PRECIPITAÇÃO

CARLOS ROGÉRIO DE MELLO

DEG/UFLA

1. Ciclo Hidrológico

2. A atmosfera da Terra

a) AR SECO (CONSTITUIÇÃO FIXA, EM %): - Nitrogênio (N2): 78,084%

- Oxigênio (O2): 20,948%

- Argônio (Ar): 0,934%

- Neônio (Ne): 1,8x10-3 %

- Hélio (He): 5,2x10-4 %

- Metano (CH4): 2x10-4

- Criptônio (Ko): 1,14x10-4 %

- Hidrogênio (H2): 5x10-5 %

- Xenônio (Xe): 8,7x10-6 %

B) GÁS CARBÔNICO (CO2): 0,033%

C) VAPOR D’ÁGUA (H2O): 0 – 7%

d) OZÔNIO (O3): 0 – 0,01%

e) DIÓXIDO DE ENXOFRE (SO2): 0 – 10-4 %

F) DIÓXIDO DE NITROGÊNIO (NO2): 0 – 10-6 %

G) AEROSSÓIS: PARTÍCULAS SÓLIDAS EM SUSPENSÃO

DE ORIGEM ORGÂNICA E INORGÂNICA.

PLANETA TERRA

TROPOSFERA

9 km

18 km

ESTRATOSFERA

20 – 50 km Camada de Ozônio

TROPOPAUSA

MESOSFERA

50 – 80 km

TERMOSFERA

-100 -80 -60 -40 -20 0 20

18 Km

50 Km

80 Km

TROPOSFERA

ESTRATOSFERA

MESOSFERA

TERMOFESRA

Circulação geral da atmosfera

Circulação de massas de ar no Brasil

Massas de ar predominantes:

Massa Continental Equatorial : cE;

Massa Marítima Equatorial: mE;

Massa Tropical Marítima: mT;

Massa Polar Marítima: mP;

Massa Polar Continental: cP;

Massa Continental Tropical: cT;

Circulação de massas de ar no verão no Hemisfério Sul – Fonte: Vianello & Alves (1991)

Circulação de massas de ar no inverno no Hemisfério Sul – Fonte: Vianello & Alves (1991)

Exemplo de Carta Sinótica com circulação de massas de ar

Regimes de precipitação que atuam no Brasil

Importância da região Amazônica;

Importância da região Antártida;

Importância das regiões montanhosas;

Importância do Oceano Atlântico;

Importância dos fenômenos cíclicos El-Niño e La-Niña;

SUDESTE DO BRASIL

Verão chuvoso:

Aumento da radiação solar e maior atividade fotossintética e da

evaporação;

Enfraquecimento do Anticiclone do Atlântico Sul;

Frentes Frias: 56% dos eventos de chuva ao longo de

todo o ano;

Zona de Convergência do Atlântico Sul (ZCAS);

Eventos convectivos;

Ciclones tropicais e extra-tropicais;

Totais anuais variando de 800 a 2000 mm;

Bloqueios atmosféricos;

Fonte: Nunes et al., s/data

Clima da região

Sudeste do Brasil

SUL DO BRASIL

Chuvas bem distribuídas ao longo do ano;

Predomínio de Frentes Frias;

Zona de Convergência do Atlântico Sul (ZCAS):

indiretamente;

Eventos convectivos;

Ciclones tropicais e extra-tropicais;

Totais anuais em torno de 1400 mm;

Bloqueios atmosféricos;

CENTRO-OESTE DO BRASIL

Verão chuvoso, com muito alta concentração de chuvas;

Predomínio da Zona de Convergência do Atlântico Sul

(ZCAS);

Eventos convectivos;

Frentes frias pouco frequentes;

Período seco muito forte;

Totais anuais entre 1200 e 2500 mm;

Bloqueios atmosféricos;

NORDESTE DO BRASIL

Litoral chuvoso com influência importante do Oceano

Atlântico: eventos convectivos

Interior semi-árido: Célula de Hadley;

Frentes Frias: apenas no sul da região e com

intensidade fraca e poucos eventos;

Zona de Convergência Intertropical: norte da região;

Eventos convectivos esporádicos;

Totais entre 500 e 1400 mm;

NORTE DO BRASIL

Zona de Convergência Intertropical;

Zona de Convergência do Atlântico Sul;

Frentes Frias: muito esporádicas;

Eventos convectivos intensos devido à alta

concentração de umidade;

Influência importante dos fenômenos El-Niño e La-Niña;

Totais entre 1500 e 3500 mm;

Precipitação anual Precipitação máxima diária anual

Algumas considerações sobre a umidade atmosférica

Umidade relativa:

UR(%) = (et/est)*100

Ponto de orvalho

Ponto de condensação

Algumas características da umidade atmosférica

Decresce com aumento da latitude;

Máxima nos oceanos;

Decresce com a altitude;

Máxima no verão e mínima no inverno;

Variação diária: mínima ao nascer do sol e máxima a tarde

Curva de Saturação do Vapor d’ água

Transporte de energia na atmosfera

Radiação solar;

Condução: vapor d’água e CO2;

Convecção:

Redução da densidade do ar com aquecimento;

O ar torna-se mais leve próximo à superfície com aumento da temperatura;

Superfícies irregulares: aquecimento desigual;

Forças ascendentes: elevação do ar mais quente;

Com ascensão: expansão e resfriamento

Distribuição vertical de temperatura

Gradiente de temperatura na troposfera: 6,5oC/km;

Na estratosfera: não há gradiente (transformações isotérmicas);

Transformações adiabáticas na troposfera:

Adiabática seca: decréscimo de temperatura de uma partícula insaturada (1oC/100 m);

Adiabática saturada: condensação de vapor d’água;

Calor latente de vaporização;

Taxa de resfriamento de 0,5oC/100 m nas camadas inferiores da atmosfera

Produto da condensação permanece no sistema

4. Formação das chuvas

Elemento primordial: umidade atmosférica

Outros requisitos fundamentais:

Mecanismo de resfriamento do ar/ascensão da

massa de vapor d’água;

Presença de núcleos higroscópicos;

Partículas presentes na atmosfera em suspensão: sais,

argilas, oriundas de processos industriais, fuligem, cristais

de gelo, etc.

Mecanismo de crescimento das gotas;

Aquecimento das camadas inferiores

por condução do calor proveniente da radiação solar

Ascensão adiabática

Saturação do vapor d’água

por resfriamento

Formação das nuvens por pequenas gotículas

presença de núcleos higroscópicos

No interior das nuvens: crescimento das

gotas por coalescência e difusão do ar

Peso da gota > resistência do ar

Vapor d’água aquecido: <

densidade do ar

Precipitação

Superfície do solo

Núcleos Higroscópicos

Gotículas: 0,01 – 0,03 mm

Gotas de chuva:

0,5 – 2,0 mm

Processo de Coalescência

Tipo

Intensidade

Diâmetro (mm)

Velocidade de queda

(m/s)

Nevoeiro

0,25

0,20

-

Chuva leve

1 – 5

0,45

2,0

Chuva forte

15 - 20

1,50

5,5

Tempestade

100

3,0

8,0

3. Algumas características físicas das chuvas

Algumas chuvas históricas

Duração Lâmina (mm) Fonte (Local e data)

1 minuto 38 Barot, Guadeloupe 26/11/1970

15 minutos 198 Plumb Point, Jamaica 12/05/1916

30 minutos 280 Sikeshugou, Hebei, China 03/07/1974

60 minutos 401 Shangdi, Mongólia, China 03/07/1975

10 hs 1400 Muduocaidang, Mongólia, China 01/08/1977

24 hs 1825 Foc Foc, Ilhas Reunião 07 e 08/01/1966

12 meses 26461 Cherrapunji, Índia Ago. de 1860 a Jul. de 1861

• Tipos de chuvas

a) Chuvas Ciclônicas (frentes):

Movimentos de massa de ar de zonas de alta pressão

para zonas com baixa pressão atmosférica;

Classificação:

Sistema Não-Frontal: convergência horizontal de massas

de ar para regiões de baixa pressão;

Sistema Frontal: ascensão de ar quente sobre ar frio na

zona contato das duas massas.

Sistema Frontal

Sistema Não Frontal

b) Orográficas

Chuva na vertente

SE Chuva na vertente NE

c) Convectiva

Cumulus Cumulunimbus

4. Medição e monitoramento da chuva

Em solo:

Estações meteorológicas compactas e convencionais;

Pluviômetros e pluviógrafos;

Radar Meteorológico;

Do espaço:

Satélites Meteorológicos;

“Medidor de Neve”

40 – 400 mm/metro de neve

10% do total precipitado

em forma de neve convertido

para lâmina de chuva;

30 – 50% do total nevado para

neve compactada

Radar Meteorológico de São Paulo

Principais Radares disponíveis no Brasil

Algumas características do Radar

Princípio de Funcionamento: “sistema de navegação dos morcegos”. : Sons de alta de freqüência;

No radar: ondas eletromagnéticas de alta freqüência;

Ressonância em gotas no interior da nuvem e retorno do sinal ao radar;

A quantidade de gotas no interior da nuvem caracteriza a intensidade do sinal de retorno;

Limite inferior de leitura: 1 mm/h a 190 km;

Refração: informações distorcidas pelo radar, reduzindo sua precisão

Ex.: Precipitações a baixas altitudes; ventos laterais; “ecos do terreno”, propagação anômala (curvamento do feixe);

Vantagens do radar:

Leituras em tempo praticamente real;

Extremamente útil na previsão de enchentes em

áreas urbanas;

Além da quantidade de chuva, é possível monitorar a

trajetória do evento;

Melhora de forma considerável o desempenho de

modelos hidrológicos pela melhor caracterização da

precipitação média espacial na bacia;

Imagens de Satélites Meteorológicos

GRANDEZAS CARACTERÍSTICAS ASSOCIADAS À

PRECIPITAÇÃO E ANÁLISE DE UM PLUVIOGRAMA

Altura Pluviométrica;

Tempo de duração;

Intensidade da precipitação;

Freqüência de ocorrência;

Do pluviograma a seguir, calcule:

Total precipitado;

Duração da chuva;

Intensidade média;

Intensidade máxima associada aos intervalos de 10, 30, 60, 120, 240

Análise de um Pluviograma

PRECIPITAÇÃO MÉDIA NA BACIA

HIDROGRÁFICA

Contextualização:

Distribuição espacial da chuva ao longo de uma bacia;

Variabilidade espacial da chuva (intensidade e totais) no espaço da bacia;

Variabilidade espacial da geração de escoamento superficial;

Importância x dimensão da bacia;

Mapeamento da chuva x precipitação média espacial;

Base de dados:

Pluviométricos;

Radar;

Satélite;

Distribuição da chuva no espaço da bacia

Qual a precipitação média na bacia?

É possível trabalhar considerando sua distribuição no espaço?

Mapeamento da chuva

Dados pluviométricos

Polígonos de Thiessen

Vantagens:

Rápido e fixo;

Precisão nos polígonos: SIG (ArcGis);

Resultados razoáveis (“bom custo/benefício”);

Problemas:

Método puramente geométrico;

Não capta de forma precisa efeitos orográficos;

Bom apenas para estimativa de uma média espacial;

Isoietas: linhas de igual precipitação

Baseado em métodos de interpolação espacial;

É possível reduzir efeitos orográficos;

Gera mapas de chuvas para cada evento de forma distribuída

no espaço;

Necessita de boa experiência;

Mapas de krigagem e co-krigagem;

É possível calcular a média espacial;

Isoietas de precipitação anual para MG utilizando diferentes interpoladores

Krigagem

ordinária Co-krigagem

IQD Modelos de

regressão

22/01/1992 23/01/1992 24/01/1992

Média espacial: 26 mm

(Thiessen)

Média espacial: 68 mm

(Thiessen)

Média espacial: 116 mm

(Thiessen)

Escoamento gerado

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

24/dez 3/jan 13/jan 23/jan 2/fev 12/fev

Data

Vaz

ão (

m3/

s)

24/01

Uso do solo Relevo Solos

Chuva

Preenchimento de Falhas em Séries Históricas de

Precipitação

Causas:

Problemas técnicos de funcionamento dos equipamentos;

Problemas vinculados ao funcioanário;

Problemas técnicos de transmissão de dados;

Aplicabilidade das técnicas:

Séries históricas de totais (decendiais, quinzenais, mensais, anual);

Para chuvas diárias não é recomendável;

Por quê?

Técnicas mais aplicadas

Técnicas de regressão:

Regressão linear;

Regressão múltipla;

Médias;

Aritmética;

Ponderada;

Vetor de ponderação regional;

Vetor de ponderação regional com base em regressões;

Espacial;

Geoestatística;

Inverso da Quadrado da Distância;

Séries temporais;

Regressão linear entre dois postos:

Posto X com série completa;

Posto Y com série incompleta que precisa ser preenchida;

Regressão múltipla:

Postos vizinhos com dados correspondentes à falha de Y;

Regressão múltipla linear:

Regressão múltipla não linear:

XbaY

CXa...XaXaY nn2211

nan

3a3

2a2

1a1o X...XXXaY

Média aritmética entre postos vizinhos:

Vetor de ponderação regional:

Exemplo para 3 postos vizinhos A, B, C;

NA, NB, NC = valor médio da precipitação que se deseja preencher em

Px e que é conhecida nos postos A, B e C;

NX = precipitação média do posto X;

PA, PB, PC = precipitações correspondentes aos postos A, B e C

n

P

P

n

1ii

x

C

C

xB

B

xA

A

xx P

N

NP

N

NP

N

N

3

1P

Exemplo: preencher a falha de uma série histórica de

precipitação mensal de janeiro, correspondente ao ano 2001, de

um posto meteorológico P, com base em 3 postos vizinhos (A,

B, C), que apresentam os seguintes dados:

Média da precipitação de janeiro do posto P (Nx) = 161 mm;

Média da precipitação mensal de janeiro do posto A (NA) = 135 mm;

Média da precipitação mensal de janeiro do posto B (NB) = 180 mm;

Média da precipitação mensal de janeiro do posto C (NC) = 156 mm;

Valor da precipitação de janeiro, do ano 2001, para o posto A (PA) = 120

mm;

Valor da precipitação de janeiro, do ano 2001, para o posto B (PB) = 154

mm;

Valor da precipitação de janeiro, do ano 2001, para o posto C (PC) = 142

mm;

9

Estação 1

Estação 2

Estação 3

Estação 4 Estação 5

(10;50)

(30;40)

(41;65)

(22;26) (50;25)

Preencher falha na série histórica de precipitação mensal de

setembro, relativo ao ano 2000 para a Estação 2, sabendo-se que:

Estação 1: 25 mm;

Estação 3: 31 mm;

Estação 4: 29,5 mm;

Estação 5: 26,8 mm;

Cálculo das distâncias euclidianas entre as estação com dados e a

estação que precisa de preenchimento (estação 2):

D1-2 = [(30-10)2 + (40-50)2]0,5 = 22,4 m;

D3-2 = [(41-30)2 + (65-40)2]0,5 = 27,3 m;

D4-2 = [(22-30)2 + (26-40)2]0,5 = 16,1 m;

D5-2 = [(50-30)2 + (25-40)2]0,5 = 25 m;

Cálculo dos pesos de cada estação:

P1-2 = 1/(22,4)2 = 1,993x10-3

P3-2 = 1/(27,3)2 = 1,342x10-3

P4-2 = 1/(16,1)2 = 3,858x10-3

P5-2 = 1/(25)2 = 1,6x10-3

Cálculo da falha:

Pp2 = [(P1-2 x 25)+(P3-2 x 31)+(P4-2 x 29,5)+(P5-2 x 26,8)]/(P1-2 + P3-2 + P4-2 + P5-2)

Pp2 = 28,2 mm

Exercício

Preencher a falha na série histórica mensal de abril do ano de 2005

para o posto 3 (dados da tabela abaixo) com base nos métodos

“Vetor de Ponderação Regional” e “Inverso do Quadrado da

Distância”.

Posto Latitude Longitude Precipitação média do mês de

Abril (mm)

Precipitação de

Abril de 2005 (mm)

1 7553800 554000 52 47

2 7553100 557600 58 52

3 7554500 552100 47 ??

4 7552100 551200 62 58

5 7555200 554300 65 57

Chuvas Intensas

Precipitações médias máximas associadas a uma

duração e recorrência;

td (min) 5 10 20 30 60 90 120 180 240

Intensidade média

(mm h-1) 120 72 51 40 25 19 15 11 8,7

Precipitação que possui uma característica fundamental

associada à probabilidade de ocorrência;

Podem não ser medidos diretamente;

Seus valores são estimados a partir da aplicação de uma

distribuição de probabilidades de valores extremos;

Séries históricas de valores máximos de precipitação

associados a uma determinada duração;

Aplicações:

Caracterização de uma chuva de projeto;

Cálculo da vazão de projeto a ser aplicada;

Depende das estrutura a ser dimensionada:

Cheia: terraços ; barragens; bueiros, drenagem urbana;

Drenagem subterrânea: dimensionamento de drenos/canais para

condução do excedente, dispondo de um tempo maior para isto;

bacias de contenção;

Equação de Chuvas Intensas:

Curvas I-D-F

Mapeamento da chuva intensa;

ndo

m

m,mtt

TRCI

2,603b

d21TR,dthataaTRlnah

Ajuste da Equação de Chuvas Intensas:

Estimar os parâmetros C, m, n, to da equação;

Valor local;

Obtenção dos dados:

Via pluviograma;

Via precipitação máxima diária anual (desagregação de chuvas);

Ajuste

Regressões Lineares;

Regressão Múltipla não linear: Gauss-Newton;

Via Pluviograma:

Estruturação de uma série histórica, com pelos menos 15 anos, de

valores máximos associados a uma duração específica, que

normalmente é de 10; 30; 60; 120; 360; 720; 1440 minutos;

Com a série histórica, ajusta-se uma distribuição de probabilidades

mais adequada para este fim e estima-se:

Td (min) TR (anos)

10 5

10 10

10 30

10 50

10 100

10 150

Análise de um pluviograma:

Via Desagregação de Chuvas:

Série histórica de precipitação máxima diária anual;

Ajuste da Distribuição de Probabilidades;

Cálculo da precipitação máxima associada a uma recorrência;

Estimativa da precipitação máxima associada a cada duração via

desagregação;

Estruturação da base de dados;

(ht1/ht2) h24/hdia h12/h24 h10/h24 h8/h24 h6/h24 h1/h24 h0,5/h1 h25/h30* h20/h30 h15/h30 h10/h30 h5/h30

K 1,14 0,85 0,82 0,78 0,72 0,42 0,74 0,91 0,81 0,70 0,54 0,34

Mapeamento da chuva intensa:

Mapa de precipitação média máxima diária anual do Brasil