ANÁLISE DAS CONDIÇÕES METEOROLÓGICAS DE SUPERFÍCIE ANTECEDENTES À
PRECIPITAÇÃO DE ORIGEM CONVECTIVA NA CIDADE DE SÃO PAULO
Alessandro Santos Borges
Augusto José Pereira Filho
Universidade de São Paulo – USP/IAG/DCA
Rua do Matão, 1226, São Paulo, SP, 05508-900
[email protected]
Abstract
Surface measurements of meteorological variables within the City of São Paulo during the summers of
1997/1998, 1998/1999 and 1999/2000 were used to characterized surface conditions before and after the inflow of the
local sea breeze. Results indicate that the dew point temperature has a significant correlation with the amount and the
timing of precipitation. The dew point temperature can also be used to nowcasting convective activity with a lead time
of about 30 minutes.
1- INTRODUÇÃO
As pancadas de chuva localizadas são muito freqüentes no verão durante períodos de baixa atividade sinótica
(Silva Dias, 1997; Pereira Filho, 1991). Estudo recente de Xavier et al. (1994) evidenciam alterações climáticas no
regime de precipitação na cidade de São Paulo principalmente os de origem convectiva. Dados do radar meteorológico
de São Paulo do verão de 1998 mostram um núcleo de maior precipitação sobre a Grande São Paulo para episódios de
convecção (Pereira Filho, 1999). Neste estudo, há fortes indícios de mudanças rápidas na umidade do ar associadas à
penetração da brisa marítima (Oliveira e Silva Dias, 1982; Carrera e Silva Dias, 1990).
O movimento de ar ascendente pode estar associado com forçantes atmosféricas de larga escala, como sistemas
frontais ou com instabilidade local na distribuição vertical de temperatura e umidade atmosféricas (Eltahir e Paul,
1996). Neste último caso, caracterizam-se as chuvas convectivas, as quais ocorrem geralmente durante os períodos de
verão. Estudos da circulação local, mostram que penetrações de brisa marítima em São Paulo ocorrem às 1700 UTC,
na maioria das vezes. Oliveira e Silva Dias (1982) desenvolveram um estudo climatológico que visava detectar as
características básicas dos sistemas de circulação térmica que atua com bastante freqüência na região da Cidade de São
Paulo, situada cerca de 60 Km do Oceano Atlântico, à 800 m acima do nível do mar e separada deste pela Serra do Mar
(Figura 1). A circulação térmica associada à brisa marítima modifica o padrão de ventos, da umidade e da temperatura
em mesoescala.
Figura 1: Mapa topográfico 3D da bacia do Alto Tietê, Leste do Estado de São Paulo. A localização da estação
meteorológica esta indicada pelo sinal de "+". A linha azul à direita indica o Rio Tietê e à esquerda o Rio Pinheiros.
Represas e lagos não estão mostrados.
1399
Temperatura e umidade na superfície são importantes nos processos termodinâmicos destes sistemas
associados às instabilidades locais. Tais condições superficiais podem ser adequadamente especificadas pela
temperatura do ponto de orvalho, pois esta caracteriza ambas a temperatura e a umidade na superfície (Eltahir e Paul,
1996). Neste estudo, a temperatura do ponto de orvalho foi uma das variáveis mais representativas. Observa-se um
aumento da temperatura do ponto de orvalho antes da ocorrência da precipitação durante os eventos de chuva
convectiva na cidade de São Paulo.
Desta forma, esta pesquisa visa analisar as condições de superfície que antecedem chuvas convectivas na
cidade de São Paulo no período de verão de 1997/1998, 1998/1999 e 1999/2000 com os dados medidos na estação
meteorológica automática da Cidade Universitária (Figura 1), e avaliar o efeito da penetração da brisa marítima na
evolução temporal das variáveis meteorológicas.
2- M ATERIAL E MÉTODOS
A caracterização dos episódios de chuva convectiva foi feita a partir dos dados de superfície de temperatura,
temperatura do ponto de orvalho, pressão, vento e precipitação acumulada medidos na estação meteorológica
automática da Cidade Universitária, com registros a cada 30 minutos. Para eventos mais específicos foram utilizados
dados do satélite GOES-8, os quais permitiram caracterizar melhor os eventos em estudo e avaliar melhor os dados
obtidos para a região representada pela estação meteorológica.
Também foram estimadas outras variáveis atmosféricas, tais como a pressão de vapor, pressão de vapor de
saturação, temperatura potencial, temperatura potencial equivalente, razão de mistura, razão de mistura de saturação,
pressão do nível de condensação por levantamento (Betts, 1999) e índice de refração modificado a partir dos dados.
Caracterizaram-se os aspectos climatológicos do período em estudo, observando o comportamento das
variáveis ao longo do tempo. Inicialmente, utilizou-se os dados dos meses de verão para obtenção de médias mensais
da temperatura do ponto de orvalho e precipitação acumulada. Em seguida realizou-se um estudo da evolução diurna
média destas variáveis meteorológicas, utilizando-se todos os dados disponíveis para o período.
A etapa seguinte consistiu em avaliar e agrupar ordenadamente os eventos que se caracterizaram como sendo
de chuva convectiva decorrentes da penetração de brisa marítima e aqueles que apresentaram evolução dos dados de
superfície semelhantes aos de eventos de chuva convectiva mas não choveu na estação meteorológica. Foram
escolhidos aqueles que apresentaram forte e rápida variação de Td decorrentes da penetração da brisa marítima, a qual
foi identificada pela mudança na direção e intensidade do vento.
3- RESULTADOS E DISCUSSÃO
A média mensal da temperatura de ponto de orvalho é maior nos meses de verão. Este resultado, consistente
com a equação de Clausius-Clapeyron, é devido ao maior de entranhamento de vapor d'água causado pelo aumento de
temperatura ou energia cinética molecular dos constituintes gasosos do ar. Desta forma, maiores acumulações de chuva
também ocorrem neste período, sendo o verão de 1997/1998 foi o de maior acumulação.
A temperatura do ponto de orvalho média ao longo do período decresce a partir das 2200 UTC até 1600 UTC
(Figura 2a) do dia seguinte, com ligeiro aumento logo após o amanhecer devido à evaporação do orvalho sobre a
superfície. A partir das 1600 UTC ocorre um aumento considerável de Td às 2000 UTC, em geral associado à
penetração de brisa marítima na cidade de São Paulo. O início dessa elevação coincide com o valor máximo de
temperatura do ar registrado durante o dia (Figura 2b).
1400
A
B
C
D
Figura 2: Evolução temporal da temperatura do ponto de orvalho média (a) , temperatura do ar média (b), vento zonal
(azul) e meridional (vermelho) médios (c) , e precipitação média acumulada em 30 minutos (d), para todo período
estudado para todo período estudado.
A precipitação média acumulada em 30 minutos é maior a partir de 1530 UTC (12:30 HL), atingindo máximo
às 2000 UTC (17:00 HL) e decrescendo à noite (Figura 2d). Observa-se que a maior média de chuva ocorre cerca de
uma hora depois da máxima temperatura do ponto de orvalho durante o dia. Por meio da evolução temporal do vento
zonal e meridional, observa-se que a brisa marítima penetra preferencialmente entre 1500 UTC e 1600 UTC (Figura
2a), onde há um aumento da temperatura do ponto de orvalho (Figura 2c) e correspondente aumento das precipitações
(Figura 2d).
Identificaram-se os casos em que ocorreram chuvas convectiva decorrentes da penetração de brisa marítima em
São Paulo. Foram registrados os valores de Td antes da penetração da brisa, e o Td final atingido devido à entrada da
brisa, assim como o tempo de duração desta transição. O horário considerado para cada evento foi o da ocorrência do
maior valor de Td atingido devido à brisa. Nos casos de ocorrência de chuva convectiva, foram registrados o horário da
ocorrência de maior pico da precipitação acumulada e sua duração.
No total foram 55 casos de ocorrência de chuva convectiva, 19 casos em que a chuva coincidiu com a fase de
elevação da Td e 120 casos em que não ocorreram registros de precipitação. Porém estes 120 casos correspondem
somente à não ocorrência de chuva sobre a estação meteorológica, há casos em que não houve registros de precipitação
sobre a estação meteorológica mas que não descartam a possibilidade de ocorrência de chuva sobre outras regiões da
cidade. Para estes três diferentes eventos, obteve-se o valor médio de Td inicial, Td final, horário de ocorrência,
precipitação acumulada, duração e horário de pico da chuva, o qual é apresentado na Tabela 1. Os valores de Td inicial
e Td final correspondem respectivamente ao valor de Td antes da penetração da brisa, e o Td atingido devido a sua
entrada.
1401
Estes resultados sugerem que o horário de penetração da brisa marítima pode determinar a intensidade da
chuva convectiva. A penetração da brisa anterior ao horário de máxima temperatura, pode aumentar a nebulosidade e,
portanto, reduzir a radiação solar incidente na superfície, diminuindo o nível de instabilidade convectiva. Por outro
lado, caso ela penetre muito mais tarde, pode haver um redução da instabilidade convectiva devido a perda radiativa de
onda longa e redução da energia solar incidente.
Td inicial Td final Horário
Chuva convectiva
Chuva e Td
coincidentes
Sem registros de
precipitação
Precipitação Duração da Horário do pico
acumulada
chuva
de precipitação
8,9
2,2
17,3
17,7
21,5
16,2
18,7
21,5
15,6
4,5
1,5
15,7
14,5
19,0
15,9
-
-
-
Tabela 1: Valores médios de Td (oC) inicial e final, do horário de penetração da brisa (HL), da chuva acumulada (mm),
da duração (h) e do horário de pico (HL) da precipitação para três situações indicadas na coluna da esquerda.
Realizou-se um estudo de padrões das variáveis de interesse para os eventos de chuva convectiva sobre São
Paulo, utilizando histogramas (Figuras 3, 4 e 5). Pela distribuição de temperatura do ponto de orvalho na condição
inicial da entrada da brisa, observa-se que as maiores ocorrências estão para Td na faixa dos 17 aos 19oC, sendo 31%
para Td de 18oC e 18% para ambos Td de 17 e 19oC. Por meio da distribuição de temperatura do ponto de orvalho na
condição após a penetração da brisa marítima, constata-se que há uma faixa preferencial para valores elevados de Td,
na ordem de 20 à 22oC. Td à 21oC ocorre em 29% dos casos, enquanto que para temperaturas de 20 e 22oC a proporção
é de 22% e 24% respectivamente. Ocorreram eventos de chuva convectiva em que o Td final ficou acima dessa faixa,
no entanto eles não aparecem tão representativos dado que tais eventos são mais difíceis de ocorrerem. Para valores
abaixo desta faixa a probabilidade de ocorrer chuva convectiva é muito pequena, cerca de 9% se levando em conta
todos os casos com Td abaixo de 20oC.
A
B
Figura 3: Distribuição de freqüência da temperatura do ponto de orvalho (Td) em oC, para a condição em que se dá
início à penetração da brisa marítima (a) e após a penetração da brisa marítima (b).
Há um valor limite de Td após a penetração da brisa marítima que conduz a um evento de chuva convectiva, em
torno de 20oC. Em geral o máximo ocorre às 1900 UTC (30,9% dos casos), podendo ocorrer antes às 1800 UTC
(18,2% dos casos) e 2000 UTC (16,4% dos casos).
Todos os eventos de verão, indicam que há uma probabilidade de 57,0% de ocorrência de valores de Td na
faixa dos 17 aos 20oC, sendo que Td de 19oC é o mais provável de ocorrer (18,5%). A duração da transição de Td na
1402
condição inicial para a final é de cerca de 30 minutos (43,6% dos casos), no entanto foram observadas transições mais
longas de uma hora (34,5% dos casos) e duas horas (20,0 % dos casos).
Figura 4: Freqüência dos horários de precipitação acumulada em 30 minutos.
Em geral, os picos de chuva acumulada em 30 minutos variam de 0,5 mm a 2,0 mm (32,7% dos casos), porém
há diversas ocorrências acima desta faixa o que perfazem os 67,3% dos casos restantes. As chuvas ocorrem em geral às
2000 UTC (21,8% dos casos), o que corresponde à uma hora após a ocorrência do Td máximo durante o processo de
transição. As ocorrências de chuva em outros horários também foram marcantes, como às 1900 UTC horas (16,4% dos
casos) e às 2100 UTC (14,5% dos casos).
Figura 5: Probabilidade de ocorrência de chuva para cada hora do dia.
1403
Figura 6: Precipitação média acumulada em 30 minutos associada a cada Td. Pontos indicam a valor médio e as barras
verticais o desvio padrão.
Figura 7: Probabilidade de ocorrência de chuva para um dado valor de temperatura do ponto de orvalho.
As chuvas na cidade de São Paulo ocorrem mais no decorrer da tarde durante os períodos de verão. Há uma
probabilidade de 34,2% para a ocorrência de precipitação durante as 1600 e 2100 UTC. Após este horário a
possibilidade de chuva ainda é representativa, mas decaí com o decorrer da noite. Ainda durante o verão, a
probabilidade de chuva para um dado valor de Td aumenta quase que linearmente em função de Td, onde o coeficiente
de correlação observado entre P(R/ Td) e Td é de 0,84 (Figura 7), e os eventos de chuva mais intensos estão associados
a altos índices de Td (Figura 6), de acordo com a equação de Clausius-Clapeyron.
1404
4- CONCLUSÕES
A previsão de chuva convectiva a curtíssimo prazo na cidade de São Paulo no período de verão pode ser
melhorada a partir do monitoramento da temperatura do ponto de orvalho. A probabilidade de ocorrência de um evento
de chuva aumenta quase que linearmente em função desta variável. O valor crítico de Td nos eventos de chuva
convectiva é da ordem de 20 oC e corrobora com os resultados de Eltahir e Paul (1996). Durante o verão, este limite é
excedido por meio do aporte de umidade da brisa marítima a qual geralmente ocorre durante o período da tarde
preferencialmente as 17:00 HL.
A chuva convectiva é bastante sensível às variações das condições próximas da superfície, em especial quanto
à temperatura e umidade. A temperatura do ponto de orvalho demonstra ser suficientemente eficaz na caracterização
dessas variáveis meteorológicas. Portanto, este estudo possui diversas aplicações, que vão além do desenvolvimento de
modelos de precipitação para propósito de simulação, sendo útil para avaliar a variação de regimes de chuva para com
as mudanças ocorridas na superfície.
5- AGRADECIMENTOS
Ao Dr. Ricardo de Camargo pela sua generosidade em nos fornecer os dados da estação meteorológica. Ao
Instituto Astronômico e Geofísico pelo suporte financeiro do primeiro autor para o desenvolvimento desta pesquisa
6- REFERÊNCIAS
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CPTEC/INPE, Cachoeira Paulista – SP.
Carrera, C. V. M. e Silva Dias, P. L.; 1990: Estudo da entrada da brisa marítima no estado de São Paulo; In:
CONGR.BRAS. de METEOROLOGIA, 6o, v.1, p 315 - 319
Eltahir, E. A. B. and J. S. Paul, 1996: Relationship between surface conditions and subsequent rainfall in convective
storms. J. Geophys. Res.,101, 26237-26245
Oliveira, A. P. e Silva Dias, P. L.; 1982: Aspectos Observacionais da brisa marítima em São Paulo; In: CONGR.
BRAS. de METEOROLOGIA, 2o, Pelotas, 1982, v.1, p 129 – 161.
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29th Conf. on Radar Meteor. 939-940. AMS, Montreal, Canadá.
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