Estudo de Sistemas Convectivos de Mesoescala no Sul da América do Sul utilizando o Modelo WRF

Luciana Cardoso Neta1, Roseli Gueths Gomes2, Eliane Grala Pinheiro Alves3

1,2,3Centro de Pesquisa e Previsões Meteorológicas - (CPPMet) - Av. Engenheiro Ildefonso Simões Lopes, 2751 - CEP: 96060-290 - Telefone: (53) 3277-6690 - Pelotas - RS – Brasil,

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ABSTRACT: The objective of this work is to study a series of 5 mesoscale convective systems observed on 10 January 2003 at Southern South America. It was used geostationary satellite imagery, WRF model and surface precipitation data. It was investigated the effect of the vertical wind shear (m/s) in the 850-200hPa layer and the importance of K index (ºC) and mixing ratio (g/kg) in 850hPa to the formation and evolution of these systems. The results showed that the vertical wind shear was fundamental to the development of the observed convective activity.

Palavras-chave: sistemas convectivos, índice K, umidade, cisalhamento vertical

1 - INTRODUÇÃO Uma característica nos meses de verão do Sul da América do Sul (SAS) é a presença de

Sistemas Convectivos de Mesoescala (SCM), constituídos por aglomerados de nuvens Cumulonimbus. Podem apresentar diversos formatos, tempo de vida e dimensões espaciais (Cotton & Anthes, 1989). Estes sistemas têm grande influência no tempo e no clima de latitudes médias, a sotavento da Cordilheira dos Andes (Macedo et al. 2002). Os SCM causam quantidades significativas de precipitação em superfície, condições severas de tempo e são de difícil previsão. Em algumas partes do globo, os SCM são responsáveis por mais de 50% do total anual de precipitação. Por isso, são fundamentais para a manutenção do equilíbrio hídrico da região (Salio et al. 2007). Os SCM podem ocorrer isoladamente, sofrer processos de fusão e divisão (Vila et al., 2008).

Dentro deste contexto, no dia 10 de janeiro de 2003 vários SCM se formaram no SAS, quase que ininterruptamente. O objetivo deste trabalho é estudar a série de SCM observados entre 00UTC (Coordenada de Tempo Universal) e 19UTC do dia 10, porque estes passaram por processos de fusão, resultando em nebulosidade sobre todo o estado do Rio Grande do Sul (RS) e intensa precipitação em superfície. O efeito do cisalhamento vertical do vento, a importância do índice K e da razão de mistura na formação e evolução destes SCM serão analisados.

2 – MATERIAL E MÉTODOS

Foram utilizadas imagens de satélite geoestacionário, realçadas no canal infravermelho, obtidas no site http://orbit35i.nesdis.noaa.gov/arad/ht/ff/gilberto.html (atualmente desativado). As imagens são compactadas e foram disponibilizadas a cada 30 minutos, aproximadamente. Estas imagens foram utilizadas para identificar as nuvens com topos elevados, que definem o SCM, e as regiões com convecção profunda e ativa dentro do SCM, que definem os núcleos internos (Vila et al. 2008). Neste trabalho foi utilizado um único limiar de temperatura de brilho de topo das nuvens de 223K (-50ºC) para a identificação dos núcleos dos SCM, com um método semi-automático (Silveira et al., 2006). A região de estudo está compreendida entre 20ºS-40ºS e 40ºW-70ºW.

As simulações foram feitas com o modelo WRF-ARW, versão 2.2, cujos dados iniciais e de contorno têm resolução horizontal de 1ºx1º em latitude e longitude, atualizados a cada 6

horas. As simulações iniciaram 12 horas antes do horário de formação do primeiro SCM da sequência de interesse. Foram utilizadas duas grades aninhadas (com 90km e 30km de resolução horizontal) e 31 níveis verticais, em coordenada-eta.

Foram analisados os campos do índice K (ºC), a razão de mistura (g/kg) em 850hPa e o cisalhamento vertical do vento (m/s) na camada entre 850-200hPa, calculado pela diferença entre o vento horizontal em 200hPa e 850hPa. O índice K representa uma medida potencial de desenvolvimento de tempestades, baseada na taxa vertical de variação de temperatura, no conteúdo de umidade na baixa troposfera e na extensão vertical da camada úmida (Nascimento, 2005). Valores acima de 30°C indicam alto potencial para ocorrência de tempestades. Para a avaliação da precipitação em superfície foram utilizados dados de 12 estações meteorológicas do 8º Distrito de Meteorologia/Instituto Nacional de Meteorologia (DISME/INMET).

3 – RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Fig.1 mostra segmentos das imagens de satélite, em alguns horários, dos SCM que ocorreram entre 00UTC e 19UTC do dia 10. Na Fig. 1a (05UTC) notam-se dois SCM, indicados pelos números 1 e 2 e salientados pela elipse, já formados na região nordeste da Argentina. Posteriormente (Fig. 1b) é observada a fusão entre estes dois SCM, resultando no SCM 3. Ainda na Fig. 1b, pode-se observar um novo sistema (SCM 4) no norte do RS/sul de SC. Na Fig. 1c (10UTC do dia 10), observa-se a evolução dos SCM 3 e SCM 4. Da fusão do SCM 3 com o SCM 4 resultou o SCM 5 (indicado pela elipse na Fig.1d). De acordo com as imagens disponíveis, foi próximo a este horário, 13UTC do dia 10, que o SCM 5 atingiu sua área máxima, aproximadamente 600.000km2. Este resultado foi obtido com o uso do método semi-automático que analisa individualmente cada um dos núcleos convectivos que compõem cada SCM. Na Fig.1e é mostrado o núcleo convectivo do SCM 5, de maneira isolada. Posteriormente, o SCM 5 entrou em dissipação (Fig. 1f).

Figura 1 – Fragmentos das imagens do satélite geoestacionario GOES-8, realçadas no canal infravermelho, do dia 10 de janeiro de 2003. O horário está indicado nas figuras.

A precipitação em superficie no RS, causada pelos SCM 3, 4 e 5 foi avaliada com os dados de 12 estações meteorológicas mostradas na Fig.1a. Na Fig. 1b é mostrada a

(b) 07:30 UTC (a) 05 UTC (c) 10 UTC

(d) 13 UTC (f) 15:30 UTC (e) 13 UTC

1 3

4 4

2 3

5 5 5

precipitação acumulada de janeiro de 2003. Observa-se que os valores oscilaram entre 100mm, no extremo sul, e 160mm, nas regiões norte e nordeste. A Fig. 1c mostra a precipitação ocorrida entre 12UTC do dia 10 e 12UTC do dia 11 de janeiro de 2003. Os valores máximos, localizados no nordeste do estado podem ser associados aos SCM em estudo, porque nas imagens de satélite não há nuvens convectivas sobre esta região após 19UTC do dia 10, até o horário da observação. Em Passo Fundo choveu quase 60% (89,3mm) do total observado no mês (151mm). Em Uruguaiana, 42% da precipitação de janeiro 2003 ocorreu devido aos SCM em questão.

(a)

Figura 2 – (a) Localização geográfica das 12 estações meteorológicas de superfície utilizadas, (b) precipitação total do mês de janeiro de 2003 e (c) precipitação medida na observação das 12UTC do dia 11 de janeiro de 2003.

Na Fig.3 são mostrados os campos do índice K (ºC), da razão de mistura (g/kg) em 850hPa e do cisalhamento vertical do vento (m/s) na camada entre 850-200hPa, em dois horários: 05UTC, próximo da formação dos SCM 1 e SCM 2 e 13UTC, quando o SCM 5 atingiu sua área máxima, como discutido anteriormente. As elipses traçadas nas Fig.1a e 1d estão igualmente indicadas nas Fig.3a,3b e Fig.3c, 3d para fins de identificação da região de ocorrência dos SCM, nos respectivos horários. A Fig. 3a mostra os valores de índice K (hachurado) e da razão de mistura em 850hPa (linha sólida) às 5UTC. Observa-se que, na maior parte da região de ocorrência dos SCM 1 e 2, os valores do índice K estavam entre 20ºC e 30ºC e os da razão de mistura entre 7 e 13g/kg. Havia, portanto, um gradiente horizontal de umidade em baixos níveis com moderado potencial para desenvolvimento de tempestades. Nesta mesma região, o cisalhamento vertical do vento horizontal (Fig.3b)

(b) (c)

apresentou valores superiores a 30m/s (máximo de 45m/s). Na Fig.3a, a inspeção das regiões onde os valores do índice K estavam superiores a 30ºC, a razão de mistura apresentou valores entre 14 e 15g/kg o que favoreceria o desenvolvimento de tempestades severas. Entretanto, pela Fig.1a, nota-se que não houve formação de aglomerados convectivos nestas regiões, onde o cisalhamento vertical do vento estava inferior a 15m/s, como mostra a Fig.3b. Estes resultados sugerem que o cisalhamento vertical do vento teve papel importante nas horas iniciais de desenvolvimento dos SCM em estudo.

No horário das 13UTC, quando o SCM 5 atingiu sua área máxima, situação semelhante àquela das 5UTC foi observada, na medida em que fatores termodinâmicos tiveram papel secundário aos cinemáticos no desenvolvimento de atividade convectiva. Em relação ao índice K, houve inclusive diminuição dos valores (Fig.3c), pois os mínimos atingiram 10ºC, o que indica somente 20% de possibilidade de desenvolvimento de tempestades (Nascimento, 2005). Os valores de razão de mistura foram semelhantes aos observados no horário das 5UTC, na maior parte da região de ocorrência do SCM5, onde os valores do cisalhamento vertical do vento foram superiores a 35m/s (Fig.3d).

(b) 05 UTC (a) 05 UTC

(d) 13 UTC (c) 13 UTC

Figura 3 – Figuras à esquerda: campos do índice K (hachurado, ºC) e razão de mistura (linha sólida, g/kg) em 850 hPa no horário (a) 05 UTC e (c) 13 UTC. Figuras à direita: cisalhamento vertical do vento (m/s) na camada entre 850-200 hPa nos horários (b) 05 UTC e (d) 13 UTC. As elipses indicam as regiões onde os SCM de interesse estavam localizados, nos respectivos horários.

4 – CONCLUSÕES Neste trabalho foi analisada a série de 5 Sistemas Convectivos de Mesoescala que se

formaram no Sul da América do Sul no dia 10 de janeiro de 2003, entre 00 e 19UTC. Os SCM passaram por processos de fusão, donde resultou intensa atividade convectiva sobre todo o estado do Rio Grande do Sul e grande quantidade de precipitação em superfície. Nas cidades localizadas perto dos núcleos convectivos, choveu aproximadamente metade do valor climatológico para o mês de janeiro. Os resultados encontrados sugerem que, para estes SCM, o cisalhamento vertical do vento teve papel muito importante para o desencadeamento da atividade convectiva.

5 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

COTTON, W. R; ANTHES, R.A. Storm and Cloud Dynamics. Academic Press, 1989, 883 pp. MACEDO, S.R.; MACHADO, L.A.T.; VILA, D.A.; MORALES, C.A.; LAURENT, H. Monitoramento de Sistemas Convectivos de Mesoescala atuantes no Brasil utilizando o FORTRACC (forecast and Tracking of active and convective cells). In: CONGRESSO BRASILEIRO DE METEOROLOGIA, 12, 2002, Foz do Iguaçu, (PR). Anais do..., 2002. NASCIMENTO, E. L. Previsão de tempestades severas utilizando-se parâmetros convectivos e modelos de mesoescala: uma estratégia operacional adotável no Brasil? Revista Brasileira de Meteorologia, v.20, n.1, p. 121-140, 2005. SALIO, P.; NICOLINI M.; ZIPSER E. J. Mesoscale convective systems over southeastern South America and their relationship with the South American low-level jet. Monthly Weather Review, v.135, p. 1290-1309, 2007. SILVEIRA, B. B.; MÜNCHOW, G. B.; GOMES, R. G.; SCAGLIONI T. P. Procedimento semi-automático para o estudo de sistemas convectivos de mesoescala. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE METEOROLOGIA, 14, Florianópolis, SC. Anais do...2006. CDROM. VILA, D.A.; MACHADO, L.A.T.; LAURENT, H.; VELASCO, I. Forecast and tracking the evolution of cloud clusters (ForTraCC) using satellite infrared imagery: methodology and validation. Weather and Forecasting, v.23, p.233-245, 2008.