CHUVAS DE VERÃO E AS ENCHENTES NA GRANDE SÃO PAULO: EL NIÑO, BRISA MARÍTIMA E ILHA DE CALOR. Augusto José Pereira Filho

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1 CHUVAS DE VERÃO E AS ENCHENTES NA GRANDE SÃO PAULO: EL NIÑO, BRISA MARÍTIMA E ILHA DE CALOR Augusto José Pereira Filho Universidade de São Paulo, São Paulo USP / IAG / DCA Rua do Matão, 1226, São Paulo-SP, apereira@model.iag.usp.br Abstract Anomalous atmospheric circulation patterns developed under the influence of the El Niño in South America during February A large-scale high-pressure system anomaly over the State of São Paulo inhibited organized rainfall. Rainfall accumulations were above average along the coastline and below average elsewhere. Weather radar rainfall estimates indicate higher accumulation and higher probability of precipitation over the Metropolitan Area of São Paulo (MASP) between 1400 UTC and 2000 UTC. Satellite and surface data suggest that the local heat island effect and the sea breeze circulation play an important rule in producing heavy showers. Since the infiltration process has been greatly reduced in the MASP, these heavier showers result in higher risk of flash floods that tend to be more destructive. 1. INTRODUÇÃO O padrão de circulação de grande escala de fevereiro de 1998 indica um sistema de alta pressão em 200 hpa sobre a América do Sul (Fig. 1a) e um outro em 850 hpa sobre o oceano Atlântico (Fig. 1b). Neste período, houve um deslocamento para leste da Alta da Bolívia e um bloqueio de sistemas frontais por causa do evento de El Niño, caracterizado por anomalias positivas de temperatura da superfície do mar (TSM) do pacífico equatorial (Fig. 1c). Este padrão circulação na troposfera reduziu o total acumulado de precipitação no Estado de São Paulo, exceto na faixa litorânea. Nota-se uma anomalia de TSM de cerca de +2 o C ao longo da costa do Sudeste (Fig. 1c). Entretanto, houve várias episódios de enchente na Região Metropolitana de São Paulo durante aquele mês de fevereiro. Estes eventos estavam associados à chuvas convectivas no período da tarde. Chuvas convectivas são muito freqüentes no verão principalmente durante períodos de pouca atividade de grande escala (Silva Dias 1997; Pereira Filho 1991). Xavier et al. (1994) evidenciam alterações climáticas no regime de precipitação na Cidade de São Paulo principalmente os de origem convectiva. Há evidência do efeito da ilha de calor urbana (Lombardo 1984) e de mudanças rápidas na umidade do ar associadas à penetração da brisa marítima (De Oliveira e Silva Dias, 1982) associadas a eventos de intensa precipitação. Os eventos convectivos ocorridos no mês de fevereiro de 1998 representam uma boa oportunidade para se examinar os efeitos locais na ausência de forçantes tais como frentes frias, cavados e jatos em altos níveis. Eles foram monitorados pelo radar meteorológico de São Paulo - RMSP (Fig. 3). Neste trabalho, analisa-se a interação da brisa marítima com a ilha de calor na Região Metropolitana de São Paulo (MASP) e a produção de chuvas convectivas intensas por meio de um evento significativo ocorrido naquele período. Apresenta-se também uma discussão sobre o efeito não linear das chuvas mais intensas nas enchentes. 1391

2 A Figura 1: Padrões de circulação de grande escala em 200 hpa (A) e 850 hpa (B) e Anomalias de TSM. A intensidade das linhas de corrente e anomalias de TSM estão indicados por um código de cores. Fontes: NCEP/NOAA e Climanálise CPTEC/INPE. 2. METODOLOGIA Foram selecionados quatorze eventos convectivos ocorridos no mês de fevereiro de Utilizou-se os dados de chuva acumulada horária estimada com o RMSP com resolução espacial de 2 km x 2 km no período das 1500 UTC às 2000 UTC. O RMSP (Fig. 2) abrange o Leste do Estado de São Paulo. As medições de refletividade na troposfera são realizadas num raio de 240 km. Estes dados foram transformados em taxas de precipitação pela relação MP e interpolados num nível de altura constante de 3 km. Foram estimados a precipitação acumulada para todos os eventos. Estes totais foram normalizados pela precipitação acumulada média num raio de 150 km do RMSP. A média estimada foi de 79.5 mm. Calculou-se também a probabilidade de chuva acumulada igual ou superior a 5 mm incluindo-se todos os quatorze eventos. Fez-se um estudo de caso para o evento de 5 de fevereiro de Utilizou-se nesta análise dados da estação meteorológica automática do IAG, imagens de satélite e imagens do campo de das taxas de precipitação e do topo de nuvens do RMSP. Realizou-se também simulações hidrológicas para a bacia hidrográfica do IAG para condições de escoamento rural e urbano com o modelo TR-20 (Sales e Pereira Filho, 1999) para ilustrar o efeito da urbanização sobre o escoamento superficial. 1392

3 Figura 2: Área de abrangência do radar meteorológico de São Paulo. A altitude (m) do terreno esta indicada na barra de cores. O local de instalação do radar meteorológico de São Paulo esta indicado pela sigla PN. O contorno da cidade de São Paulo e fronteiras políticas estão indicadas pela linha preta, assim como a altitude e coordenadas do RMSP. 3. RESULTADOS Os campos de precipitação acumulada total normalizada e da probabilidade de precipitação acima de 5 mm estão mostrados na Fig. 3. Nota-se no campo de precipitação normalizada um núcleo de alta precipitação sobre a área da MASP. A imagem do canal infravermelho do satélite GOES-8 de 1600 UTC do dia 19 de março de 1999 mostra a ilha de calor na MASP (Fig. 4) num situação sem nuvens no Leste Paulista. Observa-se que as áreas da ilha de calor metropolitana e do núcleo de maior precipitação são virtualmente coincidentes. Hidelbrand e Ackerman (1984) determinaram que há um forte fluxo de calor, massa e momento em ambientes urbanos em situações de ventos fracos induzidos pela ilha de calor. Simulações numéricas realizadas por Baik e Chun (1997) mostram que a ilha de calor tendem a produzir correntes ascendentes mais intensas corrente abaixo do centro da ilha de calor. Estes resultados sugerem que a ilha de calor da MASP aumente os fluxos de calor e massa, porém o aumento na precipitação no período foi superior a quatro vezes a média espacial num raio de 150 km. Sugere-se que os efeitos dinâmicos e termodinâmicos da ilha de calor na convecção local sejam amplificados pela aumento da umidade proveniente da penetração da brisa marítima. O ar urbano relativamente seco e quente, quando misturado ao ar marítimo relativamente úmido e frio, aumenta a instabilidade convectiva. Além disso, apesar de rasa, a frente de brisa também promove levantamento e, portanto, incrementa a instabilidade do ar. Estes efeitos são ilustrados com o evento de enchente de 5 de fevereiro de 1998 na zona Oeste da Cidade de São Paulo. A Fig. 5 mostra a evolução temporal da temperatura do ar, temperatura de ponto de orvalho, direção do vento e precipitação acumulada medidas pela estação meteorológica automática do IAG, representativa da região de maior atividade convectiva naquele dia. 1393

4 A B Figura 3: Distribuição espacial da precipitação acumulada normalizada (a) e probabilidade de precipitação acima de 5 mm (B) entre 1500 UTC e 2000 UTC dos quatorze eventos convectivos de fevereiro de Valores de acumulação e probabilidade indicados pela barra de cores vertical. As fronteiras políticas estão indicadas em amarelo. Figura 4: Imagem do canal infravermelho do satélite GOES-8 às 1600 UTC em 19 de Março de Tons mais escuros indicam temperaturas mais altas e tons mais claros temperaturas mais baixas. Destaca-se no mapa a ilha de calor da Região Metropolitana de São Paulo. Imagem obtida pelo Laboratório de Meteorologia Aplicada a Sistemas de Tempo e Estudos Regionais - MASTER, IAGUSP. 1394

5 Observa-se na Fig. 5 que a direção do vento oscilou de Norte a Oeste até às 17:00 HL, quando mudou gradualmente para Sudeste. A direção do vento oscilou muito até às 22:00 HL, durante o período de chuva. Nota-se também que a direção do vento retorna para Noroeste após as 22:00 HL. A mudança de direção do vento às 17:00 HL causou um aumenta da temperatura de ponto de orvalho de 19.6 o C às 16:30 HL para 23.1 o C às 17:30 HL. Esta variação da direção do vento e da umidade estava associada a penetração da brisa marítima, que também causou um queda de temperatura de 33.7 o C para 30.4 o C em 1.5 hora. A frente de brisa coincidiu com o mínimo de pressão atmosférica de hpa ocorrido às 16:30 HL (não mostrado na Fig. 5). A pressão subiu até hpa às 19:00 HL. A chuva acumulada foi de 35.2 mm em 5 horas, com máximas taxas de precipitação em torno de 19:00 HL. Neste evento, houve um intervalo de cerca de 1,5 horas entre a penetração da frente de brisa e o início da chuva. Figura 5: Evolução temporal da direção do vento (verde), da temperatura do ar (vermelho), da temperatura do ponto de orvalho (rosa) e chuva acumulada (azul) no dia 5 de fevereiro de 1998 medidas com a estação meteorológica automática do IAG a cada 30 minutos. As imagens de satélite visível e infravermelho do satélite GOES-8 mostram várias áreas de chuva no Oeste e Sul de São Paulo às 17:09 HL. A imagem do canal visível apresenta tons mais claros do lado Oeste das tempestades e estes evidenciam a profundidade destes sistemas. Observa-se uma área de maior nebulosidade sobre a MASP com topos ainda menos frios do que os das área de chuva a Oeste e Sul do Estado de São Paulo. As imagens do RMSP das taxas de precipitação e do topo de nuvens às 19:54 HL (Fig. 7) mostram um área de maior de maior precipitação na região Oeste da Cidade de São Paulo com taxas superiores a 100 mm h -1 e topo da célula convectiva em torno de 14 km de altitude. Observa-se ainda outras células convectivas profundas a Oeste, no Vale do Paraíba e na divisa com o Estado do Rio de Janeiro. A célula sobre São Paulo causou enchentes e um número elevado de descargas elétricas intensas. 1395

6 Figura 6: Imagens dos canais visível e infravermelho do satélite GOES-8 obtidas pelo Laboratório de Meteorologia Aplicada a Sistemas de Tempo e Estudos Regionais - MASTER, IAGUSP. Detalhes indicados na imagem e Fig. 4. A B Figura 7: Imagens do radar meteorológico de São Paulo para a taxa de precipitação (a) e para o topo de nuvens com taxas de precipitação maior o igual a 5 mm h -1 (b) às 2254 UTC do dia 5 de fevereiro de Intensidades e altitudes indicadas na barra de cores. Estão indicados os contornos geográficos do Estado de São Paulo e Cidade de São Paulo. Linha saindo do radar indica direção de deslocamento das áreas de chuva. 1396

7 4. CONCLUSÕES A redução da chuva acumulada principalmente no Sudoeste do Estado de São Paulo no mês de fevereiro de 1998 foi em parte causada pelo El Niño mais intenso do século. Porém, houve uma aumento das ocorrências de enchentes na MASP devido a convecção local. Estes eventos produziram acumulações superiores a 40% da média na área do RMSP no período da tarde. Os resultados sugerem que os efeitos de ilha de calor e da brisa marítima desempenham papel importante no desenvolvimento de células convectivas muito intensas na MASP, conforme as análises do evento de 5 de fevereiro de Assim, as circulações horizontais e verticais mais intensas devidas à ilha de calor, combinadas à umidade marítima durante a tarde, podem explicar os altos índices de chuva. A Fig. 8 ilustra o efeito da urbanização na vazão de pico e no tempo de concentração de uma bacia hidrográfica pequena. A urbanização aumenta os picos de vazão e reduz o tempo de concentração da bacia. Deste modo, o processo de urbanização desordenado tendem aumentar as ocorrências de enchentes e aumentar os picos de vazão. Há, portanto, um risco crescente de inundações na MASP. A interação entre ilha de calor e brisa marítima indica a existência de um mecanismo de retroalimentação da mancha urbana nas enchentes, ou seja, as chuvas de verão tendem a ser mais intensas por causa da ilha de calor urbana e da brisa marítima, e com isso, as enchentes, agravadas pela diminuição da infiltração, tendem a ser mais destrutivas. Por causa do desequilíbrio energético local gerado pela ilha de calor, o sistema tende a reduzir o aquecimento induzido por meio do aumento de precipitação sobre a mancha urbana. Figura 8: Simulações de vazão com o modelo TR-20 (Sales e Pereira, 1999) para a bacia do Parque do Estado e Fontes do Ipiranga, IAGUSP. Utilizou-se um dos eventos de fevereiro de A evolução temporal da vazão descrita pela curva azul indica condições atuais caracterizadas pela presença de mata Atlântica preservada. A curva rosa de refere a condições urbanas típicas para a Cidade de São Paulo. 1397

8 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Baik, J-J. and H-Y. Chun, 1997: A dynamical model for urban heat islands. Bound.-Layer Meteor., 83, De Oliveira, A. P. e P. L. Silva Dias, 1982: Aspectos observacionais da brisa marítima na cidade de São Paulo. 2 o Congresso Brasileiro de Meteorologia, Pelotas, RS, Vol. II, Eltahir, E. A. B. and J. S. Paul, 1996: Relationship between surface conditions and subsequent rainfall in convective storms. J. Geophys. Res., 101, Gandú, A. W. - Análise estatística de ecos de radar associados a sistemas de precipitação na região leste do Estado de São Paulo. Dissertação de mestrado apresentada ao IAGUSP, São Paulo, p. Hidebrand, P. H. and B. Ackerman, 1984: Urban effects on the convective boundary layer. J. of Atmos. Sci., 41, Huff, F. A. and S. A. Changnon Jr., 1973: Precipitation modification by urban areas. Bull. Am. Meteor. Soc., 54, Lombardo, M. A., 1984: A ilha de calor na Região Metropolitana de São Paulo. Tese de doutorado. Departamento de Geografia, Universidade de São Paulo. Pereira Filho, A. J., Braga Junior, B. P. F., Barros M. T. L. & Carrera, C V. M. - Previsão de inundações: radar meteorológico resolve? In: SIMP. BRAS. de RECURSOS HÍDRICOS, IX, Rio de Janeiro, RJ., Anais. Rio de Janeiro, v. 3, pp Sales, F. H. and A. J. Pereira Filho, 1999 : Impacto do Deslocamento de linhas de instabilidade nas vazões de bacias rurais e urbanas. In. XIII Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos Belo Horironte. Silva Dias, M. A. F. - Storms in Brazil. Hazards and Disasters, Chpt. 43, Rutledge Press. Xavier, T. M. B. S., A. F. S. Xavier e M. A. F. da Silva Dias, 1994: Evolução da precipitação diária num ambiente urbano: o caso da Cidade de São Paulo. Rev. Bras. de Meteor., 9: AGRADECIMENTOS Ao Departamento de Águas e Energia Elétrica (DAEE) pelo dados de radar meteorológico. Ao Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos (CPTEC), Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) e núcleos estaduais pelas figuras da revista Climanálise de março de Ao Dr. Ricardo de Camargo do Departamento de Ciências Atmosférica do IAGUSP pelo fornecimento dos dados da estação meteorológica automática. Ao Laboratório de Meteorologia Aplicada a Sistemas de Tempo e Estudos Regionais (MASTER) do IAGUSP pelas imagens de satélite GOES