Hidrometeorologia

Hidrometeorologia

Prof. Fernando Mainardi Fan

Aula 3 - Curso Técnico em Hidrologia (CTH)

Hidrometeorologia

Sumário da Aula

• O ar atmosférico• Vapor de água na atmosfera• Radiação solar e balanço de energia

• Balanço geral da terra• Radiação no topo da atmosfera• Radiação através da atmosfera• Balanço de energia na superfície

» Ondas curtas» Ondas longas» Albedo» Fluxo de calor sensível» Fluxo de calor latente

Hidrometeorologia

O ar atmosférico

• O ar atmosférico é uma mistura de gases em que predomina o nitrogênio (78%) e o oxigênio (21%).

• O vapor de água no ar atmosférico varia até um máximo próximo de 4%.

• Em percentagens menores o ar atmosférico também contém partículas orgânicas e inorgânicas, que têm um papel fundamental no ciclo hidrológico, pois formam os núcleos de condensação do vapor de água nas nuvens.

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Troposfera

• A maior parte do ar atmosférico e do vapor de água encontra-se na camada mais próxima à superfície, chamada troposfera.

• Esta camada tem uma espessura de 10 a 12 Km.

• A temperatura do ar na troposfera é maior ao nível do mar e menor no topo da camada. O gradiente de temperatura é de aproximadamente 6,5oC a cada quilômetro.

• Assim, se ao nível do mar a temperatura é de 20oC, no topo da troposfera a temperatura é de, aproximadamente, -45°C.

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Vapor de água no ar

• O ar atmosférico é uma mistura de gases entre os quais está o vapor de água. A máxima quantidade de vapor de água que o ar pode conter é limitada, e é denominada concentração de saturação (ou pressão de saturação).

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Lei de Dalton

• De acordo com lei de Dalton cada gás que compõe uma mistura exerce uma pressão parcial, independente da pressão dos outros gases, igual à pressão que exerceria se fosse o único gás a ocupar o volume.

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Pressão de saturação de vapor no ar

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Umidade absoluta na saturação

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Equação

T

Tes

3,237

27,17exp611

es dado em pa pela

fórmuala

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Umidade relativa

• A umidade relativa é a medida do conteúdo de vapor de água do ar em relação ao conteúdo de vapor que o ar teria se estivesse saturado.

• Assim, ar com umidade relativa de 100% está saturado de vapor, e ar com umidade relativa de 0% está completamente isento de vapor.

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Umidade relativa

• onde UR é a umidade relativa;

• e é a pressão parcial de vapor no ar

• es é pressão de saturação.

se

e100UR

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Temperatura de ponto de orvalho

• A temperatura de ponto de orvalho é definida como a temperatura a qual o ar deve ser resfriado para que atinja o ponto de saturação de vapor.

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Temperatura de ponto de orvalhoe umidade relativa

se

e100UR

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Carta psicrométrica

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Temperatura de ponto de orvalho

• Para uma dada pressão de vapor (e) inferior à pressão de saturação (es), a temperatura de ponto de orvalho pode ser calculada por:

e

eTd

ln00421,00708,0

4926,0ln

onde Td está em oC e e em KPa.

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Exercícios

• Determine a temperatura do ponte de orvalho para hoje em Porto Alegre usando os dados do INMET, considerando que a cidade está próxima do nível do mar.

• http://www.inmet.gov.br/portal/index.php?r=estacoes/estacoesautomaticas

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Radiação solar e balanço de energia

• A radiação emitida por um corpo depende da sua temperatura

• Quanto maior a temperatura, maior a freqüência da radiação

• O SOL

• O sol emite radiação como um corpo negro a 6000 K, numa faixa de comprimentos de onda que vai desde ultravioleta até o infravermelho, com um máximo na faixa da radiação visível.

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Lei de Planck

• Max Planck estabeleceu o marco inicial da teoria quântica ao utilizar conceitos de unidade quântica para descrever as propriedades das partículas subatômicas e as interações entre a matéria e a radiação.

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Espectro da Radiação solar

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Constante Solar

Na posição da Terra

isto significa

~1366 W/m2

O sol gera cerca de 3,84 x 1026 W

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Órbita da Terra

Afélio:

Terra mais distante do Sol Periélio:

Terra mais próxima do Sol

As datas atuais são:

Afélio = 4 de Julho

Periélio = 3 de Janeiro

Mas atenção!

A órbita da Terra se altera!

Em 10 mil anos será o contrário!

Este material didático certamente estará obsoleto no Ano 12017

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Órbita da Terra

As datas atuais são:

Afélio = 4 de Julho

Periélio = 3 de Janeiro

Mas atenção!

A órbita da Terra se altera!

Em 10 mil anos será o contrário!

Este material didático certamente estará obsoleto no Ano 12017

Menos energia por m2 Mais energia por m2

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Efeito da excentricidade da órbita da Terra sobre a energia Solar recebida

• É necessário corrigir o valor da Constante Solar por um fator de excentricidade (dr)

J

365

2cos033,01d r

0.96

0.97

0.98

0.99

1.00

1.01

1.02

1.03

1.04

0 100 200 300 400

Co

rreç

ão d

a C

on

stan

te S

ola

r

Dia Juliano

Hidrometeorologia

Fator de excentricidade

0.96

0.97

0.98

0.99

1.00

1.01

1.02

1.03

1.04

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Co

rre

ção

da

Co

nst

ante

So

lar

Dia Juliano

J

365

2cos033,01d r

Dia Juliano3 de Janeiro: J=3

1 de Fevereiro: J=32

31 de Dezembro: J=365

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Obstáculos para a radiação do sol

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Fluxo da energia na atmosfera

Espaço

Atmosfera

Superfície (Terra + Oceanos)

Radia

çã

oS

ola

r

incid

en

te

6

refle

tida

pelo

ar

20

refle

tida

pela

snuve

ns

refletid

apela

superf

ície

4

Absorvida na

superfície

51

3

Absorvida pelas

nuvens

Absorvida pelo

ar e poeira 16

ondas

curtas

21

15

Emitida pela

superfície

6 2638

ondas

longas

Absorvida pelo

vapor de H2O

e CO2

Fluxo de calor

sensível

7 23

Fluxo de calor

latente

Emitida pelas

nuvens

Emitida pelo

vapor de H2O

e CO2

100

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Balanço de energia da Terra

5 10 15 20 25

Flu

xo

de

ene

rgia

Comprimento de onda (m)

chegando

saindo

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Obstáculos para a radiação que deixa a Terra

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Radiação que atingiria a Terra caso a atmosfera fosse 100% transparente

• A radiação solar no topo da atmosfera, medida por sattélites, é da ordem de 1367 W.m-2.

• Sobre a superfície da terra esta energia atinge áreas diferentes, de acordo com a latitude e a época do ano.

Da Wikipedia!

Total Solar Irradiance upon Earth (TSI) was earlier measured by satellite

to be roughly 1.366 kilowatts per square meter (kW/m²),[7][9][10] but most recently NASA cites TSI as "1361 W/m² as compared

to ~1366 W/m² from earlier observations [Kopp et al., 2005]", based on regular

readings from NASA's Solar Radiation and Climate Experiment(SORCE) satellite, active since 2003,

Hidrometeorologia

Sobre a superfície da terra esta radiação

solar atinge áreas diferentes, de acordo

com a latitude e a época do ano.

Isto depende da declinação solar, que é o

ângulo entre o eixo de rotação da Terra e

uma linha imaginária que une o centro do

sol ao centro da Terra

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Radiação na superfície com atmosfera transprente

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Radiação que atingiria a superficie na ausência da atmosfera

ssrSCTOP sensensendGS

coscos6024

onde

• GSC [MJ.m-2.minuto-1] é a constante solar (cujo valor é 0,0820 MJ.m-2.minuto-1, o

que equivale a cerca de 1367 W.m-2;

• STOP [MJ.m-2.dia-1] é a radiação no topo da atmosfera;

• δ [radianos] é a declinação solar;

• φ [radianos] é a latitude;

• ωs [radianos] é o ângulo do sol ao nascer

• e ...

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Declinação solar

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Declinação solar

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Declinação solar

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Declinação solar

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Declinação solar

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Declinação solar

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Radiação solar ao longo do ano em diferentes latitudes (caso não existisse a atmosfera)

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Exemplo

Sabendo que:

Calor latente de vaporização da água é 2,53MJ.Kg-1

Massa específica da água é 1 kg.L-1 (1kg = 1L)

1mm = 1L/m²

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Exemplo

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Exercícios

• Você é um hidrotécnico contratado pela FEPAM responsável por conferir dados de uma estação meteorológica. Um dado de evaporação de tanque classe A que você está verificando resultou está mostrando 15mm em Santa Rosa (latitude ~28°) em outubro.

• Este valor está razoável? Por que?

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Máximo número de horas de sol

s

24N

Onde s é o ângulo do sol ao nascer, que pode ser calculado por:

tantanarccoss

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Radiação através da atmosfera

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Relação radiação em Bento Gonçalves RS

Fonte:

Marco Antônio Fonseca Conceição e Francisco Mandelli (2006)

Estimativa diária da radiação solar incidente com base no número de horas de brilho solar para a região de Bento

Gonçalves, RS

Embrapa - Boletim de Pesquisa 12 e Desenvolvimento

atmosfera_topo_radição

erfíciesup_radiação

Mais nuvens menos nuvens

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Exemplo efeito nuvens• Carolina (Maranhão)

• Latitude 7o 20’

Com nuvens Sem nuvens com nuvens

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Efeito das nuvens e da atmosfera

Tese de doutorado de Eliseu Weber (UFRGS – 2011)

Estimativa e mapeamento da radiação solar incidente em superfícies com superfície

heterogênea na zona de produção vitivinícola da Serra Gaúcha.

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H E

Rn

G

S

AoAi

Balanço de energia na superfície

radiação líquida (Rn ou RL)

fluxo de calor sensível (H)

fluxo de calor latente (E)

fluxo de calor para o solo (G)

fluxo de energia por advecção (A) entrando e saindo

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Radiação de onda curta

SSUP

STOP

Topo da atmosfera

Radiação recebida no topo da atmosfera

Radiação que chega à superfícieRadiação refletidaa.SSUP

energia de ondas curtas absorvida na superfície

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Albedo

Tipo de superfície Albedo mínimo Albedo máximo

Água profunda 0,04 0,08

Solo úmido escuro 0,05 0,15

Solos claros 0,15 0,25

Solos secos 0,20 0,35

Areia branca 0,30 0,40

Grama, vegetação baixa 0,15 0,25

Savana 0,20 0,30

Floresta 0,10 0,25

Neve 0,35 0,90

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Radiação de onda longaTopo da atmosfera

Radiação de onda longa emitida para a superficie

Radiação de onda longa emitida pela superfície

energia de ondas longas emitida menos recebida

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Ondas longas

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H E

Rn

G

S

AoAi

Fluxo de calor sensível• O fluxo de calor sensível é o fluxo de

calor por convecção, que ocorre porque a superfície se aquece e, assim, aquece o ar atmosférico em contato direto com a superfície.

• A turbulência provocada pelo vento se encarrega de redistribuir o ar aquecido para camadas mais altas da atmosfera, resultando num fluxo de energia.

• O fluxo de calor sensível recebe este nome porque está relacionado à temperatura do ar, que pode ser “sentida” (Hornberger et al., 1998).

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H E

Rn

G

S

AoAi

Fluxo de calor latente• O calor latente é a parte da energia

interna que não pode ser “sentida”, ou seja, não está relacionada à temperatura, mas sim ao calor latente de vaporização.

• O fluxo de calor latente é o fluxo de energia associado ao fluxo de água para camadas mais altas da atmosfera, a partir da superfície.

• O fluxo de calor latente está, portanto, relacionado ao fluxo de água da superfície para a atmosfera por evapotranspiração.

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Latente x sensível

• Umidade do solo – existe água disponível para evaporar?

• Umidade do ar – o ar é capaz de receber umidade adicional?

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Fluxo de energia por advecção

H E

Rn

G

S

AoAi

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Fluxos de energia na superfície

fluxos durante dois dias

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Circulação geral do ar na atmosfera

• Como resultado do aquecimento desigual, o ar fica mais aquecido em regiões próximas ao Equador.

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Circulação geral do ar na atmosfera

• Ar quente fica menos denso e tende a ascender na atmosfera.

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Circulação idealizada da atmosfera se a Terra não girasse e fosse homogênea:

Maior aquecimento

Solar

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Observar:

•Ventos alísios

•Zonas de baixa pressão

•Zonas de alta pressão

•Regiões chuvosas

•Regiões secas

Circulação idealizada considerando a rotação da Terra

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Células de Hadley

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http://earth.nullschool.net/

Acompanhe a circulação do ar atmosférico nos dias atuais e previsão de alguns dias

Vento e Água precipitável

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Zona de Convergência Intertropical (ZCIT)

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Zona de Convergência Intertropical (ZCIT)

Alísios hemisfério Norte

Alísios hemisfério Sul

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Evaporação e evapotranspiração de acordo com a latitude

umidade é redistribuída pela circulação atmosférica

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Zona de convergência inter tropical (ZCIT)

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ZCIT e células

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ZCIT

ZCIT

(faixa de nuvens)

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Mais complexidade:correntes de jato

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circulação idealizada circulação real

Efeito dos continentes e outros

Zonas de alta e baixa pressão são descontínuas

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Zonas de pressão

Ventos na superfície

ZCIT

Janeiro

Julho

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Precipitação média a cada 5 dias

Observar:• franja de chuvas mais intensas associada a ZCIT

• zonas sem chuva nos centros de alta pressão sobre os oceanos

• sazonalidade das chuvas no centro do Brasil

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Precipitação média anual

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Precipitação média em julho

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Precipitação média em janeiro

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Clima

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• Procure no youtube por

• Water Vapor Circulation on Earth• http://www.youtube.com/watch?v=qh011eAYjAA

• http://www.youtube.com/watch?v=b2jEcBqKdbQ

•

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Exercícios

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Exercícios

• Você é um hidrotécnico contratado por uma empresa de hidrometeorologia responsável por processar dados de uma estação meteorológica. Um dado de evaporação de tanque classe A que você está verificando resultou está mostrando 12mm em Foz do Iguaçu (latitude ~25°) em Julho.

• Qual a sua opinião sobre este valor?