CHUVAS DE VERÃO E AS ENCHENTES NA GRANDE SÃO PAULO:
EL NIÑO, BRISA MARÍTIMA E ILHA DE CALOR
Augusto José Pereira Filho
Universidade de São Paulo, São Paulo – USP / IAG / DCA
Rua do Matão, 1226, São Paulo-SP, 05508-9000
e-mail: [email protected]
Abstract
Anomalous atmospheric circulation patterns developed under the influence of the El Niño in South America
during February 1998. A large-scale high-pressure system anomaly over the State of São Paulo inhibited organized
rainfall. Rainfall accumulations were above average along the coastline and below average elsewhere.
Weather radar rainfall estimates indicate higher accumulation and higher probability of precipitation over the
Metropolitan Area of São Paulo (MASP) between 1400 UTC and 2000 UTC. Satellite and surface data suggest that the
local heat island effect and the sea breeze circulation play an important rule in producing heavy showers. Since the
infiltration process has been greatly reduced in the MASP, these heavier showers result in higher risk of flash floods
that tend to be more destructive.
1. INTRODUÇÃO
O padrão de circulação de grande escala de fevereiro de 1998 indica um sistema de alta pressão em 200 hPa
sobre a América do Sul (Fig. 1a) e um outro em 850 hPa sobre o oceano Atlântico (Fig. 1b). Neste período, houve um
deslocamento para leste da Alta da Bolívia e um bloqueio de sistemas frontais por causa do evento de El Niño,
caracterizado por anomalias positivas de temperatura da superfície do mar (TSM) do pacífico equatorial (Fig. 1c).
Este padrão circulação na troposfera reduziu o total acumulado de precipitação no Estado de São Paulo, exceto
na faixa litorânea. Nota-se uma anomalia de TSM de cerca de +2 oC ao longo da costa do Sudeste (Fig. 1c). Entretanto,
houve várias episódios de enchente na Região Metropolitana de São Paulo durante aquele mês de fevereiro. Estes
eventos estavam associados à chuvas convectivas no período da tarde. Chuvas convectivas são muito freqüentes no
verão principalmente durante períodos de pouca atividade de grande escala (Silva Dias 1997; Pereira Filho 1991).
Xavier et al. (1994) evidenciam alterações climáticas no regime de precipitação na Cidade de São Paulo
principalmente os de origem convectiva. Há evidência do efeito da ilha de calor urbana (Lombardo 1984) e de
mudanças rápidas na umidade do ar associadas à penetração da brisa marítima (De Oliveira e Silva Dias, 1982)
associadas a eventos de intensa precipitação.
Os eventos convectivos ocorridos no mês de fevereiro de 1998 representam uma boa oportunidade para se
examinar os efeitos locais na ausência de forçantes tais como frentes frias, cavados e jatos em altos níveis. Eles foram
monitorados pelo radar meteorológico de São Paulo - RMSP (Fig. 3). Neste trabalho, analisa-se a interação da brisa
marítima com a ilha de calor na Região Metropolitana de São Paulo (MASP) e a produção de chuvas convectivas
intensas por meio de um evento significativo ocorrido naquele período. Apresenta-se também uma discussão sobre o
efeito não linear das chuvas mais intensas nas enchentes.
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A
Figura 1: Padrões de circulação de grande escala em 200 hPa (A) e 850 hPa (B) e Anomalias de TSM. A intensidade
das linhas de corrente e anomalias de TSM estão indicados por um código de cores. Fontes: NCEP/NOAA e
Climanálise CPTEC/INPE.
2. METODOLOGIA
Foram selecionados quatorze eventos convectivos ocorridos no mês de fevereiro de 1998. Utilizou-se os dados
de chuva acumulada horária estimada com o RMSP com resolução espacial de 2 km x 2 km no período das 1500 UTC
às 2000 UTC. O RMSP (Fig. 2) abrange o Leste do Estado de São Paulo. As medições de refletividade na troposfera
são realizadas num raio de 240 km. Estes dados foram transformados em taxas de precipitação pela relação MP e
interpolados num nível de altura constante de 3 km.
Foram estimados a precipitação acumulada para todos os eventos. Estes totais foram normalizados pela
precipitação acumulada média num raio de 150 km do RMSP. A média estimada foi de 79.5 mm. Calculou-se também
a probabilidade de chuva acumulada igual ou superior a 5 mm incluindo-se todos os quatorze eventos.
Fez-se um estudo de caso para o evento de 5 de fevereiro de 1998. Utilizou-se nesta análise dados da estação
meteorológica automática do IAG, imagens de satélite e imagens do campo de das taxas de precipitação e do topo de
nuvens do RMSP. Realizou-se também simulações hidrológicas para a bacia hidrográfica do IAG para condições de
escoamento rural e urbano com o modelo TR-20 (Sales e Pereira Filho, 1999) para ilustrar o efeito da urbanização
sobre o escoamento superficial.
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Figura 2: Área de abrangência do radar meteorológico de São Paulo. A altitude (m) do terreno esta indicada na barra
de cores. O local de instalação do radar meteorológico de São Paulo esta indicado pela sigla PN. O contorno da cidade
de São Paulo e fronteiras políticas estão indicadas pela linha preta, assim como a altitude e coordenadas do RMSP.
3. RESULTADOS
Os campos de precipitação acumulada total normalizada e da probabilidade de precipitação acima de 5 mm
estão mostrados na Fig. 3. Nota-se no campo de precipitação normalizada um núcleo de alta precipitação sobre a área
da MASP. A imagem do canal infravermelho do satélite GOES-8 de 1600 UTC do dia 19 de março de 1999 mostra a
ilha de calor na MASP (Fig. 4) num situação sem nuvens no Leste Paulista. Observa-se que as áreas da ilha de calor
metropolitana e do núcleo de maior precipitação são virtualmente coincidentes.
Hidelbrand e Ackerman (1984) determinaram que há um forte fluxo de calor, massa e momento em ambientes
urbanos em situações de ventos fracos induzidos pela ilha de calor. Simulações numéricas realizadas por Baik e Chun
(1997) mostram que a ilha de calor tendem a produzir correntes ascendentes mais intensas corrente abaixo do centro da
ilha de calor. Estes resultados sugerem que a ilha de calor da MASP aumente os fluxos de calor e massa, porém o
aumento na precipitação no período foi superior a quatro vezes a média espacial num raio de 150 km.
Sugere-se que os efeitos dinâmicos e termodinâmicos da ilha de calor na convecção local sejam amplificados
pela aumento da umidade proveniente da penetração da brisa marítima. O ar urbano relativamente seco e quente,
quando misturado ao ar marítimo relativamente úmido e frio, aumenta a instabilidade convectiva. Além disso, apesar
de rasa, a frente de brisa também promove levantamento e, portanto, incrementa a instabilidade do ar.
Estes efeitos são ilustrados com o evento de enchente de 5 de fevereiro de 1998 na zona Oeste da Cidade de
São Paulo. A Fig. 5 mostra a evolução temporal da temperatura do ar, temperatura de ponto de orvalho, direção do
vento e precipitação acumulada medidas pela estação meteorológica automática do IAG, representativa da região de
maior atividade convectiva naquele dia.
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A
B
Figura 3: Distribuição espacial da precipitação acumulada normalizada (a) e probabilidade de precipitação acima de 5
mm (B) entre 1500 UTC e 2000 UTC dos quatorze eventos convectivos de fevereiro de 1998. Valores de acumulação e
probabilidade indicados pela barra de cores vertical. As fronteiras políticas estão indicadas em amarelo.
Figura 4: Imagem do canal infravermelho do satélite GOES-8 às 1600 UTC em 19 de Março de 1999. Tons mais
escuros indicam temperaturas mais altas e tons mais claros temperaturas mais baixas. Destaca-se no mapa a ilha de
calor da Região Metropolitana de São Paulo. Imagem obtida pelo Laboratório de Meteorologia Aplicada a Sistemas de
Tempo e Estudos Regionais - MASTER, IAGUSP.
1394
Observa-se na Fig. 5 que a direção do vento oscilou de Norte a Oeste até às 17:00 HL, quando mudou
gradualmente para Sudeste. A direção do vento oscilou muito até às 22:00 HL, durante o período de chuva. Nota-se
também que a direção do vento retorna para Noroeste após as 22:00 HL.
A mudança de direção do vento às 17:00 HL causou um aumenta da temperatura de ponto de orvalho de 19.6
o
C às 16:30 HL para 23.1 oC às 17:30 HL. Esta variação da direção do vento e da umidade estava associada a
penetração da brisa marítima, que também causou um queda de temperatura de 33.7 oC para 30.4 oC em 1.5 hora.
A frente de brisa coincidiu com o mínimo de pressão atmosférica de 921.8 hPa ocorrido às 16:30 HL (não
mostrado na Fig. 5). A pressão subiu até 925.6 hPa às 19:00 HL. A chuva acumulada foi de 35.2 mm em 5 horas, com
máximas taxas de precipitação em torno de 19:00 HL. Neste evento, houve um intervalo de cerca de 1,5 horas entre a
penetração da frente de brisa e o início da chuva.
Figura 5: Evolução temporal da direção do vento (verde), da temperatura do ar (vermelho), da temperatura do ponto de
orvalho (rosa) e chuva acumulada (azul) no dia 5 de fevereiro de 1998 medidas com a estação meteorológica
automática do IAG a cada 30 minutos.
As imagens de satélite visível e infravermelho do satélite GOES-8 mostram várias áreas de chuva no Oeste e
Sul de São Paulo às 17:09 HL. A imagem do canal visível apresenta tons mais claros do lado Oeste das tempestades e
estes evidenciam a profundidade destes sistemas. Observa-se uma área de maior nebulosidade sobre a MASP com
topos ainda menos frios do que os das área de chuva a Oeste e Sul do Estado de São Paulo.
As imagens do RMSP das taxas de precipitação e do topo de nuvens às 19:54 HL (Fig. 7) mostram um área de
maior de maior precipitação na região Oeste da Cidade de São Paulo com taxas superiores a 100 mm h-1 e topo da
célula convectiva em torno de 14 km de altitude. Observa-se ainda outras células convectivas profundas a Oeste, no
Vale do Paraíba e na divisa com o Estado do Rio de Janeiro. A célula sobre São Paulo causou enchentes e um número
elevado de descargas elétricas intensas.
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Figura 6: Imagens dos canais visível e infravermelho do satélite GOES-8 obtidas pelo Laboratório de Meteorologia
Aplicada a Sistemas de Tempo e Estudos Regionais - MASTER, IAGUSP. Detalhes indicados na imagem e Fig. 4.
A
B
Figura 7: Imagens do radar meteorológico de São Paulo para a taxa de precipitação (a) e para o topo de nuvens com
taxas de precipitação maior o igual a 5 mm h-1 (b) às 2254 UTC do dia 5 de fevereiro de 1998. Intensidades e altitudes
indicadas na barra de cores. Estão indicados os contornos geográficos do Estado de São Paulo e Cidade de São Paulo.
Linha saindo do radar indica direção de deslocamento das áreas de chuva.
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4. CONCLUSÕES
A redução da chuva acumulada principalmente no Sudoeste do Estado de São Paulo no mês de fevereiro de
1998 foi em parte causada pelo El Niño mais intenso do século. Porém, houve uma aumento das ocorrências de
enchentes na MASP devido a convecção local. Estes eventos produziram acumulações superiores a 40% da média na
área do RMSP no período da tarde. Os resultados sugerem que os efeitos de ilha de calor e da brisa marítima
desempenham papel importante no desenvolvimento de células convectivas muito intensas na MASP, conforme as
análises do evento de 5 de fevereiro de 1998. Assim, as circulações horizontais e verticais mais intensas devidas à ilha
de calor, combinadas à umidade marítima durante a tarde, podem explicar os altos índices de chuva.
A Fig. 8 ilustra o efeito da urbanização na vazão de pico e no tempo de concentração de uma bacia hidrográfica
pequena. A urbanização aumenta os picos de vazão e reduz o tempo de concentração da bacia. Deste modo, o processo
de urbanização desordenado tendem aumentar as ocorrências de enchentes e aumentar os picos de vazão. Há, portanto,
um risco crescente de inundações na MASP.
A interação entre ilha de calor e brisa marítima indica a existência de um mecanismo de retroalimentação da
mancha urbana nas enchentes, ou seja, as chuvas de verão tendem a ser mais intensas por causa da ilha de calor urbana
e da brisa marítima, e com isso, as enchentes, agravadas pela diminuição da infiltração, tendem a ser mais destrutivas.
Por causa do desequilíbrio energético local gerado pela ilha de calor, o sistema tende a reduzir o aquecimento induzido
por meio do aumento de precipitação sobre a mancha urbana.
Figura 8: Simulações de vazão com o modelo TR-20 (Sales e Pereira, 1999) para a bacia do Parque do Estado e Fontes
do Ipiranga, IAGUSP. Utilizou-se um dos eventos de fevereiro de 1998. A evolução temporal da vazão descrita pela
curva azul indica condições atuais caracterizadas pela presença de mata Atlântica preservada. A curva rosa de refere a
condições urbanas típicas para a Cidade de São Paulo.
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5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Baik, J-J. and H-Y. Chun, 1997: A dynamical model for urban heat islands. Bound.-Layer Meteor., 83, 463-477.
De Oliveira, A. P. e P. L. Silva Dias, 1982: Aspectos observacionais da brisa marítima na cidade de São Paulo. 2o
Congresso Brasileiro de Meteorologia, Pelotas, RS, Vol. II, 129-161.
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.
Gandú, A. W. - Análise estatística de ecos de radar associados a sistemas de precipitação na região leste do Estado de
São Paulo. Dissertação de mestrado apresentada ao IAGUSP, São Paulo, 1984. 161p.
Hidebrand, P. H. and B. Ackerman, 1984: Urban effects on the convective boundary layer. J. of Atmos. Sci., 41, 76-91.
Huff, F. A. and S. A. Changnon Jr., 1973: Precipitation modification by urban areas. Bull. Am. Meteor. Soc., 54, 12201232.
Lombardo, M. A., 1984: A ilha de calor na Região Metropolitana de São Paulo. Tese de doutorado. Departamento de
Geografia, Universidade de São Paulo.
Pereira Filho, A. J., Braga Junior, B. P. F., Barros M. T. L. & Carrera, C V. M. - Previsão de inundações: radar
meteorológico resolve? In: SIMP. BRAS. de RECURSOS HÍDRICOS, IX, Rio de Janeiro, RJ., 1991 - Anais. Rio
de Janeiro, 1986. v. 3, pp 1-11.
Sales, F. H. and A. J. Pereira Filho, 1999 : Impacto do Deslocamento de linhas de instabilidade nas vazões de bacias
rurais e urbanas. In. XIII Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos – Belo Horironte.
Silva Dias, M. A. F. - Storms in Brazil. Hazards and Disasters, 1997. Chpt. 43, Rutledge Press.
Xavier, T. M. B. S., A. F. S. Xavier e M. A. F. da Silva Dias, 1994: Evolução da precipitação diária num ambiente
urbano: o caso da Cidade de São Paulo. Rev. Bras. de Meteor., 9: 44-53.
6. AGRADECIMENTOS
Ao Departamento de Águas e Energia Elétrica (DAEE) pelo dados de radar meteorológico. Ao Centro de
Previsão de Tempo e Estudos Climáticos (CPTEC), Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) e núcleos estaduais
pelas figuras da revista Climanálise de março de 1998. Ao Dr. Ricardo de Camargo do Departamento de Ciências
Atmosférica do IAGUSP pelo fornecimento dos dados da estação meteorológica automática. Ao Laboratório de
Meteorologia Aplicada a Sistemas de Tempo e Estudos Regionais (MASTER) do IAGUSP pelas imagens de satélite
GOES-8.
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