CHUVAS EXTREMAS NO RIO DE JANEIRO: AVALIAÇÃO DE
SIMULAÇÕES NUMÉRICAS DOS CASOS DE 2007
Fabricio Polifke da Silva ([email protected]) e Maria Gertrudes Alvarez
Justi da Silva ([email protected]) - Universidade Federal do Rio de Janeiro / IGEO /
Departamento de Meteorologia, Rio de Janeiro – RJ
RESUMO: Este trabalho procurou determinar a qualidade das parametrizações escolhidas na
versão operacional do modelo de área limitada denominado Weather Research and
Forecasting Model (WRF), executado com as condições de contorno do modelo de circulação
geral da atmosfera do NCEP/NCAR, comparando os valores obtidos em simulações de casos
de chuvas extremas com as observações feitas pelo sistema de monitoramento de
precipitações do município do Rio de Janeiro (Fundação GEORIO). Inicialmente foram
coletados os dados das trinta estações da GEORIO, para que assim fosse determinado o
comportamento do regime temporal de precipitação do município e se pudesse estabelecer os
casos de precipitações extremas. Foram analisados os totais diários de precipitação para cada
uma das estações no período de 1997 a 2008, estabelecendo-se os limiares correspondentes ao
percentil de 99% para cada um dos locais de observação. Foram selecionados para análise os
quatro casos em 2007 que atenderam ao critério, com índices pluviométricos acima dos
limiares em praticamente todas as estações da rede, quais sejam: 11 de fevereiro, 19 de maio,
24 de outubro e 12 de dezembro. Na maior parte dos casos o modelo subestimou a chuva
observada nas estações de observação do município do Rio de Janeiro, mas definiu bem as
estruturas espaciais da precipitação sobre o estado. Recomenda-se que novos testes sejam
feitos com novas combinações de parametrizações do modelo WRF.
ABSTRACT: This study aimed to determine the quality of the parameterizations
chosen in the operational version of the limited area model called Weather Research and
Forecasting (WRF) to the Atmospheric General Circulation Model (AGCM) from
NCEP/NCAR, comparing the obtained values in simulations of heavy rainfall with the
observations made by the monitoring system of rainfall in Rio de Janeiro City (GeoRio).
Initially, data were collected from thirty stations of GeoRio, in order to determine the
behavior of the temporal regime of rainfall and so establish the cases of extreme rainfall in the
city. The totals daily rainfall for each station in the period 1997 to 2008 were analyzed to set
the thresholds corresponding to 90th percentile for each observation local. We selected five
events for analysis in 2007 that met the criteria, with rainfall above the threshold in almost all
stations, which are: February 11, May 19, October 24, November 12 and December 12. In
most cases, the model underestimated the observed rainfall in the observation stations in Rio
de Janeiro City; however, it well defined the spatial structures of rainfall in Rio de Janeiro
State. It is recommended that some further tests are made with new combinations of
parameterizations of the WRF Model.
Palavras –Chave: simulações numéricas, extremos de precipitação, WRF.
1. INTRODUÇÃO
As previsões de eventos meteorológicos extremos, principalmente os de precipitação,
são indispensáveis para a segurança e a manutenção da vida em cidades como o Rio de
Janeiro, região circundada por encostas e com significativas bacias hidrográficas passando por
seu interior.
Atualmente faz-se uso intensivo de modelos numéricos da atmosfera para a obtenção
de previsões quantitativas de qualidade, incluindo a previsão de precipitação. Sendo a
precipitação uma variável meteorológica resultante de vários processos que são resolvidos e
parametrizados nos modelos, pode-se imaginar que seja de difícil previsão. O modelo de
mesoescala WRF (Michalakes, et al., 2001) tem sido usado nos últimos anos pelo Laboratório
de Prognósticos em Mesoescala (LPM/UFRJ) para fazer previsões operacionais para todo o
estado do Rio de Janeiro. Optou-se pelo uso do modelo WRF neste trabalho por ser
considerado um modelo de previsão numérica da próxima geração, pois além de ser flexível
quanto a sua instalação e configuração física e numérica, pode ser utilizado em diversas
escalas que podem ir de apenas alguns metros até milhares de quilômetros.
Além disso, para facilitar trabalhos como este, foi desenvolvida no Laboratório de
Prognósticos de Mesoescala (LPM/UFRJ) uma plataforma que permite que o usuário da
simulação faça uso da internet submetendo decisões quanto à área de interesse, resolução do
modelo e parametrizações físicas para a execução do modelo, pelo período de tempo desejado
e com saídas a intervalos também escolhidos pelo interessado.
2. METODOLOGIA
Os arquivos de precipitação do banco de dados da Fundação GEORIO
(http://www.rio.rj.gov.br/alertario) foram consultados para aquisição de todos os dados
disponíveis no período de 1997 a 2008. Os dados tomados a cada 15 minutos pelas 30
estações pluviométricas foram agrupados para a obtenção de totais diários de precipitação.
Para a determinação dos casos de precipitação de interesse, estabeleceu-se o limiar
correspondente ao percentil de 99%, sendo este o número cujos valores de precipitação acima
deste limiar eram considerados valores de precipitação extrema. Na tabela 1 estão listados os
limiares correspondentes encontrados para cada uma das trinta estações. A análise desta tabela
mostra como são diferenciados os regimes de precipitação sobre o município do Rio de
Janeiro. Mesmo estando as estações de observação tão próximas, os eventos meteorológicos
que provocam precipitação sobre a cidade são influenciados por condições topográficas, linha
de costa e pela continentalidade, além de outros, que fazem com que valores de precipitação
acima de 35,7mm na Penha possam ser considerado como sendo extremos, enquanto que são
necessários mais do que 99,4 mm no Sumaré para a mesma classificação.
Tabela 1 – Limiares de totais diários de precipitação correspondentes ao percentil de 99%
para cada uma das trinta estações da Fundação GEORIO no período de 1997-2008.
Estação
Limiar (mm)
Anchieta
40,8
Bangu
41,4
Cachambi
40,4
Campo Grande
37,6
Cidade de Deus
43,8
Copacabana
46,2
Gericinó
43,0
Grajaú
48,6
Grota Funda
56,9
Guaratiba
39,9
Estação
Madureira
Mendanha
Penha
Piedade
Rio Centro
Santa Cruz
Santa Tereza
São Conrado
Saúde
Sepetiba
Limiar (mm) Estação
38,2
48,6
35,7
45,0
55,6
42,4
54,0
72,4
43,3
47,4
Ilha do Governador
Irajá
Intanhangá
Itaúna
Jardim Botânico
Sumaré
Tanque
Tijuca
Urca
Vidigal
Limiar (mm)
46,4
38,8
65,4
43,0
59,0
99,4
41,8
63,3
42,6
55,8
Para a determinação dos casos de chuva extrema sobre o município foram feitas
correspondências entre os valores encontrados de precipitação e as respectivas datas de
ocorrência, tomando-se em conta todas as estações pluviométricas. Foi estabelecido que um
caso de precipitação extrema e, conseqüentemente, um caso a ser analisado, seria aquele que
atingisse o limiar em no mínimo quatro estações sobre o município do Rio de Janeiro para a
mesma data. Desta maneira foram determinados 82 casos de precipitação extrema no período
de 1997 a 2008, que atenderam a este critério.
Para a consecução dos objetivos deste trabalho, o modelo WRF foi integrado com 10
km de resolução, gerando saídas horárias para todas as variáveis meteorológicas e de solo nos
períodos de interesse. Quanto às parametrizações físicas, nas integrações do modelo foram
utilizados os seguintes esquemas que estão atualmente em uso na versão operacional do
modelo: (a) Microfísica - Esquema de momento único de três classes - WSM 3 (Hong et al,
1998), (b) Cúmulos - Esquema de “conjunto” de Grell-Devenyi (Grell & Devenyi, 2002), (c)
Radiação - Onda curta Dudhia (Dudhia, 1989) / Onda longa – RRTM (Mlawer et al,1997) ,
(d) Camada Limite Planetária - Mellor-Yamada-Janjic (modelo Eta) (Janjic, 2002), (e)
Camada Limite Superficial - Esquema do modelo ETA (Janjic, 2002), (f) Solo-Superfície Modelo solo-superfície de Noah (Chen & Dudhia, 2000).
3. RESULTADOS
Foram simulados pelo modelo WRF sobre o estado do Rio de Janeiro (Figura 1(a)) os
quatro casos determinados em 2007, quais sejam: 11 de fevereiro, 19 de maio, 24 de outubro e
12 de dezembro. As simulações foram feitas por 72 horas, começando um dia antes do evento
e terminando um dia depois, com o objetivo de caracterizar bem não só o início, o fim e o
total de precipitação, mas também os demais parâmetros atmosféricos relevantes. Foram
escolhidos cinco bairros bem distribuídos por sobre o município para a uma comparação da
evolução temporal da precipitação: Anchieta, Copacabana, Itaúna, Santa Cruz e Tijuca
(Figura 1(b)). Os valores dos totais diários de precipitação observados em cada um dos cinco
bairros e para cada um dos quatro casos estão apresentados na tabela 3. Percebe-se que
mesmo para eventos meteorológicos de grande extensão espacial, os valores observados não
ultrapassam em todos os bairros os limiares estabelecidos para chuvas extremas.
(a)
(b)
Figura 1 – (a) Área sobre a qual foi integrado o modelo WRF e (b) localização sobre o
município do Rio de Janeiro das estações escolhidas para a comparação das séries temporais.
Tabela 3 - Valores de totais diários de precipitação observados em mm para os cinco bairros
representativos do município do Rio de Janeiro nos casos de 2007.
Bairro
Limiar (99%) 11/fev
19/mai
24/out
12/dez
Anchieta
40,8
82,0
20,4
129,8
53,6
Copacabana
46,2
64,6
31,6
114,2
49,4
Itaúna
43,0
83,0
54,0
76,8
53,8
Santa Cruz
42,4
70,8
16,8
181,0
81,8
Tijuca
63,3
52,0
100,2
172,2
18,8
Na Figura 6 a seguir são mostrados os totais diários de precipitação simulados para a
região do estado do Rio de Janeiro assim como a comparação da evolução temporal entre as
observações e as simulações dos casos determinados como chuvas extremas no ano escolhido
para estudo. São mostradas apenas a evolução da precipitação nos bairros de Anchieta e
Itaúna, embora nos demais bairros (não mostrados) as características sejam semelhantes. A
partir dos resultados apresentados, percebe-se que a precipitação para o município do Rio de
Janeiro foi razoavelmente bem simulada nos quatro casos de chuvas extremas de 2007
selecionados para análise no que tange a precipitação associada aos deslocamentos dos
sistemas sobre o município do Rio de Janeiro, embora esta precipitação fosse subestimada
com relação aos valores reais, observados pelo sistema de monitoramento da GEORIO.
Especificamente para o caso de 19 de maio a simulação antecipou o início da chuva
em alguns bairros e para o caso de 12 de dezembro o modelo WRF atrasou o início da
precipitação simulada no bairro de Anchieta. Uma das possíveis causas para o
atraso/antecipação do início da chuva pode estar nos dados das reanálises do NCEP/NCAR,
cuja resolução é baixa, que foram usados como condições iniciais e de contorno para as
simulações de mesoescala.
(a) Caso 11 de Fevereiro
(b) Caso de 19 de maio
(c) Caso 24 de outubro
(e) Caso 12 de dezembro
Figura 2 – Total de precipitação simulado pelo modelo WRF e evolução temporal da
precipitação observada (OB) nas estações e simulada (SM) pelo modelo nos bairros de
Anchieta e Itaúna em (a) 11 de fevereiro, (b) 19 de maio, (c) 24 de outubro e (e) 12 de
dezembro.
4. CONCLUSÕES
As análises dos casos de eventos extremos ocorridos em 2007 e simulados neste
trabalho evidenciam a necessidade de se testar outras formas de parametrizações disponíveis
no modelo WRF.
As subestimativas sistemáticas observadas indicam que outras opções devem ser
tentadas buscando melhores resultados, principalmente no que se refere às parametrizações de
microfísica das nuvens. Além disso, tendo em vista que a precipitação é fortemente
dependente de vários outros processos que ocorrem, por exemplo, na camada limite, pretendese ampliar os testes incluindo combinações de parametrizações em busca de melhores
resultados.
Com a provável adequação das simulações, estas serão usadas para uma determinação
do comportamento da atmosfera no que se refere às suas características dinâmicas e
termodinâmicas associadas a esses casos de precipitação extrema sobre o estado do Rio de
Janeiro. Pretende-se que sejam calculados alguns índices de instabilidade para todos os casos
de chuvas extremas usando os dados simulados na região, buscando a determinação de uma
climatologia (valores médios e extremos) característica destes eventos.
AGRADECIMENTOS: À Divisão de Satélites e Sistemas Ambientais do Instituto Nacional
de Pesquisas Espaciais, à GEORIO pela disponibilidade dos dados necessários para a
elaboração do trabalho e à FAPERJ pela bolsa de iniciação científica concedida para o
primeiro autor do trabalho.
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