processos fÍsicos e dinÂmicos associados À...

Rachel I. Albrecht, Camila C. Lopes, Jessica C. S. Souza, Raidiel Puig,

Jessé Stenico, Vinicius Sperling, Ramon Braga, Enrique V. Mattos,

Luiz A. T. Machado, Ana Ávila

2a Reunião Científica do Projeto SOS-CHUVA, IAG-USP, 06 de dezembro de 2016

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PROCESSOS FÍSICOS E DINÂMICOS ASSOCIADOS À ELETRIFICAÇÃO E SEVERIDADE DAS TEMPESTADES NA REGIÃO METROPOLITANA DE CAMPINAS

• A transferência de cargas elétricas dentro das nuvens é dada principalmente pela colisão de partículas de gelo:

- cristais , gotícula de nuvem , gota de chuva

- graupel (menos denso) = ( ) + ( )

- granizo (mais denso) = ( ) + ( )

Motivação

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– –

– – – –

+ + + + +

+ +

+ +

+ +

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+

+

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+ +

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+

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+

+

+

Captura de íons livres positivos

Motivação

• Logo, a taxa de raios (raios por unidade de tempo) é controlada pela intensidade da corrente ascendente e pela massa de gelo dentro da tempestade:

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– + –

+

– +

– +

– +

– +

– +

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+ + +

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+

- – +

– +

– +

+

0oC

-1

0oC

-40

oC

- +

Motivação

• A massa de gelo e tipo de gelo é dependente da distribuição de água líquida superesfriada: • Gotículas menores geram gelo menos denso (tipo-graupel, pro esso se o

+ =

• Gotas de chuva geram gelo mais denso (tipo-gra izo, pro esso ú ido

+ =

• Fatores que controlam a formação e tipo de gelo: • Intensidade da corrente ascendente saturação • (interações entre as escalas: termodinâmica, dinâmica e grande-escala)

• Núcleos de condensação de nuvem (CCNs) • pode inibir a coalescência, atrasando a precipitação e permitindo a fase de gelo

• gotas superesfriadas menores mais partículas de gelo, porém menores (tipo-graupel) colisões taxa de raios

• gotas superesfriadas maiores menos partículas de gelo, porém maiores (tipo-granizo) colisões taxa de raios

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Motivação

• Logo, monitoramento da taxa de raios pode indicar a potencialidade de tempo severo: • Logo após o pico da corrente

acendente há o máximo de refletividade (associado à formação de granizo) e um salto na atividade elétrica dentro da nuvem lightning-jump

• Mi utos depois do lightning-jump , há a o orrê ia de granizo no solo

• Depois a ocorrência de microexplosão

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Motivação

• Lightning-jump foi o servado e vários eve tos de te po severo nas Regiões Metropolitanas de São Paulo e Campinas: • Casos de granizo e ventos fortes do experimento CHUVA-GLM Vale do

Paraíba (18 casos):

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(cortesia de Raidiel Puig)

(cortesia de Jessé Stenico)

• Estudo de caso: 07 Janeiro 2012 • Granizo, ventos fortes e alagamentos foram reportados em Guarulhos e

São Paulo

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CHUVA-GLM Vale do Paraíba

CHUVA-Vale

CHUVA-GLM Vale do Paraíba

CHUVA-Vale

CHUVA-GLM Vale do Paraíba

CHUVA-Vale

CHUVA-GLM Vale do Paraíba

CHUVA-Vale

CHUVA-GLM Vale do Paraíba

CHUVA-Vale

CHUVA-GLM Vale do Paraíba

CHUVA-Vale

CHUVA-GLM Vale do Paraíba

CHUVA-Vale

CHUVA-GLM Vale do Paraíba

CHUVA-Vale

CHUVA-GLM Vale do Paraíba

CHUVA-Vale

CHUVA-GLM Vale do Paraíba

“Lightning jump”:

Aumento muito rápida da

atividade elétrica no interior da

nuvem tem sido associado à

ocorrência de tempo severo

(tornados, granizo e ventos fortes)

[Schultz et al. 2009; Gatlin

e Goodman 2010]

CHUVA-Vale

• Estudo de caso: 05 Junho 2016 • Microexplosão em Campinas

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Evento severo

• Estudo de caso: 06 Junho 2016 • Tornado em Jarinú

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Evento severo

Objetivos

• Caracterizar as relações entre o fluxo de massa de gelo no interior das tempestades, distribuição de hidrometeoros, extensão e intensidade da corrente ascendente.

• Quantificar o impacto dos fatores locais naturais (topografia, grande e mesoescalas) e antropogênicos (poluição, ocupação do solo e verticalização da cidade) nessas relações.

• O foco será ambas as componentes observacional e de modelagem numérica destinada a algoritmos de previsão

imediata e alerta de tempo severo.

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Metodologia

• Relações entre o fluxo de massa de gelo no interior das tempestades, distribuição de hidrometeoros, extensão e intensidade da corrente ascendente: • Radar banda-X (identificação de hidrometeoros)

• Atividade elétrica de raios totais pela BrasilDat e STARNET

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Deierling et al. (2008)

taxa

de

raio

s

flu

xo d

e m

assa

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cen

den

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assa

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de

gelo

p

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ável

(g

rau

pel

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niz

o)

Metodologia

• Modelagem numérica com WRF-ARW (em parceria com Ted Mansell e Alex Fierro – NOAA/NSSL) (Fierro et al. 2013, 2014)

• Parametrizações de carregamento não-indutivo e indutivo durante colisões entre partículas de gelo:

• rxy – densidade de cargas separadas durante a colisão entre as espécies x e y

• dqxy – magnitude de carga separada (diversos)

• Exy – eficiência de colisão

• Cálculo explícito do vetor ambiente de campo elétrico

• Duas parametrizações de descargas elétricas u a grossa ulk e outra tridi e sio al

22 (Fierro et al. 2013, 2014)

Metodologia

• Na modelagem numérica, estudar o impacto de diversas parametrizações de granizo na eletrificação: • Mansell et al. (2010) – esquema atual no WRF-AWR com eletrificação

• Double-moment

• Thompson et al. (2008)

• Double-moment para rain, cloud ice, cloud water (i.e., prognóstico de N e m)

• Single-moment para snow, graupel/hail (densidades fixas)

• Estudar a sensibilidade na mudança da densidade

• Morisson et al. (2013)

• Predicted Particle Properties (P3) – o invés de ter classes de gelo pré-definidas, tem uma só e se faz o prognóstico da densidade média, tamanho e fração da

assa rimed .

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Resultados esperados

• Vários estudos mostram que a presença de granizo denso e grande (processos úmidos) provoca: • redução na taxa de evaporação durante a precipitação de graupel/granizo

• desintensificação da corrente ascendente

• atrasa a inclinação da retaguarda do sistema (vírgula)

• região de eco fraco limitado BWER – Bounded Weak Echo Region) ocorre depois

• Caso de Jarinú havia granizo mais denso (menos raios)?

Caso de Campinas havia mais graupel ( mais raios)?

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Resultados esperados

• Caso do último final de semana (2016-12-04): • Poucos raios! Mais granizo denso?

Processos úmidos?

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Resultados esperados

• Impacto dos fatores locais naturais (topografia, grande e mesoescalas) e antropogênicos (poluição, ocupação do solo e verticalização da cidade) nessas relações. • Raios ascendentes (trabalho da Jessica Souza)

• Modelagem numérica (trabalho da Camila Lopes)

• Obter um modelo conceitual dos mecanismos de severidade de tempestades atrelados à atividade elétrica na RMC.

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rachel.albrecht@iag.usp.br

Obrigada pela atenção!