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UM NOVO ÍNDICE DE INSTABILIDADE – O ÍNDICE CK
Daniele Rodrigues Ornelas de Lima1
Wallace Figueiredo de Menezes2
Otto Corrêa Rotunno Filho3
Resumo
Propõe-se a utilização de modelagem numérica utilizando o modelo RAMS (Regional
Atmospheric Modeling System), em sua versão 4.3, na análise do caso de tempestade ocorrida entre a
noite do dia 16 e madrugada do dia 17/02/2004 na bacia hidrográfica do rio Manso (MT),
conjuntamente com índices de instabilidade.
Propõem-se a introdução de um novo índice de
instabilidade, denominado CK, como ferramenta para previsão de tempo.
Abstract
It is considered the use of numerical modeling with the model RAMS (Regional Atmospheric
Modeling System), in its version 4.3, the analysis of the storm case occured in the night of 16 and in
dawn of 17/02/2004, in the basin of the Rio Manso (MT), jointly with instability indices. We consider
the introduction of a new instability index, called CK, as tools to subsidize the elaboration of the
weather forecast.
Palavras-Chave: Tempestades Severas, Modelagem Numérica, Índices de Instabilidade
INTRODUÇÃO
É apresentado um estudo de caso de chuvas intensas ocorrido na noite do dia 16 de fevereiro de
2004 e, com impactos na operação da Usina Hidrelétrica de Manso, sul do Mato Grosso. A abordagem
deste estudo de caso enfatizou, principalmente, o uso combinado da modelagem numérica com os
índices de instabilidade na determinação de ambiente favorável ao disparo de convecção.
MENEZES (1998) comenta que essas tempestades, eventos na escala meso-γ (ORLANSKI,
1975), são caracterizadas por dimensões espacial e temporal muito reduzidas e, de dificílima
previsibilidade. Assim, a utilização de um modelo numérico de prognóstico do tempo, com altas
resoluções espacial e temporal, para um melhor entendimento da dinâmica dos fenômenos regionais e
locais, apresenta-se como ferramenta extremamente útil para aumentar a sua previsibilidade.
1)
[email protected]; 2) [email protected]; 3) [email protected]
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Um aspecto extremamente relevante a ser abordado, quando se fala em previsão da gênese de
tempestades, é relativo a informação que pode ser extraída dos chamados índices de instabilidade.
Dadas as dificuldades de previsão de tempo para região estudada, a proposta de um novo indicador de
tempo severo é visto como resultado bastante relevante na melhoria da previsibilidade desses sistemas.
MATERIAL E MÉTODOS
Propõe-se a utilização de modelagem numérica utilizando o modelo RAMS, em sua versão 4.3.
Foram utilizados nas análises: dados de precipitação de Furnas Centrais Elétricas S.A; imagens do
satélite GOES-12, fornecidas pelo Laboratório de Prognósticos em Mesoescala (LPM) da UFRJ;
informações de estimativa de precipitação por satélite (hidroestimador), fornecidas pela Divisão de
Satélites Sistemas Ambientais (DSA) do CPTEC.
Definiram-se três grades para simulação, a primeira com menor resolução espacial (G1 ou grade
mãe), a segunda (G2) aninhada a primeira e, por último, a terceira de maior resolução e centrada na
bacia do Manso (G3), aninhada a segunda, cujas características mais gerais estão apresentados na
Tabela 3.1. A estrutura vertical do modelo foi a mesma nas três grades, sendo utilizado um sistema de
grade telescópica onde os níveis mais próximos à superfície possuíam resolução maior, diminuindo a
resolução para níveis mais altos. O espaçamento entre os níveis na vertical, Δz, tem um valor mínimo
de 100 m próximo à superfície. Esse espaçamento vai, sucessivamente, aumentando de um fator de 1,2
até atingir 500 m. A partir de então, mantém-se fixo até o topo do modelo.
Tabela 1 Configuração horizontal das grades e resolução temporal das simulações numéricas.
Grade
G1
Δx*
Δy*
Δt*
Pontos
em x
Pontos
em y
Pontos
em z
50
50
60
67
67
36
86
128
86
128
36
36
12.5 12.5
20
G2
3.1
3.1
7
G3
*Medidas de espaço em km e tempo em segundos
Região geográfica compreendida
Regiões sul, sudeste e centro-oeste e
sul das regiões norte e nordeste.
Estado do Mato Grosso
Bacia hidrográfica do rio Manso
As parametrizações e configurações básicas utilizadas nas simulações foram: parametrização de
radiação de CHEN e COTTON (1983); parametrização de convecção de Kuo modificada (KUO, 1965;
KUO, 1974 e MOLINARI, 1985); parametrização de microfísica completa de FLATAU et al. (1989);
parametrização de turbulência de MELLOR e YAMADA (1982); forma não-hidrostática do modelo,
compatível e fundamental para simulação em mesoescala; efeito de Coriolis; modelo de solo ativado
com 5 pontos, utilizando-se solo úmido (80%) em seu primeiro nível; fronteira superior com topo
rígido; fronteiras laterais radiacionais (ORLANSK, 1994); inicialização e alimentação nas bordas a
cada seis horas com reanálises do NCAR/NCEP na primeira grade. O experimento foi inicializado com
os dados das 12TMG do dia 16 de fevereiro de 2004, sendo que a assimilação foi feita por 36 horas.
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[email protected]; 2) [email protected]; 3) [email protected]
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UM NOVO ÍNDICE DE INSTABILIDADE – O ÍNDICE CK
Para que exista a formação de convecção profunda é necessário a ocorrência simultânea de:
Condição termodinâmica favorável, normalmente denotada pela ocorrência de instabilidade
termodinâmica na atmosfera; e Efeito forçante ou “gatilho” para o disparo da convecção, que
representa algum mecanismo que produza levantamento deste ar instável, de forma que a convecção
seja iniciada.
Uma das características ambientais favorável à formação de sistemas convectivos refere-se à
presença de umidade em baixo-médio níveis (fornecida aqui pelo Índice K). Contudo, há a necessidade
de se transportar essa umidade na vertical, com posterior condensação do vapor d’água e formação da
nuvem convectiva. Há necessidade de haver não apenas umidade disponível em baixos níveis, mas
convergência dessa umidade. Sendo assim, introduzimos um novo “indicador para convecção” (ou
novo índice), que represente uma combinação desses efeitos dinâmico (forçante) e termodinâmico.
Este índice novo é calculado a partir de um simples produto entre o índice K e a divergência em baixos
níveis, 925hPa e foi denominado “Índice CK”, o qual é definido por CK = K ⋅ ⎛⎜ ∂u + ∂v ⎞⎟ , onde:
⎜
⎟
⎝ ∂x
∂y ⎠
u–
componente zonal do vento, v – componente meridional do vento e K – Índice K.
CK é válido para valores positivos de K e pode ser calculado facilmente a partir das variáveis
simuladas pelo modelo utilizado. CK pode ser representado na forma de campo na região do domínio
estudado e, como depende da convergência, não pode ser calculado pontualmente a partir de uma única
sondagem atmosférica.
Vale chamar atenção que, como K é um número positivo, e que “convergência” (que é a
forçante) é representada pelos valores negativos da divergência, então a maneira de CK denotar
situações favoráveis ao disparo de células convectivas é quando este apresenta valores negativos. E
quanto menores (mais negativos) forem estes valores, mas favorável será a situação.
Uma proposta e sugestão aqui deixada é a de que este novo índice venha a ser testado e estudado
em diversos outros casos de tempestades convectivas, principalmente naqueles casos onde os modelos
numéricos não tenham sido capazes de prever chuva associada a tempestade. Estes estudos serão
importantes para um melhor conhecimento do comportamento de índices deste tipo em situações de
chuvas intensas de caráter local, e também para tentar encontrar e estabelecer valores típicos e limiares
para CK, que venham a representar situação favorável e/ou preferencial para o disparo e evolução de
tempestades.
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[email protected]; 2) [email protected]; 3) [email protected]
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RESULTADOS E DISCUSSÕES
Descrição do caso
Durante a estação chuvosa de 2003/2004, o valor máximo de precipitação acumulada em 24
horas no trecho a montante (incremental) da usina de Manso foi de 116 mm, no posto de Fazenda
Brasil em 17/02. A chuva de caráter extremamente localizado ficau restrita a porção norte da bacia,
sendo praticamente nula na parte mais ao sul e sudoeste, conforme apresentando na Fig 1 (a). Neste dia
observou-se um aumento significativo na vazão natural na usina hidrelétrica de Manso.
Na Fig 1 (b) mostra-se uma imagem de satélite, às 23:45 Z do dia 16. Observa-se a atuação de
uma frente fria sobre o oceano Atlântico e nos estados do ES e MG, com nebulosidade, ainda, sobre a
BA, TO, centro-norte de GO e MG. No final da tarde e início da noite teve-se a formação de um
sistema convectivo local na região de interesse destacada na caixa vermelha, permanecendo quase
estacionário por aproximadamente 5 horas.
(b) 23:45Z
(a)
Fig 1. (a) Precipitação acumulada em 24 horas (mm) para a bacia do Manso em 17/02/2004 (Fonte dos dados: FURNAS)
e (b) Imagem do satélite GOES-12, no canal infravermelho, no dia 16/02/2004, às 23:45 Z (Fonte: LPM/UFRJ).
Resultados de simulação numérica
Com a grade mais grossa, o modelo RAMS conseguiu simular de forma relativamente satisfatória
os principais sistemas em escala sinótica que atuavam. Além da precipitação associada à frente fria,
conseguiu-se simular precipitação menos significativa associada a sistemas convectivos no norte do
Mato Grosso. Com a grade 2, houve melhoras nas taxas de precipitação, contudo não foi possível
simular o sistema convectivo de interesse aqui. Apenas com a grade de mais alta resolução (G3)
verificou-se que o RAMS foi capaz de simular a gênese de sistemas convectivos de caráter localizado,
relativamente bem poicionados.
A G2, com resolução mais alta do que a primeira, apesar de não se conseguir simular a
tempestade em si,
tem um papel relevante ao indicar alguns aspectos do ambiente favorável à
formação de convecção na porção norte da bacia. Apresenta-se na Fig 2, o campo do índice K, apenas
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[email protected]; 2) [email protected]; 3) [email protected]
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com valores acima de 24oC e, sobreposto à este, Fig 2 (a), o campo de Td em superfície, com valores
acima de 19oC e (b) com o campo de convergência no nível de 925hPa, simulados na grade 2 para
às18:00Z. A G2 compreende todo o MT, contudo foram feitos cortes de forma a se ressaltar a região
da bacia do Manso.
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(a)
(b)
Fig 2. Simulações com a grade 2 de: índice K acima de 24oC (colorido, em oC), com sobreposição dos campos de (a)
temperatura do ponto de orvalho acima de 19oC (contornos, em oC) e (b) convergência no nível de 925hPa - contornos
separados a cada 0,5e-5 s-1, para 18:00Z do dia 16/02/2004.
Na Fig 2 (b), nota-se três regiões com convergência em baixos níveis (caixas numeradas de 1 a
3). A região mais a leste (caixa 1) encontra-se fora da bacia do Manso e não coincide com as áreas que
apresentaram altos valores para o índice K e Td em superfície. As outras duas áreas com convergência
em baixos níveis, além de coincidirem com os valores altos para o índice K e Td em superfície, estão
bastante próximos aos máximos de precipitação registrados no dia 17 pela rede pluviométrica de
FURNAS, pontos destacados na Fig 1 a. Verifica-se quase uma sobreposição de valores altos de K, Td
e convergência, em regiões bastante próximas aos máximos de chuva registrados.
A Fig 3 mostra o campo do CK (apenas a parte negativa) simulado na grade 3 do RAMS, para
(a) 18:30Z , horário um pouco precedente a formação das tempestades observadas. Pode-se verificar
que o CK apresenta valores favoráveis em várias regiões, dentre as quais destacam-se 4 (caixas pretas
numeradas de 1 a 4). Na Fig 3 (b), é apresentada a estimativa de precipitação acumulada em 24 horas,
gerada pelo hidroestimador, para o dia 17/02/2004, sobre a área de interesse. Destaca-se o núcleo de
precipitação acumulada em 24 horas acima de 80mm no trecho a montante da Usina de Manso,
condizente em termos de localização com a chuva de 116 mm, registrada em Fazenda Brasil (Fig 1 a).
Alguns outros sistemas convectivos podem ser observados nestas: na Fig 3 (b), destacam-se o
aglomerado convectivo a noroeste e outra célula convectiva a sul da tempestade de interesse (sudeste
da bacia no Manso), enquanto, a rede pluviométrica de Furnas, mostra um segundo máximo na
precipitação acumulada em 24 horas no trecho a jusante da Usina do Manso, 82 mm em Marzagão (Fig
1 a). Como mencionado anteriormente, vale lembrar, que este segundo máximo de precipitação não foi
captado pelo hidroestimador.
1)
[email protected]; 2) [email protected]; 3) [email protected]
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(a)
(b)
Fig 3. Campo de CK, simulado pela grade 3, corte sobre a região de interesse, para o dia 16/02/2004: (a) 18:00Z e (b)
estimativa de precipitação acumulada em 24 horas (mm) gerada pelo hidroestimador, para o dia 17/02/2004 (fonte dos
dados: DSA / CPTEC / INPE).
CONCLUSÕES
Os resultados obtidos com as simulações numéricas mostraram que a análise combinada do
índice K e da convergência em baixos níveis,
apresenta-se como ferramenta relevante na
caracterização de regiões de formação dos sistemas convectivos associados ao caso estudado; de outra
forma, o efeito combinado de variáveis simuladas pode ser um indicador de chuvas intensas, apesar de
o modelo não ter simulado a chuva “em si”.
Esses resultados motivam na direção de uma nova proposta de trabalho (já em andamento) e
apresentada aqui: desenvolver uma linha de pesquisa baseada em índices de instabilidade (ou
indicadores de tempestades). Esta proposta é a de, além de se estudar melhor o comportamento deste
índice introduzido no presente trabalho (CK),
também elaborar outros novos indicadores que
combinem efeitos termodinâmicos e mecanismos forçantes.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
CHEN, C. e W. R. COTTON, 1983, “A one-dimensional simulation of the stratocumulus-capped mixed layer”,
Boundary-Layer Meteorol., v 25, pp. 289-321.
KUO. H. L., 1965, “On the formation and intesification of tropical cyclones through latent heat release by
cumulus convection”, Journal of Atmospheric Science,
v 22, pp 40-63.
KUO. H. L., 1974, “Further studies of the parametrization of the influence of cumulus convection on large-scale
flow”, Journal of Atmospheric Science, v 31, pp. 1232-1240.
MELLOR, G. L. e T. YAMADA, 1982, “Development of a turbulence closure model for geophysical fluid
problems”, Review Geophysics and Space Physics, v 20 (4), pp. 851-875.
MENEZES, F. W., 1998, Tempestades Severas: Um modelo para latitudes subtropicais. Tese de Doutorado,
IAG/USP, São Paulo, SP, Brasil.
MOLINARI, 1985, “A general form of Kuo’s cumulus parametrization”, Monthly Weather Review, v 113, pp.
1411-1416.
ORLANSKI, I., 1975. “A rational subdivision of scales for atmospheric processes”, Bulletin of American
Meteorological Society, v.56(5), pp. 527-534.
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[email protected]; 2) [email protected]; 3) [email protected]