XV CONGRESSO BRASILEIRO DE METEOROLOGIA PARÂMETRO DENSIDADE VIL: CLIMATOLOGIA E APLICAÇÃO PARA ALERTA DE

TEMPESTADES NO ESTADO DE SÃO PAULO

Douglas Cristino Leal 1*, Gerhard Held2, Ana M Gomes2 e Jonas Teixeira Nery1

1Universidade Estadual Paulista, Ourinhos – SP, Brasil (douglascleal@bol.com.br, *Bolsista FAPESP) 2Instituto de Pesquisas Meteorológicas, Bauru – SP, Brasil

RESUMO: A distribuição da freqüência de ocorrência do parâmetro Densidade VIL, para os meses chuvosos durante cinco anos, foi determinada no alcance do radar Doppler de Bauru. Os limiares definidos foram utilizados para verificação considerando um evento severo com granizo ocorrido na região de Bauru. ABSTRACT: The frequency distribution of the VIL Density parameter during five rainy seasons was determined in the State of São Paulo. The threshold values obtained were cross-checked with a severe event that had produced strong winds and heavy hail falls mainly over the Bauru area. Palavras-Chave: VIL, Densidade VIL, Tempestades, Radar Doppler, Estado de São Paulo, Thunderstorms, VIL Density, Brazil. 1. INTRODUÇÃO

Nas operações de emissão de alerta de tempo severo, freqüentemente os previsores se baseiam no produto VIL (Vertically Integrated Liquid – conteúdo de água líquida integrada verticalmente), para se estimar a severidade de uma tempestade e em particular, se existe potencial para presença de granizo. Uma vez que os valores de VIL têm grande variabilidade baseado nas características da massa de ar atuante, normalmente utiliza-se um limiar de VIL para ser usado em cada tempestade. É uma função não linear derivada dos valores de refletividade e integrados numa coluna vertical e que converte essas refletividades, em estimativas do conteúdo de água líquida equivalente, baseado em estudos teóricos de distribuições do tamanho de gotas e estudos empíricos de fator refletividade e conteúdo de água líquida (LOUISVILLE, 2004). Como o parâmetro VIL é dependente da massa de ar dominante, a convecção resultante poderá produzir granizo severo mesmo quando baixos valores de VIL são observados. Portanto, VIL analisado isoladamente não é suficiente para se identificar tempestades potencialmente severas. Para eliminar alguns problemas inerentes ao uso somente do parâmetro VIL foi proposto um método que normalizasse os valores de VIL levando em conta os valores observados para o topo dos ecos (AMBURN e WOLF, 1996). Os resultados documentados na literatura especializada mostram que o parâmetro Densidade VIL, que é a razão entre VIL e o topo, é um bom indicador de tempo severo, pois à medida que a Densidade VIL aumenta, os núcleos contendo granizo tendem a ser mais profundos e mais intensos e, portanto, o tamanho do granizo observado tende a ser maior (PAXTON e SHEPHERD, 1993).

Entretanto, deve-se considerar aqui que tais limiares podem ser específicos para uma determinada região e, portanto sua aplicação requer uma verificação para as condições locais do Estado de São Paulo (PAXTON e SHEPERD, 1993). GOMES e HELD (2004) determinaram o parâmetro Densidade VIL, para as tempestades observadas na área central, utilizando um período de dez anos para o mês de fevereiro. Os resultados obtidos mostraram o potencial de aplicação de tal parâmetro para o setor operacional e com isso a necessidade de se estender a análise para os demais meses do ano.

O objetivo do presente estudo é o de estabelecer uma climatologia sobre a distribuição de VIL e topo dos ecos relativos às tempestades utilizando dados coletados com o radar Doppler de Bauru para a determinação do parâmetro Densidade VIL e, a partir dele, definir limiares para este parâmetro que serão utilizados para a identificação de tempo severo contribuindo para melhorar os alertas de tempestades, severas ou não-severas, minimizando os riscos potenciais na área central do Estado de São Paulo e regiões adjacentes, no raio de alcance dos 240Km, a partir do radar de Bauru. Através da determinação e avaliação do parâmetro Densidade VIL, para os meses em que há maior ocorrência de chuvas, ou seja, de outubro a março, foi redefinido limiares para a avaliação do impacto disso na redução de falso alarme quando da emissão de alertas de tempo severo. A partir da implementação e automação da aquisição do parâmetro Densidade VIL, em um futuro próximo, será então possível avaliá-lo em tempo real.

2. METODOLOGIA Os dados volumétricos de refletividade coletados com o radar Doppler de Bauru foram selecionados

dentro do período chuvoso de 2000 a 2004 e processados com o sistema TITAN - Thunderstorm,

Identification, Tracking, Analysis and Nowcasting (DIXON e WIENER, 1993), um sistema especialmente desenvolvido para o tratamento e as aplicações das informações de radares meteorológicos. Os dados volumétricos foram recuperados em seu formato proprietário SIGMET e convertidos para o formato MDV do TITAN, cujo módulo estatístico fornece os parâmetros médios relativos à série de dados em análise. Para obtenção dos parâmetros relativos às células de tempestade foram definidos limiares de refletividade >40 dBZ e volume >16Km3. Os parâmetros determinados são: Max_VIL (Kg/m2) e altura do topo dos ecos associados (Km). A partir desses dois parâmetros foi calculado o parâmetro densidade VIL e determinadas distribuições estatísticas relativas aos três parâmetros para o período dos cinco anos selecionados. Os detalhes referentes à metodologia para obtenção destes parâmetros podem se encontrados em GOMES e HELD (2004).

3. RESULTADOS Para uma melhor comparação entre os meses analisados, os resultados para as distribuições de

freqüência serão agrupados em dois trimestres, a saber, de outubro a dezembro e o outro de janeiro a março, para os parâmetros: topo dos ecos, VIL e Densidade VIL, mostrados nas Figuras 1a e b, 2a e b e 3a e b, respectivamente.

Na distribuição do topo dos ecos, relativa aos meses de outubro a dezembro, observa-se que em 87,9%, 91,2% e 82,1%, respectivamente, o topo dos ecos são observados entre 6 e 10 Km, conforme Figura 1a. Uma distribuição similar é observada para o outro trimestre reunindo os meses de janeiro a março, como pode se observar na Figura 1b, cujas freqüências relativas são 91,9%, 91% e 93,3%, respectivamente, para topos no intervalo de 6 a 10 Km. Os valores médios obtidos para o topo dos ecos variam para os dois trimestres entre 7,6 e 7,8Km de altura, com valores médios para VIL entre 11 e 14 Kg/m2. O parâmetro Densidade VIL médio calculado para os dois trimestres ficou entre 1,4 a 1,7g/m3.

(a) (b)

Figura 1: Distribuição da freqüência de ocorrência do topo dos ecos, para os meses de outubro a dezembro (a) e de janeiro a março (b) no período de 2000 a 2004, calculados para as tempestades através de dados do radar de Bauru.

(a) (b)

Figura 2: Distribuição da freqüência de ocorrência de VIL, para os meses de outubro a dezembro (a) e de janeiro a março (b) no período de 2000 a 2004, calculados para as tempestades através de dados do radar de Bauru.

Para os valores de VIL essas freqüências são respectivamente de 87,8%, 82,1% e 94,6% para valores

observados no intervalo de 4 a 26 Kg/m2, sendo que em torno de 5 a 11% esses valores são excedidos, durante o trimestre que inclui os meses de outubro a dezembro, conforme Figura 2a.

Porém, neste mesmo gráfico, observa-se que o mês de outubro destaca intensidades maiores do que os outros meses mencionados, isso devido a tempestades intensas que ocorreram neste período. No estudo de casos deste artigo é mencionado e destacado um evento ocorrido no dia 4 de outubro de 2000 que resultou numa tempestade severa produzindo granizo. Para o mês de outubro, a freqüência de valores maiores que 50kg/m2 foi de 2,9%, sendo que para o mês de novembro constatou-se que esta freqüência foi de 1,2% e para o mês de novembro de apenas 0,9% (Figura 2a). Na Figura 2b é representada a distribuição de freqüência para os valores de VIL nos meses de janeiro a março do período estudado. É possível perceber que valores de VIL para estes meses não sofrem variações acentuadas entre estes meses representados, para os mesmos valores. Valores maiores que 50Kg/m2 são inferiores quando comparado ao do mês de outubro. Isso significa que as tempestades de janeiro, fevereiro e março, cujos valores de VIL que superaram 50Kg/m2 resultaram em 1,2%, 1,3% e 0,8%, respectivamente, não foram tão intensas quanto as tempestades de outubro, especificamente. Em relação ao parâmetro densidade VIL, os valores são corroborados com valores de topo dos ecos e de VIL, uma vez que este parâmetro densidade VIL “normaliza” o VIL usando o topo do eco. Freqüência de Densidade VIL acima de 6,5g/m3 para os meses de outubro, novembro e dezembro são respectivamente 1,1%, 0,5% e 0,4%, respectivamente (Figura 3a). Isso significa que grande parte das tempestades mais intensas possui relativamente uma maior incidência no mês de outubro, período de transição de estação. Na Figura 3b nota-se uma menor freqüência de tempestades com valor de Densidade VIL superior a 6,5g/m3. A freqüência de valores de Densidade VIL acima de 6,5g/m3 é, respectivamente, para os meses de janeiro, fevereiro e março de 0,4%, 0,5%, 0,4%.

(a) (b)

Figura 3: Distribuição da freqüência de ocorrência de densidade VIL, para os meses de outubro a dezembro (a) e de janeiro a março (b) no período de 2000 a 2004, calculados para as tempestades através de dados do radar de Bauru.

Os resultados obtidos para a climatologia caracterizam as magnitudes médias associadas às tempestades potencialmente severas, determinando os valores de ocorrência mais freqüentes relativos às alturas do topo dessas tempestades bem como o valor de VIL associado. Além da caracterização climatológica dos eventos potencialmente severos foi proposta também a obtenção das distribuições de freqüência para os eventos que ocorreram durante o período estudado em que a severidade foi constatada através dos danos em superfície. Tais eventos foram selecionados usando uma base de informações compiladas no IPMet a partir das informações sobre eventos severos mantidas pela Defesa Civil e outras fontes que incluem os relatos de jornais da região central do Estado de São Paulo.

Para a definição dos limiares, há necessidade do cálculo dos valores desses parâmetros para análises das ocorrências dos eventos, selecionados dentro do período estudado. Uma análise detalhada é apresentada para o evento de 04 de outubro de 2000, que resultou em muitos estragos e transtornos para a região de Bauru. As células convectivas associadas a este evento causaram maiores prejuízos principalmente por virem acompanhadas de fortes ventos e pela queda de granizo. Segundo fonte do JCNet (Jornal da Cidade), foram registrados em Bauru, queda de árvores, desabrigados, destelhamentos, queda de poste e acidente com veículo. Tempestades similares foram observadas neste dia através de toda a região central do Estado. O primeiro eco associado à tempestade que provocou granizo e ventos fortes na região de Bauru foi detectado pelo radar de Bauru às 16:22 UT, sendo localizado a 30 Km NW do radar. A Figura 4a mostra o

deslocamento desta tempestade (polígonos em verde) sobre a região, obtido através do TITAN, a partir das 16:37 UT, quando a célula com refletividade em excesso de 40 dBZ foi pela primeira vez identificada.

(a) (b)

Figura 4: Imagem do radar de Bauru mostrando o campo de refletividade para o evento do dia 04 de outubro de 2000 às 16:22 UT e o deslocamento desta tempestade (polígonos em verde) sobre a região, obtido através do TITAN, a partir das 16:37 UT e o campo de refletividade às 15:45 UT mostrando a linha de base usada para o corte vertical (b). Anéis são mostrados a cada 5 km a partir do radar.

Os valores máximos de refletividade (71 dBZ) foram observados entre os horários de 17:07 e 17:15 UT. O máximo VIL foi de 148,4 Kg/m2 ocorrido às 17:07 UT com o topo dos ecos de 40 dBZ em 9,9 Km, resultando num valor de 15,0 g/m3 para o parâmetro Densidade VIL, que caracteriza um evento de extrema severidade. A Figura 4b (superior) mostra a tempestade com dois núcleos de máxima refletividade às 16:45 UT, cuja fusão é observada já na próxima varredura do radar. Sua estrutura vertical mostra a acumulação das gotas presentes na célula ainda em estágio de crescimento, Figura 4b (inferior), representada pelas altas refletividades presente nos altos níveis entre 6 e 8 Km. Os valores de VIL observados foram de 60,2 e 88,1 Kg/m2, respectivamente, resultando em valores de 6,6 e 8,3 g/m3 para o parâmetro Densidade VIL.

(a) (b)

Figura 5: Evolução temporal da estrutura vertical para a refletividade máxima observada pelo radar de Bauru durante o evento do dia 04 de outubro de 2000 no período das 16:45 às 17:02 UT (a) e a da Densidade VIL observada no período das 16:45 às 17:22 UT.

A evolução temporal da máxima refletividade observada e do parâmetro Densidade VIL para a célula que ocasionou granizo e ventos intensos na região de Bauru é mostrada nas Figuras 5a e 5b, respectivamente, onde se destaca o colapso do núcleo registrado às 16:45 UT, visto claramente pela queda repentina da área definida pelo limar de 66 dBZ, que é observado próximo à superfície, entre o horário das 16:53 às 17:02 UT. As observações de temperatura registradas na estação meteorológica do IPMet evidenciaram uma brusca

queda, em torno de 10º C, próximo ao horário das 14:30 HL (17:30 UT), confirmando as observações do radar sobre as fortes chuvas acompanhadas de granizo para este evento. 4. CONCLUSÕES

A recuperação dos volumes no formato original, ou seja, no formato SIGMET e a conversão dos mesmos para o formato MDV do TITAN compôs a base de dados do radar Doppler de Bauru utilizada para o presente estudo que considerou um período de cinco anos para a análise.

Os valores obtidos para o parâmetro Densidade VIL, relativos aos meses de outubro a março no período de 2000 a 2004, mostraram ser um indicador potencial de severidade numa tempestade, independente de massas de ar atuantes, como é o caso na utilização somente do parâmetro VIL. Utilizando um limiar de refletividade de 40dBZ para selecionar as tempestades com potencial para severidade, foram obtidas as distribuições de freqüência das alturas do topo dos ecos e VIL, e do parâmetro Densidade VIL para se definir valores médios das magnitudes com que esses eventos acontecem. A identificação dos eventos severos dentro do período analisado propiciou uma comparação entre os valores estatísticos obtidos e os observados durante o período dessas tempestades que comprovadamente causaram danos em superfície.

Em estudos preliminares, GOMES (2002) sugeriu limiares para emissão de alerta a esses eventos e, posteriormente, GOMES e HELD (2004) obtiveram resultados para fevereiro reforçando os obtidos anteriormente e ressaltando a necessidade de se estender tal análise para todo o período chuvoso. As tempestades que ocorrem durante o período de outubro a março são responsáveis pela produção de eventos de enchente repentina, seguidos por eventos de ventos intensos e com menor incidência de eventos que produzem granizo, principalmente de dezembro a fevereiro, onde mais da metade do número mensal médio de chamadas atendidas pelo corpo de bombeiros devido a inundações é verificado. Esses limiares a serem testados com amostras independentes contribuem para o desenvolvimento das técnicas de “nowcasting” possibilitando a emissão de boletins de alerta para eventos potencialmente severos, que possam vir a ocorrer na área de vigilância dos radares operados pelo IPMet.

Ao se obter as estimativas médias associadas a eventos severos que ocorrem na área de alcance do radar de Bauru, o presente estudo vem complementar os anteriores ao estender sua análise para todos os meses chuvosos da região central do Estado de São Paulo, que é de outubro a março. Como uma classificação para o nível de severidade das tempestades, é proposto que o parâmetro Densidade VIL < 2,0g/m3 seja associado a tempestades não-severas. Para valores de Densidade VIL, entre 2,0 a 4,0g/m3, o mesmo seja associado a tempestades severas com potencial para produzir ventos intensos e / ou granizo, enquanto que para um valor de Densidade VIL >4,0g/m3 a tempestades extremamente severas, podendo provocar danos a vida e a propriedade em grandes proporções. AGRADECIMENTOS: À Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo, pela concessão de bolsa de IC, ao primeiro autor. Ao técnico HAG França pela assistência na recuperação dos dados e na geração de produtos do radar, a técnica GJ Pellegrina pelo levantamento dos eventos severos observados, a analista JM Kokistu pela instalação dos programas que compõem o sistema TITAN nos computadores do Departamento de Geografia, da UNESP em Ourinhos.

5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

AMBURN, Steven A. e WOLF, Peter L. VIL Density as a Hail Indicator. National Weather Service Office, Tulsa, Oklahoma, 1996. DIXON, M. e WIENER, G., 1993: TITAN: Thunderstorm Identification, Tracking, Analysis and Nowcasting - A radar-based methodology. J. Atmos. Ocean. Technol., n°10, p. 785-797. GOMES, A. M. Utilização do parâmetro densidade VIL no alerta de tempestades severas na área central do Estado de São Paulo. Anais XII Congresso Brasileiro de Meteorologia (CD ROM), Foz do Iguaçu, 4 – 9 August, 2002, SBMET, p. 3149 – 3154. GOMES, A. M e HELD G. Determinação e avaliação do parâmetro densidade VIL para alerta de tempestades. Anais XIII Congresso Brasileiro de Meteorologia, (CD ROM), Fortaleza, 29 de agosto – 3 de Setembro de 2004, SBMET, 12pp. LOUISVILLE, K.Y. VIL Density as a hail indicator. Science and Technology. NOAA's National Weather Service Weather Forecast Office, 2004. PAXTON, C. H. e SHEPHERD, J. M. Radar diagnostic parameters as indicators of severe weather in central Florida. NOAA Tech. Memo. NWS SR – 149, 1993, 12 p.