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Reinaldo Haas Doutoramento em Meteorologia DCA/IAG/USP 16/12/2002 SIMULAÇÃO DE CHUVA OROGRÁFICA ASSOCIADA A UM CICLONE EXTRATROPICAL, NO LITORAL SUL DO.

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1 Reinaldo Haas Doutoramento em Meteorologia DCA/IAG/USP 16/12/2002 SIMULAÇÃO DE CHUVA OROGRÁFICA ASSOCIADA A UM CICLONE EXTRATROPICAL, NO LITORAL SUL DO BRASIL

2 Roteiro Motivação; Motivação; Objetivos; Objetivos; Materiais e Métodos; Materiais e Métodos; –VPI- Vorticidade potencial Isentrópica; –ARPS; Resultados; Resultados; –Análise do Ciclone Extratropical; –Simulação da chuva orográfica prolongada; –Simulação de três eventos de chuva forte; Conclusões; Conclusões; Trabalhos Futuros. Trabalhos Futuros.

3 Motivação (chuva forte) Três eventos de chuva forte em Florianópolis-SC ( mm/dia ), Jacinto Machado-SC ( sem registro ) e Camaquã-RS ( 283 mm/dia ) em 23 e 24/12/1995; Evento de chuva orográfica prolongada nas Serras Geral e do Mar entre 22 a 31/12/1995, onde a chuva acumulado excedeu a metade da média anual em várias estações; Característica de mesoescala, onde áreas com muita e com nenhuma chuva se intercalavam.

4 Motivação (Ciclone Extratropical - CE) Forte Ciclogênese à sotavento dos Andes (queda de 19 hPa em 30 horas), em 20/12/1995; Re-intensificação quando o CE chega ao Uruguai, em 21/12/1995; Longa duração do CE (14 a 31/12/1995); Trajetória para norte do CE chegando até ao Estado de Minas Gerais.

5 Evento de Jacinto Machado - SC

6 Evento de Florianópolis - SC Chuva, vel. e dir. do vento (x10 ). UFSC

7 Chuva acumulada e relevo

8 Relevo da Serra Geral e do Mar

9 Trajetória do CE Trajetória do CE de 14 a 31/12/1995

10 Formação e re-intensificação do CE Ciclogênese a sotavento dos Andes.Re-intensificação do Ciclone em superfície. Pressão reduzida ao nível do mar (reanálises NCEP)

11 Torre de VPI Vista tridimensional do nível de –1.5 UVP sobre a América do Sul

12 Objetivos Investigar a influência da presença da Cordilheira dos Andes e da presença de um distúrbio de temperatura sobre o Uruguai, na formação e intensificação do centro de baixa pressão em superfície. Testar a eficiência de diferentes metodologias de estimativa da precipitação na escala da grade e da subgrade, bem como de diferentes resoluções horizontais, na previsão do evento de precipitação orográfica prolongada na Serra Geral e do Mar. Verificar a capacidade de previsão das circulações locais e da precipitação nos três eventos de chuva muito forte, com um modelo numérico com alta resolução horizontal (3 km).

13 Literatura - CE Charney 1947, Eady Teoria de Instabilidade baroclínica; Rossby e colaboradores ( década de 1930) - Análise isentrópica e vorticidade potencial ( ); Ertel (1942) - Vorticidade potencial – VP; Kleinschmidt 1951 – Associação entre anomalias de VP na alta troposfera e CE; IPV Thinking; Hoskins et al (1985) – IPV Thinking; Davis e Emanuel (1991) – Estudo diagnóstico usando a técnica proposta de Davis (1990);

14 CE (continuação) Uccellinni (1990) – Estudo diagnóstico Ciclone do Dia do Presidente; Hirschberg e Fritsch (1990) - Estudo diagnostico do aquecimento e modelo conceitual do desenvolvimento de CE; Reed et al 1991, Kuo, et al, 1991, Zimmerman et al, 1989 – Papel da Liberação de Calor Latente; América do Sul: Orlanski et al (1991 ) – Simulação de CE no Pacifico e América do Sul - Papel da superfície; Seluchi e Saulo (1997) – Simulação de CE Costeiras; Sinclair (1995) – Área favorável a ciclogêneses no Uruguai e Golfo de San Matias; Gan e Rao, 1996 – Ciclogêneses; Funatsu (1999) – Estudo CE com a técnica de Davis;

15 Smith (1979) e Doswell et al (1996) – Mecanismos de formação da precipitação orográficas - PO; Maddox et al (1983) e Spencer e Stensrud (1998) - Inundações Repentinas; Hill (1993), Akaeda et at (1995) e Peterson et al (1991) - Mecanismos Físicos de Intensificação da PO; Maddox et al, (1978) Doswell et al, (1996) e Lang Lin, et al, (2000) – Ingredientes essenciais de PO forte; Sénési et al (1996), Katzfey (1995) e Romero et al (1997) – Simulação de um CE com PO, na França, na Nova Zelândia e Espanha, respectivamente; Colle e Mass (1997) - Simulação de evento de PO no estado de Washington com o uso de dados de redes especiais; Precipitação Orográfica - PO

16 Técnicas de estimativa precipitação Emanuel (1994) – Análise crítica dos esquemas de Subgrade; Kuo et al (1995) – Workshop de esquemas de Subgrade; Wang e Seaman (1997) – Mostrou que o esquema de KF dá resultados mais adequados que os demais; da Rocha (1999) - Análise dos aquecimentos dos diferentes esquemas de subgrade; Spencer e Stensrud (1998) - Deficiências do esquema KF; Kim e Soong (1996) – Uso de esquemas de microfísica;

17 Materiais e Métodos VPI – Vorticidade Potencial Isentrópica Hoskins et al (1985); onde g é a aceleração da gravidade, f é o parâmetro de Coriolis, S= é a estabilidade estática e é a vorticidade relativa em coordenada isentrópica.

18 A VPI se conserva na ausência de atrito e processos diabáticos; Se o fluxo de calor for nulo -> cte. -> PVI se conserva. O cilindro de ar (a) -> (b), então diminuir, pois a pressão p aumentou. => deve aumentar.

19 UVP - Unidade de Vorticidade Potencial (10 -6 m 2 s -1 K kg -1 ) - > mudança de 10K para um deslocamento vertical 100 hPa; VPI menores que -1.5 UVP indicam massas de ar de origem de troposférica; VPI maiores do que -1.5 UVP são chamados de anomalias anticiclônica; VPI menores do que -1.5 UVP são chamados de anomalias ciclônica. VPI = UVP é definida como a tropopausa dinâmica; Definições de VPI para o Hemisfério Sul:

20 Vantagens : Vantagens : Abordagem conservativa; Equivalente ao sistema QG; Necessita de uma só variável; Mais simples e objetivo que o QG; Princípio de inversibilidade - estudo isolado dos componentes de um sistema; Permite análises dos processos diabáticos e do atrito. Análise de VPI Desvantagens: Difícil de ser calculada próxima a superfície; Não leva em conta a umidade; Visualização efetiva requer secções retas arbitrárias.

21 Anomalia ciclônica de VPI (Hoskins - Thorpe )

22 VPI 0 no HN ( exceção, próximo ao equador em altos níveis ); VPI -> inferir toda a estrutura atmosférica; Estrutura atmosférica anomalia em separado; Em cada anomalia z x, x ; A velocidade do vento x; Pequenas perturbações de VPI -> vento de menor intensidade -> região mais rasa e vise-versa; A destruição da VPI está associado ao atrito e aos processos diabáticos (chuva). Considerações sobre a VPI

23 ARPS – Advanced Regional Prediction System O ARPS está sendo desenvolvido pelo Centro de Análise e Previsão de Tempestades (CAPS) da Universidade de Oklahoma-EUA; O ARPS é indicado para a simulação de fenômenos desde a microescala até fenômenos típicos da escala meso- e, como tempestades e tornados alé fenômenos da escala meso-, como frentes frias e vórtices; O ARPS possui pacotes de controle de qualidade e assimilação de dados em tempo real (ADAS), sistema 3DVAR e 4DVAR, ARPS Adjoint, sistema de correção de fase, sistema de recuperação da velocidade radial do vento e da termodinâmica de radares Doppler, além de pacotes de diagnóstico, verificação e pós-processamento; Versão paralela robusta e possui uma abrangente documentação no seu código fonte, além de guias e manuais. É livremente distribuído pelo CAPS/UO.

24 1.Equações: n-hidrostática e comp. compreensível (opção Boussinesq ); 2.Coordenadas: Generalizadas seguindo o terreno (espaço computacional); 3.Discretização no espaço - diferenças finitas de 2 a ordem (opção de 4 a - ordem, FCT de Zalesak para a advecção); 4.Projeções - Polar estereográfica, Lambert Conformal e Mercator; 5.Discretização temporal - dtbig : leapfrog de 2 a ordem com filtro Asselin, dtsml: forward-backward explícita de 1 a ordem e 2 a ordem centrada implícita na vertical; 6.Condição lateral - periódica, rígida, gradiente zero, radiativa, e nudging; 7.Condição do topo e de fundo - periódica, rígidas e gradiente zero; 8.Controle de ondas acústicas–Div. de amortecimento e mist. computacional; 9.Aninhamento – one way e two way – AGRI- Interfase de malha adaptável; ARPS - DescriçãoARPS - Descrição

25 11.Turbulência - fechamento de 1 a ordem, ordem 1.5 de ECT, opção isotrópica e anisotrópica; 12.Esquema de Grade: microfísica de chuva quente de Kessler, e de gelo de Lin-Tao; 13.Esquema de Subgrade: Kuo e Kain-Fritsch; 14.Fluxos de superfície: calor, umidade e momento baseado nas leis de arraste aerodinâmico e dependentes da estabilidade; 15.Modelo de solo: modelo difusivo de duas camadas; 16.Radiação: onda longa e curta, com interação entre nuvens, sobra de nuvens e gradientes de terreno; 17.Tipos de vegetação e rugosidade da superfície: 30x 30; 18.Modelo Numérico de Terreno – 30x 30 ; 19.Tipos de Solo - 2x 2 min; ARPS – Descrição (continuação)ARPS – Descrição (continuação)

26 Conjuntos de experimentos Simulação da Ciclogênese a leste dos Andes; Simulação da Re-intensificação do Ciclone em Superfície Sobre o Uruguai; Simulação dos Eventos de Precipitação Prolongada sobre ao Longo da Serra Geral e Serra do Mar; Simulações dos Três Eventos de Precipitação Forte.

27 Malhas dos Experimentos

28 Identificação dos Experimentos Para identificação dos experimentos serão usados nomes com seis campos conforme o modelo abaixo: 1_2_ 3_3_5 _ _6 1. Esquema da subgrade (u=Kuo f=Kain_Fritsch, s= sem); 2. Retro-alimentação da chuva da subgrade na grade; 3. Eficiência da precipitação da subgrade; 4. Liga ou desliga a corrente descendente da subgrade; 5. Metodologia de estimativa da chuva na grade (g=Lin- Tao, w=Kassler, o= saturação no ponto de grade; s=sem); 6. Resolução horizontal usada em km.

29 Tabela dos Experimentos 1.(*) grades usadas na simulação da intensificação do ciclone em superfície.

30 Conjuntos de Dados Vento, geopotencial, umidade, temperatura do ar, umidade do ar e temperatura e umidade do solo e pressão, correspondem aos 17 níveis de pressão e 2,5x2,5 da reanálises do NCEP; Dados diários de precipitação (ANA e CLIMERH); Imagens de satélite GOES, no IR e vapor dágua (IPMET/UNESP, CPTEC/INPE e NCDC/NOAA); Dados sinópticos de superfície e ar superior (IPMET/UNESP, NCDC/NOAA e CLIMERH/EPAGRI) Os dados horários de vento, chuva, temperatura do ar, UR, radiação, pressão, temperatura e umidade do solo, em Florianópolis-SC (CLIMERH/EPAGRI).

31 Metodologia de verificação dos resultados (Objetiva). Para as 382 estação nas classes: , 10-25, e 50 máximo observado serão calculados: Chuva média na área prevista observada ; Índice de sucesso S =P/O; O viés quantitativo V= PC/(P+O-PC); Erro quadrático médio. P= previsto, O=Observado e PC=P. Corretamente. Índice de correlação espacial.

32 Metodologia de verificação dos resultados (Subjetiva) Imagens de Satélite; Dados de Superfície; VPI derivada das reanálises do NCEP; Modelo conceitual de desenvolvimento de CE de Hinsberg e Fritsch; Análise de VPI;

33 Análise da Evolução do Ciclone Extratropical Capitulo - 4 Objetivos: Documentar e analisar os processos determinantes da trajetória seguida pelo VCAN, a partir da análise da sobreposição de anomalias da VPI e de simulações com o modelo numérico ARPS. Investigar a influência da presença da cordilheira dos Andes e da presença de um distúrbio de temperatura sobre o Uruguai, na formação e intensificação do centro de baixa pressão em superfície.

34 Resultados: Evolução do C.E. A evolução do CE pode ser dividida nas seguintes fases: 1- Fase de início do CE; 2- Fase de rápida intensificação, associada instabilidade baroclínica; 3- Fase de decaimento/intensificação, associado à passagem pela Cordilheira dos Andes, onde foi observada uma forte ciclogênese no norte da Argentina. 4- Fase madura; onde foram observadas uma re- intensificação do ciclone em superfície e a chuva forte já mencionada. 5- Fase de descaimento.

35 Fases da evolução do C.E

36 2- Fase de rápida intensificação, associada instabilidade baroclínica

37 3- Passagem nos Andes e forte ciclogênese a sotavento

38 4-Fase madura re-intensificação do ciclone em superfície no Uruguai

39 4-Distúrbio de temperatura em superfície

40 5 - Etapa de Desintensificação

41 Simulação da ciclogênese a leste dos Andes Ciclogênese foi modestamente simulada mais 18 horas de antecedência; As simulações com e sem os Andes não apresentaram diferenças significativas; A simulação foram altamente dependente das condições iniciais e de fronteiras; Antecedência maior talvez seria possível com o uso de técnica de inversão de VP de Davis (1991) para reconstruir uma fase coerente entre as anomalias ciclônicas da VPI em altos e baixos níveis.

42 Simulação da re-intensificação do ciclone no Uruguai

43 Conclusões Parciais A ciclogênese a sotavento -> a intensificação baroclínica de um VCAN no PS; Intensificação -> sobreposição favorável ¼ (entre anomalias ciclônicas da VPI, altos níveis e próxima a superfície); A origem da anomalia ciclônica próxima à superfície não foi determinada. Ligada ao gradiente de TSM existente a oeste dos Andes; Outras anomalias ciclônica -> amplificar outros sistema; A ciclogênese a sotavento -> sobreposição do ar aquecido do VCAN em altos níveis, com o ar quente existente sobre o Continente; Simulações numéricas -> umidade -> re-intensificação do CE sobre o Uruguai,

44 Conclusões Parciais (continua) A chuva -> desintensificou o centro de baixa pressão em superfície; A trajetória para nordeste seguida pelo VCAN foi pouco influenciada pela a chuva e atrito; A permanência do CE na região foi influenciada pela concentração / diluição da VPI; A chuva e o atrito destruíram a VPI ajudando a conduzir a tropopausa a sua posição normal; A predominância do aquecimento em altos níveis na formação da baixa em superfície verificada, concorda com o modelo de Hirschberg e Fritsch (1991).

45 Simulação do evento de chuva orográfica prolongada – Capitulo 5 Objetivos: Testar a eficiência de diferentes metodologias de estimativa da chuva na da grade e da subgrade e diferentes resoluções horizontais; Verificar como as metodologias de estimativa da chuva afetam a distribuição de VPI.

46 Análise da chuva acumulada em 24 horas observada no período de 22 a 30/12/1995. Análise de Chuva Observada

47 Média na área observada e prevista e correlação espacial na malha G1 f000g40 f000w40 u000o40u000w40

48 Índice de sucesso, viés qualitativo e EQM na Malha G1

49 Evolução da VPI nos experimentos na malha G1 f000g40

50 Média na área observada e prevista e correlação espacial na Malha G2

51 Índice de sucesso, viés qualitativo e EQM na Malha G2

52 Média na área observada e prevista e correlação espacial na Malha G2

53 Conclusões Parciais O uso esquema de KF apresentaram resultados mais favoráveis que os demais; O aumento de resolução permitiu maior detalhamento do evento de chuva orográfica, aumentando a intensidade dos máximos de chuva, bem como as áreas sem chuva. Este fatos foram mostrados nos índices de sucesso e viés quantitativo e não no índice de correlação espacial, talvez devido ao pequeno número de estações disponíveis. O esquema Kuo com a saturação no ponto de grade apresentou problemas de CISK de ponto de grade. Este foi completamente solucionado com o uso microfísica de Kassler. As duas microfísicas apresentaram resultados muito semelhantes. Como microfísica de Lin-Tao possui a mesma formulação a de Kassler mais a parte de gelo, conclui-se que a maior parte da precipitação simulada foi de natureza quente;

54 Conclusões Parciais (continua) A destruição da VPI (ou aquecimento) foi proporcional a quantidade de chuva simulada. O nível de destruição máximo foi em 340 K no esquema de KF e próximo a superfície com o esquema Kuo com a saturação no ponto de grade. No caso esquema Kuo com a microfísica de Kassler a destruição foi pequena. Com o uso da microfísica de gelo de Lin-Tao o modelo ARPS apresentou descontinuidades em relação a reanálises nas fronteiras norte e oeste, nos níveis mais altos. Com integrações maiores que cinco dias estas resultaram em chuva anômalas e contaminaram a integração. Com o esquema de KF evento de chuva orográfica foi adequadamente indicado; De um modo geral, a simulação adequada dos outros eventos de chuvas observados dependeram da condição inicial, como o caso da chuva forte no Litoral do Estado de RS, que apresentou problema de localização espacial.

55 Simulação dos três eventos de chuva forte - Capítulo - 6 Objetivos: Verificar a capacidade de previsão das circulações locais e da precipitação observada, nos três eventos de precipitação forte, com ênfase no uso das metodologias de estimativa da precipitação na escala da grade e da subgrade, com um modelo numérico de alta resolução horizontal.

56 Descrição do evento de chuva associada a brisa 01:09 UTC 02:09 UTC 03:39 UTC 04:09 UTC

57 Descrição dos três eventos de chuva forte Instabilidade condicional com sobreposição de um núcleo de ar frio e seco centro do VCAN sobre o ar quente e úmido na superfície, com subsidência na grande escala, principalmente no oeste e no centro do vórtice; Condições de fortes aquecimento durante o dia com perda radiativa a noite, com fortes gradientes térmicos favorecendo a circulação local; Formação de CBs individuais no interior do Continente; Formação bandas de nebulosidade típicas de instabilidade condicional simétrica no Litoral; Vento de quadrante leste transportando umidade do Oceano Atlântico para o Litoral; O Oceano Atlântico apresentava-se anomalamente quente nesta semana (até +2 C no Litoral do RS); Identificação de padrões típicos de brisa nos campos de theta_e e nos dados de superfície, durante a noite do dia 23/24/12/1995.

58 Resultados dos experimentos nas malhas G3 e G4 Os resultados dos experimentos s000g3 e s000g5 mostraram que a microfísica de gelo de Lin-Tao sozinha não foi nem um pouco apta a simular a precipitação observada sobre o Litoral de SC e RS. Bandas de nebulosidade ~ 40 a 80 km; Não há a inicialização da convecção as células iniciais menores que a grade usada; A presença de aerossol marinho pode ser importante neste tipo de simulação;

59 Resultados dos experimentos f000g5 e f000g3 SubgradeGradeTotal f000g3 f000g5

60 Simulação da célula de brisa – f000g3 Theta_e Água de chuva Vento

61 Testes de sensibilidade no KF

62 Evento de chuva em Fpolis - SC f0a0g3

63 Conclusões Parciais A circulações locais exerceram forte modulação nos padrões de chuva observados; Mesmo com alta resolução, o uso de esquema de KF foi essencial; Inicializou a formação da brisa terrestre e chuva sobre o litoral mais rapidamente se dispersou. A imposição da eficiência da precipitação controlou fortemente a sistema de brisa produzindo resultados mais coerentes com as observações;

64 Conclusões Finais Pré-existência de um ciclônica de VPI próxima a superfície a oeste dos Andes; Após sua formação a sua trajetória do VCAN/CE dependeu pouco dos processos próximos à superfície; A ciclogênese a sotavento -> aquecimento diurno; A re-intensificação do ciclone -> umidade; A precipitação e o atrito -> tropopausa a sua posição normal -> desintesificar ciclone em superfície; A predominância do aquecimento em altos níveis na formação do ciclone em superfície -> Hirshberg e Fritsch;

65 A umidade -> diminuição da estabilidade estática efetiva -> ajuste geostrófico mais efetivo. Com maior concentração da VPI em níveis médios -> maior aquecimento da coluna de ar, reduzindo a pressão em superfície; A chuva destrói a VPI -> menor aquecimento em níveis mais médios -> aumentando a pressão em superfície; A diminuição da estabilidade estática efetiva -> aumento de vorticidade em coordenadas isentrópicas; O sistema na região -> concentração / diluição VPI. Conclusões Finais (continua)

66 O evento de chuva orográfica prolongada -> a um forte jato de baixos níveis -> esteira transportadora úmida -> umidade do Oceano Atlântico para o Litoral da Região Sul; Os experimentos KF -> resultados mais favoráveis que os demais. KF -> máximo de aquecimento em 340 K Kuo + saturação no ponto de grade -> máx. de aquecimento níveis mais baixos (até 320 K). Kuo + microfísica de Kassler -> o aquecimento foi pequeno. O uso da microfísica de Lin-Tao -> descontinuidades nas fronteiras norte e leste. Conclusões Finais (continua)

67 A microfísica de gelo de Lin-Tao sozinha não foi apta a simular a precipitação forte observada sobre o Litoral. Com o KF, o modelo simulou a posição e a cronologia da chuva. A imposição de eficiência máxima no KF -> aumentou a chuva máxima, sem alterar os núcleos com menor. Neste caso, a célula de brisa simulada teve várias características semelhantes às observadas, contudo ela ocorreu três horas após as observações; A conservação da VPI útil à modelagem numérica de mesoescala, permitindo avaliar a consistência dos esquemas numéricos na fronteira e dos processos diabáticos associados aos esquemas de parametrização de grade e subgrade; Conclusões Finais (continua)

68 Trabalhos Futuros O uso da técnica da análise da VPI para outros fenômenos, com as frentes frias e os complexos convectivos de mesoescala; Do ponto de vista de simulações numéricas, evidencia-se a necessidade de estudos com a utilização de um arcabouço de dados mais completos. Neste sentido, a utilização de dados de radar meteorológico é uma ferramenta fundamental; Sugere-se a realização de estudos e de medidas micrometeorológicas, baseadas em aviões, nos eventos de chuva quente observado sobre o litoral brasileiro; Para o modelo ARPS, a implementação de uma metodologia de assimilação de dados da fronteira em coordenadas isentrópicas e a utilização de esquemas de microfísicas que incorporem o tipo de aerossol presente, bem como, estudos para aprimorar a microfísica quente. Por fim, sugere-se a realização de estudos das técnicas de subgrade em alta resolução horizontal.

69 Obrigado!


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