AULA 4 Disciplina INSTRUMENTOS METEOROLÓGICOS E MÉTODOS DE OBSERVAÇÃO AULA 4 Disciplina INSTRUMENTOS METEOROLÓGICOS E MÉTODOS DE OBSERVAÇÃO ACA 221 Graduação Departamento de Ciências Atmosféricas / Iag / USP Responsável: Prof. Humberto Ribeiro da Rocha Material apresentado exclusivamente aos alunos da disciplina, com conteúdo referenciado da literatura e disponível na www – NÃO CIRCULAR Precipitação

PLUVIOMETRIA Latin: Pluvia=chuva, mede a quantidade de precipitação. (pluviosidade = aspecto qualitativa da precipitação) Precipitação: produtos de condensação da água, líquidos ou sólidos, que caem das nuvens na superfície, o que inclui a chuva, neve e granizo. Quantidade de precipitação : medida com os pluviômetros, expressas como uma altura de água sobre 1 m2 de área Unidades: é um fluxo de massa (kg de água por unidade de área = kg m-2) ou a altura vertical de água equivalente (expressa em mm ou outra unidade de comprimento) 1 mm de água = 1 kg m-2 , ou altura de 1 mm de água em 1 m2 de área horizontal (similar à altura da lâmina d’água preenchendo a área de 1 m2 sem nenhuma perda em qualquer direção) 1 cm de precipitação = 10 mm de precipitação 1 polegada de precipitação = 2,54 cm = 25, 4 mm de precipitação

neve: altura de neve recem-caída sobre 1 m2 conversão em mm de água (5 a 20% neve fresca, 30 a 60% neve velha) Obs: não se estima orvalho (condensação do ar úmido por contato com superfície fria) por meio de pluviômetro, embora seja possível que o orvalho contribua com a água coletada no pluviômetro. • Duração: intervalo de tempo do início até o fim do evento de precipitação, em horas, minutos. recomenda-se expressar a resolução da quantidade de precipitação: Chuva horária ou diária : de 0,1 ou 0,2 mm Chuva decendial, mensal ou anual: de 1 mm • Intensidade da precipitação: razão da quantidade de precipitação sobre a duração do evento da chuva em mm/h, mm/min

São Luiz do Paraitinga,SP Chuva diária São Luiz do Paraitinga,SP (mm dia-1) (mmd-1) Chuva horária (mm h-1) 30/01 a 03/02/2008 Chuva mensal (climatológica e de um ano especifico)

Histórico 3000 AC Babilônia (caldeus) observações chuva,nuvens, ventos 400 AC registros na Índia (avaliar impostos) cc 1690 pluviômetro c/ funil Robert Hooke (Inglaterra) Invenção da báscula (Cristopher Wren e Robert Hooke (Inglaterra)

United States Weather Bureau Cilindro 50 cm altura Pluviômetro padrão do United States Weather Bureau Cilindro 50 cm altura com funil diâmetro 20 cm Coleta de água tubo com 1/10 da área de captação (p/ amplificar a coleta) Capacidade: 50 mm de precipitação 50 cm 20 cm

Tipos de pluviômetros (A,B) coleta de volume manual (C) medida de massa: inclui neve e granizo (D) acústico: pressão da gota sobre uma superfície (E) Báscula automática

Modelo Hellmann Modelo Ville de Paris Pluviômetros convencionais: coleta manual do volume com medida em proveta graduada Modelo Hellmann Diâmetro do bocal: 159,6 mm Capacidade : até 200 mm. Modelo Ville de Paris Diâmetro do bocal: 225,7 mm Capacidade : até 200 mm

Pluviógrafo (com registro em papel) Tambor de rotação com papel Pena ligada na bóia Cilindro de coleta de água bóia sobe com a água, pena registra tambor de rotação com papel Tubo sifão esvazia o cilindro cheio para o coletor inferior pena volta ao zero Coletor inferior

Pluviômetro de báscula (tipping bucket rain gauge) Componentes Funil, corpo e base Mecanismo de báscula dual automático: saída p/ registro de pulso elétrico Eliminação da água

Pluviômetro de báscula Intervalo : 0 a 50º C (há pluviômetro com aquecedor, para neve) Acurácia: +1% sob intensidade 2 mm / hora Sensibilidade: (1 báscula) 0.1 mm a 0.5 mm Fontes de erros pode subestimar chuva intensa - báscula continua a encher ainda durante o esvaziamento chuva de baixa intensidade - evaporação no funil Efeito do vento : re-evaporação, erro de ~5% com vento > 5 m/s total acumulado : entupimento (folhas, detritos ...) Caso de subestimativa da chuva intesa: chuva medida em função do valor de referência

Critérios de instalação do pluviômetro (extensivo para estação automática) 1. escolha preferencialmente uma área aberta, longe de obstáculos (edificações, árvores) a) montar em um mastro, com o topo do pluviômetro acima do poste e com 1,5 m de altura b) fixe o mastro dentro do cercado meteorológico (distante ~3 m da cerca) c) nivele horizontalmente o topo do pluviômetro 2. se na área houver algum obstáculo (caso muito comum), a distância dos obstáculos (d) de altura h será - recomendada de segurança : d > 10 h e d > 150 m - mínima restritiva : d > 2 h 3. se única opção for topo edificação (altura H), a altura de instalação A > 1,5 H, se diagonal da area do topo edificação W < H A > 1,5 W 1, 5 m

Problemas comuns e erros nos pluviômetros convencionais Aderência, evaporação e molhamento Aderência das gotas, de forma residual após o esvaziamento do corpo, ou após uma chuva leve com pequenas gotas presas à parede, levam a erros Por evaporação: 0 a 4% Por molhamento interno: 2 a 15% Turbulência Desvia trajetória das gotas para fora do funil, ou por respingamento para fora principalmente de gotas grandes no topo do funil, levam a erros Deformação do vento: 2 a 10% Respingamento: 1 a 2% Acumulação de orvalho Orvalho acumulado pode ser medido por um data logger. Se for insuficiente para ser registrado, geralmente é evaporado durante o dia. Entupimento Erros aleatórios por queda de folhas, passaros e insetos (ninhos, excrementos); soluções alternativas em casos agudos. Solução: manutenção frequente e registro das ocorrências para remoção de informações erradas; aparatos anti-pouso de pásaros Erro aleatório: geralmente invalida a informação, irrecuperável

Erros decorrentes da instalação: 1. Nivelamento horizontal incorreto 2 Erros decorrentes da instalação: 1. Nivelamento horizontal incorreto 2. Evitar obstáculos próximos e lugares nas colinas soluções : cumprir limites de distâncias e alturas mínimas instalar quebraventos instalar dispositivos anti-pouso de passaros

Sensor de precipitação acústico: transdutor piezoelétrico transforma efeito da energia cinética e a medida da pressão (impacto das gotas) em sinais elétricos (ddp) proporcional ao impacto e volume das gotas – portanto estima-se a massa. vento chuva pressão Temperatura, umidade Piezoeletricidade: geração de cargas elétricas na superfície de um material, ao se aplicar uma tensão mecânica de deformação (ou v.v.). Materiais piezoelétricos: cristal de quartzo, cerâmicas de compostos de titânio, bário e zircônio. Estação meteorológica automática de conceito mais moderno, com anemômetro sônico pluviômetro acústico (Raincap) Termistor Humicap

• Montagem de um pluviômetro simples Estima-se o raio r do bocal (ou funil), por exemplo em cm Mede-se o volume V, por exemplo em ml, convertido em cm3 (1 ml = 1 cm3) Calcula-se a altura h em cm, converte-se para mm de precipitação (1 cm = 10 mm)

Exercício prático : construa e utilize um pluviômetro amador em 4 passos  visa familiarizar-se com a medida da precipitação, o estímulo criativo e a percepção da informação.  1. Material e montagem: 2 a 4 garrafas PET de volume acima de 1,5 L preferencialmente; caneta de ponta porosa, régua, tesoura ou faca, e um material para fixação (arame, cordão, etc). Há pelo menos 2 tipos sugeridos: 1º tipo) Corte a garrafa de modo que um pedaço torne-se o funil, e o outro um cilindro. Coloque o funil com a tampa para baixo dentro do cilindro, fixe-os com clipes ou fita. A água será removida entornando-se o pluviometro. 2º tipo) Corte uma garrafa próximo ao fundo, de modo que o pedaço maior seja o cilindro, e corte outra garrafa para obter um pequeno funil. Coloque o funil dentro do cilindro, e fixe-os com clipes ou fita. Este tipo convêm se amarrado à uma haste vertical, grade de ferro do portão, no topo do muro etc. Permitirá remover a água abrindo-se a tampa de baixo. Escolha um dos tipos, conforme a melhor possibilidade de instalação, e monte pelo menos 2 pluviômetros.

2. Calibração Marque uma escala vertical de unidades no cilindro com régua e caneta, por ex. com traço a cada 1 cm, e numerais a cada 2 ou 4 cm. Estabeleça uma relação de conversão da leitura da escala (em cm) para o volume coletado (ml): encha o cilindro com água nos níveis de 1,2,3,4 cm .... e assim até o máximo da escala; para cada nível, separadamente, estime o volume coletado (com um medidor de volume, por exemplo de cozinha se não houver nada melhor). Plote em um grafico cartesiano os pares Volume V (y, em ml) vs Nível N (x, em cm) e ajuste uma reta aos pontos estabelecendo uma função V = a . N, (onde a = coeficiente constante estimado pelo ajuste da reta). Esta equação permitirá que o volume V não precise ser estimado todas as vezes em que se faça a leitura, e a água seja assim descartada após a leitura. Meça o diâmetro do funil de captação com uma régua ( e assim o raio r), e estabeleça a equação de conversão da altura de precipitação h (em mm) em função de V e de r. 3. Instalação Fixe os 2 pluviômetros próximos, cerca de 2 m. Tente seguir as recomendações de instalação da OMM, e não sendo possível atende-las rigorosamente, instale em local o mais adequado possível. Por exemplo deixe no chão, escorado por tijolos ou vaso de jardim de menor altura (1º tipo), ou fixo por cordão, arame, etc, no alto de um muro, grade, ou preferencialmente em uma haste vertical em lugar aberto (2º tipo). Dê um nome à estação de observação (por ex. Estação Zé/Butantan). 4. Operação Crie um formulário de dados (eletrônica ou papel) com 4 colunas: dia, hora, N1(cm), N2 (cm), sendo N1 e N2 a medida do nível dos pluviômetros 1 e 2, respectivamente. Escolha uma hora do dia, preferencialmente entre 5h e 8h, e faça a leitura sempre nesta hora todos os dias. Se puder faça a cada 12h ou intervalo menor, mas certifique-se fazer SEMPRE todos os dias no horário estabelecido. Remova a água após o registro das leituras. Em uma planilha eletrônica com as 4 colunas iniciais, adicione outras 2 com o cálculo de h1(mm) e h2 (mm), sendo h1 e h2 a chuva acumulada nos pluviometros 1 e 2, respectivamente, no intervalo de tempo estipulado, por ex um dia. No final da tabela, escreva seu nome completo como observador técnico, e deixe um espaço para anotações gerais de ocorrências. Se em algum dia não for feita a medida, ou for notado alguma ocorrência de erro (por ex. vazamento, entupimento, danos), registre um valor de erro, por exemplo -99, e descreva a ocorrência.