Previsões de chuva no horizonte de 50 dias
Sin Chan Chou1
Gustavo Sueiro2
Luís Felipe Alves3
Daniel A. Rodriguez4
Jorge L. Gomes5
José Roberto Rozante6
Paulo Nobre7
Resumo: Previsões de precipitação em escala subsazonal, 50 dias, utilizando o modelo
regional Eta, aninhado ao modelo global BESM, foram avaliadas para o período de fevereiro
a março de 2015 para três bacias hidrográficas: Paraná, Tocantins e São Francisco. O modelo
regional cobre América do Sul na resolução de 40 km. A previsão subsazonal por conjunto
foi construído a partir das previsões iniciadas diariamente em 10 dias consecutivos. Os
valores previstos foram acumulados em 10 dias formando 5 decêndios. Os resultados são
apresentados na forma de diagramas box-plot e em valores espacializados nas bacias. Em
geral, as chuvas observadas nas bacias dos rios Paraná, São Francisco e Tocantins se
apresentaram dentro do intervalo dos percentis 25 e 75 das previsões, indicando que algum
membro do conjunto foi próximo do valor observado. Enquanto que na bacia do rio Paraná
o modelo regional Eta apresenta melhor desempenho, na bacia do rio Tocantins o modelo
BESM se apresenta melhor. Por outro lado, os dois modelos apresentam desempenhos
comparáveis na previsão das chuvas na bacia do rio São Francisco. As previsões no primeiro
decêndio apresentam forte subestimativa. A avaliação requer a construção de previsões
retrospectivas para identificar e remover erros sistemáticos das previsões.
1 - Sin Chan Chou - Pesquisador Titular, [email protected], tel: 12-3186-8424
2 - Gustavo Sueiro - Bolsista, [email protected], tel 12-3186-8546
3 - Daniel Andrés Rodriguez - Pesquisador, [email protected], tel: 12-3186-8461
4 - Luís Felipe Alves - Bolsista, [email protected], tel 12-3186-8546
5 - Jorge Luís Gomes - Pesquisador, [email protected], tel 12-3186-8557
6 - José Roberto Rozante - Pesquisador, [email protected], tel 12- 3186-8418
7 - Paulo Nobre - Pesquisador Titular, [email protected] , tel 12-3186-8423
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1. Introdução
Previsões meteorológicas no horizonte de poucos dias apresentam razoável previsibilidade
até aproximadamente 2 duas. Enquanto que previsões no horizonte sazonal, de alguns meses,
apresentam alguma previsibilidade induzida pela temperatura da superfície do mar,
principalmente nas regiões tropicais. No intervalo entre estes dois horizontes de previsão
estão as previsões subsazonais, que se estendem entre um a dois meses. A previsibilidade
neste horizonte, de 15 a 60 dias, é um dos temas atuais de investigação. Fontes de
previsibilidade neste horizonte podem ser, por exemplo, a oscilação Madden-Julian (Madden
e Julian, 1994), entradas de ar estratosférico, condições da superfície continental, além da
temperatura da superfície do mar. O horizonte de cerca de 50 dias de previsão pode prover
informações de grande valor para ações de planejamento em diversos setores. Por exemplo,
no setor elétrico para operação dos reservatórios antes do início da estação chuvoso.
A previsão neste horizonte requer modelos climáticos com informação da previsão da
temperatura da superfície do mar. O INPE iniciou a geração de previsões em maior resolução
horizontal neste horizonte a partir do Modelo regional Eta (Chou et al., 2005; Mesinger et
al., 2012) forçado pelas condições de grande escala do modelo global oceano-atmosfera,
BESM (Nobre, et al., 2013). Este novo conjunto de previsões ainda não tem seu desempenho
avaliado de forma sistemática.
1.1 Objetivos
Este trabalho tem por objetivo produzir uma avaliação preliminar das previsões de chuva do
modelo Eta no horizonte subsazonal de 50 dias, no modo por conjunto de 20 membros, para
algumas bacias de aproveitamento do setor elétrico. Comparações com o modelo global
BESM são realizadas para verificar o ganho do ‘downscaling’ dinâmico para grades mais
finas.
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2. Metodologia
As previsões são produzidas partir do modelo regional Eta (Chou et al., 2005; Mesinger et
al., 2012) aninhado ao modelo acoplado oceano-atmosfera BESM (Nobre et al., 2013).
Ambos modelos são desenvolvidos sob a coordenação do INPE.
O modelo BESM é um modelo global espectral de resolução horizontal aproximada de 200
km. A componente atmosférica se baseia no modelo global do CPTEC (Cavalcanti et al.,
2002) e a componente oceânica utiliza o MOM4 (Griffies et al., 2009). O modelo BESM
produz diariamente previsões no prazo de 6 meses, fornecendo a cada 6 horas informações
de temperatura, vento, umidade e pressão atmosférica à superfície nas bordas laterais para o
modelo regional Eta. O modelo BESM também prevê a temperatura da superfície do mar que
é fornecida ao modelo Eta em bases diárias.
O Eta é um modelo atmosférico regional, em ponto de grade, que cobre toda América do Sul
e Central. Esta versão está configurada na resolução horizontal aproximada de 40 km. A
umidade do solo inicial é climatológica. Diariamente, o modelo é integrado para o prazo de
60 dias.
As previsões de chuva no horizonte subsazonal utilizam até 20 integrações do modelo
produzidas diariamente nos 10 dias anteriores, iniciadas nos horários das 00Z e 12Z, de forma
a construir um conjunto de previsões (‘lagged-ensemble forecasts’) de 20 membros. O
conjunto das previsões considera as incertezas nas condições iniciais.
No horizonte subsazonal, não há mais previsibilidade dos sistemas meteorológicos de tempo.
Por outro lado, no horizonte sazonal, alguma previsibilidade é obtida em situações de
forçantes importantes como El Niño, anomalias de temperatura no Oceano Atlântico, etc. No
horizonte subsazonal, busca-se ainda uma escala temporal em que as previsões contenham
informação útil. Neste trabalho, as chuvas foram acumuladas no período de 10 dias, assim
cada mês é dividido em 3 decêndios, de cerca de 10 dias. As previsões consideradas neste
trabalho foram para o período de 10 de fevereiro a 31 de março de 2015 sobre as bacias do
Paraná, Tocantins e São Francisco (Figura 1). Portanto, a cada 10 dias é produzido um
conjunto de previsões para os próximos 5 decêndios: Fev2, corresponde ao período de chuvas
acumuladas entre 10 a 19 de fevereiro; Fev3, entre 20 e 28 de fevereiro de 2015; Mar1, de 1
a 10 de março; Mar2, de 11 a 20 de março; e Mar3, de 21 a 31 de março de 2015. Estas bacias
foram escolhidas pela importância para os subsistemas do Sul/Sudeste, Norte e Nordeste,
respectivamente. As previsões de chuva foram produzidas pelas rodadas que iniciaram no
período de 1 a 9 de fevereiro de 2015, sendo que cada rodada o horizonte de previsão era de
60 dias.
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3. Resultados
A previsão de chuva foi avaliada nas bacias dos rios: São Francisco, rio Tocantins e rio
Paraná, utilizando os dados observacionais merge (Rozante et al., 2010) produzido pelo
INPE. Estima-se a média de chuva em cada bacia e a acumulada para o período de 10 dias.
A Figura 1 mostra a previsão para as três bacias hidrográficas, para o período que equivale
ao segundo decêndio de fevereiro até o terceiro decêndio de março de 2015. As previsões,
do modelo Eta e do BESM, são comparadas com as observações indicadas por ‘+’. A mediana
dos valores previstos é indicada pelo círculo, os limites inferiores e superiores das caixas se
referem ao percentil 25 e 75, respectivamente, enquanto que os traços nas extremidades das
hastes se referem aos valores máximos e mínimos entre as 20 previsões que formam o
conjunto. Não há distinção de ‘outliers’, pois todos os valores previstos pelo modelo estão
incluídos no intervalo indicado pelas hastes.
Nota-se que nas três bacias do Paraná, São Francisco e Tocantins, a chuva foi
significativamente subestimada pelas previsões do primeiro decêndio, Fev2. Nos decêndios
seguintes as chuvas previstas em 10 dias estavam próximas ou dentro do intervalo dos
percentis 25 e 75. Nos decêndios 2, 3 e 4 as previsões de ambos modelos BESM e Eta estavam
próximos das observações, portanto, pode-se considerar que algum membro do conjunto das
previsões estava próximo do valor observado. Não ficou claro nenhum comportamento
sistemático das medianas das previsões em subestimar ou superestimar as chuvas observadas.
Na bacia do Paraná, com exceção do primeiro decêndio, a tendência das previsões do modelo
Eta dos decêndios seguintes acompanharam aproximadamente a observação. Este foi um
caso em que o uso da previsão poderia apresentar mais vantagem que o emprego da simples
climatologia. Por outro lado, nesta bacia, em particular para o período estudado, as previsões
do BESM subestimaram bastante as chuvas. A bacia do rio Paraná se localiza em região
típica de baixa previsibilidade climática sazonal.
Na bacia do São Francisco, à semelhança da bacia do Paraná, a previsão das chuvas no
primeiro decêndio apresentou baixo desempenho em ambos modelos, subestimando as
chuvas. Nos decêndios seguintes, ambos modelos apresentaram previsões de chuva bastante
próximas às observações ou pelo menos dentro do intervalo dos percentis de 25 e 75.
Na bacia do Tocantins, a previsão do primeiro decêndio também foi fortemente subestimada,
principalmente pelo modelo Eta. Nos decêndios seguintes, as previsões do modelo BESM
apresentaram bom desempenho, enquanto que as previsões do Eta apresentaram desempenho
ligeiramente mais baixo e maior espalhamento entre os percentis.
A distribuição espacial das previsões de chuvas nos cinco decêndios mostrou a banda
principal na parte central do continente (Figura 3) concordando com as observações,
entretanto, a posição das passagens de frentes não estava bem representada.
Apesar da ocorrência de superestimativa e de subestimativa em alguns decêndios, quando se
considera o total da chuva do último mês de previsão, isto é, o acumulado dos três últimos
decêndios, o valor previsto pelo modelo Eta foi bastante próximo ao valor observado (Tabela
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1). Esta tabela mostra que para um total acumulado nos últimos três decêndios, equivalente
ao último mês, as previsões de ambos modelos, Eta e BESM, indicavam totais abaixo da
climatologia, portanto, indicavam o sinal da anomalia da previsão corretamente.
Tabela 1 – Precipitação prevista, observada e climatologia, para março 2015, nas bacias
(mm/mês).
Bacia
Eta
BESM Obs Climat
Paraná
148
51
132
160
São Francisco
108
99
101
136
Tocantins
162
211
241
266
4. Conclusões
Previsões de precipitação em escala subsazonal, utilizando o modelo regional Eta, aninhado
ao modelo global BESM, foram avaliadas em decêndios entre os meses de fevereiro e março
de 2015 para três bacias hidrográficas: Paraná, Tocantins e São Francisco. As previsões por
conjunto foram formadas por 20 membros iniciados por previsões diárias, das 00Z e 12Z,
para o horizonte de 60 dias. Os valores previstos pelo modelo Eta em decêndios nas bacias
do Paraná e São Francisco se apresentaram, em geral, dentro do intervalo dos percentis 25 e
75. Valores totais mensais previstas se aproximam melhor dos valores observados. As
previsões na bacia de Tocantins em geral subestimaram as observações de chuvas.
O estudo requer ainda gerar previsões retrospectivas (‘reforecasts’) para obter a climatologia
de ambos os modelos e juntamente identificar os erros sistemáticos para o horizonte
subsazonal. Além disso, o estudo ainda requer estender a avaliação para outras estações do
ano, bem como estender para outras bacias hidrográficas. Identificar o desempenho útil
destas previsões é vantajoso para uso em planejamento de operação de reservatórios. A
identificação dos erros sistemáticos permite a sua remoção/redução e, subsequente, uso em
modelos hidrológicos para estimativa da disponibilidade hídrica e energética.
O aumento do número de membros do conjunto poderia se dar juntando as previsões do
modelo global, BESM. O maior número de membros combinado com a geração de previsões
retrospectivas permite a análise da relação sinal-ruído, que ainda não é possível com a
previsão subsazonal para um único ano. A variabilidade interanual deve ser estimada
investindo na geração de previsões retrospectivas de pelo menos 30 anos.
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5. Referências bibliográficas
Cavalcanti, I.F.A.; Marengo, J.A.; Satyamurty, P.; Trosnikov,I., Bonatti, J.P.; Nobre, C.A.;
D’Almeida, C.; Sampaio, G.; Cunningham, C.A.C.; Camargo, H.; Sanches, M.B., 2002:
Climatological features represented by the CPTEC/COLA Global Climate Model. J. Climate,
15, 2965-2988.
Chou, S.C., Bustamante, J.F.; Gomes, J.L., 2005: Evaluation of Eta Model Seasonal
Precipitation Forecasts over South America. Nonlinear Processes in Geophysics, 12, 537555.
Griffies, S.M. (2009) Elements of MOM4p1. NOAA/Geophysical Fluid Dynamics
Laboratory Ocean Group Technical Report No. 6, 44.
Madden, r. A. Julian, P.R., 1994: Observations of the 40-50 day tropical oscillation: A
review. Monthly Weather Review, Boston, v,112, p.814-837.
Mesinger, F., Chou, S.C., Gomes, J.L., Jovic, D., Bastos, P., Bustamante, J.F., et al. (2012)
An Upgraded Version of the Eta Model. Meteorology and Atmospheric Physics, 116, 63-79.
http://dx.doi.org/10.1007/s00703-012-0182-z
Nobre, P., Siqueira, L.S.P., de Almeida, R.A.F., Malagutti, M., Giarolla, E., Castelão, G.P.,
et al. (2013) Climate Simulation and Change in the Brazilian Climate Model. Journal of
Climate, 26, 6716-6732. http://dx.doi.org/10.1175/JCLI-D-12-00580.1
Rozante, j. R. et al., 2010: Combining trmm and surface observations of precipitation:
technique
and validation over South America. Weather and Forecasting, v. 25, n. 3, p. 885-894.
Agradecimentos
Ao CNPq pela bolsa PQ 308035/2014-2.
6
Figura 1 – Bacias dos rios: Paraná (vermelho), Tocantins (azul) e São Francisco (verde).
a)
c)
b)
d)
7
e)
f)
Figura 2 – Box-plot da precipitação prevista pelos modelos Eta (coluna esquerda) e BESM
(coluna direita) para as bacias dos rios Paraná, São Francisco e Tocantins, para os 5
decêndios a partir de 10 de fevereiro a 31 de março de 2015, 20 membros. A precipitação
é acumulada no período de 10 dias na bacia. A mediana está indicada pelo círculo e a
observação é indicada por ‘+’.
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Figura 3 – Precipitação prevista pelos modelos Eta e BESM, para os 5 decêndios a partir
de 10 de fevereiro até 31 de março de 2015, média de 20 membros. A precipitação é
acumulada no período de 10 dias na bacia (mm/10 dias). O contorno das bacias dos rios
Paraná, São Francisco e Tocantins está destacado em vermelho. A observação de chuva
é gerada pelo INPE (Rozante et al., 2010).
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