA são codificadas e transmitidas para
emprego da Meteorologia Aeronáutica. São informações importantes para o Banco de
Dados do Sistema de Vigilância Meteorológica Mundial da Organização Mundial de
Meteorologia (OMM).
A observação meteorológica da atmosfera, em altitude, utilizando métodos
diretos é conhecida por observação “aerológica”. Na execução de uma observação
aerológica são utilizados, em regra, balões meteorológicos de 600 gr (Figura 1), cheios
de hélio e que transporta uma radiossonda instrumento equipado com sensores para
medir grandezas meteorológicas (pressão atmosférica, temperatura e umidade relativa
do ar e vento ao longo da atmosfera na vertical) e que está dotado com emissor rádio e
um à superfície sistema de antenas (Figura 3) para transmissão de dados até ao receptor
instalado na estação à superfície do globo. A informação obtida pela radiossonda é
visualizada em tempo real em computador. No final, os dados são arquivados para
estudos locais e regionais e codificados na forma de código TEMP, para disseminação
nacional e internacional.
Os dados resultantes desta forma de observação são de extrema importância:
•
Inicialização de modelos numéricos de previsão do tempo;
•
Previsão local/regional a partir da determinação da estabilidade da atmosfera e
distribuição do conteúdo em vapor de água;
•
Estudos de poluição atmosférica através da determinação da estabilidade da
atmosfera e altura da camada de mistura;
•
Previsão dos efeitos da refração atmosférica na propagação de radiação
eletromagnética ou de ondas sonoras;
•
Segurança e economia das operações de navegação aérea;
•
Precisão e alcance balístico das operações de artilharia por intermédio da
densidade do ar calculada para uma dada pressão;
•
Estudos do clima em altitude, sua variabilidade e eventuais alterações, utilizando
registros de longa duração.
As informações aqui presentes foram obtidas de diversos materiais técnicos,
todos eles citando as publicações.
Referências Bibliográficas
The State Climatologist (1985). Publication of the American Association of State
Climatologist: Heights and Exposure Stardarts for Sensor on Automated Weather
Stations, V. 9, N° 4, Outubro, 1985.
EPA (1987). On-Site Meteorological Program Guidance for Regulatory Modeling
Applications, EPA – 450/4-87-013. Office of Air Quality Palnning and Standarts,
Research Triangle Parks, North Carolina 27711.
WMO (1983). Guindace to Meteorological Instruments and Methods of Observation.
World Meteorological Organization N°8, 5th edition, Geneva Switzerland.