Capítulo 6 Precipitação

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1 Capítulo 6 Precipitação

2 Precipitação Colisão: Coalescência, Agregação e Acreção Rompimento/Quebra Equilibro Neves Granizo/Graupel Convectivo/Estratiforme Processos de modificação da DSD Chuva Continental x Marítima Distribuições no Brasil

3 1. Distribuição de tamanho de gotas - DSD A precipitação poder ter sido iniciada através do processo de coleta seguida de coalescência, acreção ou agregação ou pela simples formação de cristais de gelo. A medida que os hidrometeoros atingem tamanhos precipitáveis, eles crescem a partir da coleta de gotículas de nuvem (coalescência/acreção), cristais de gelo (agregação) ou uma combinação entre elas.

4 ? Refletividade ~ N(D)D 6 Velocidade Vertical Número total de gotas

5 Dessa maneira, dependendo do processo dominante teremos gotas de chuva, flocos de neve ou mesmo granizo como hidrometeoros precipitantes. Por exemplo, a coalescência é predominante em nuvens quentes com altos valores de LWC Em tempestades de neve, que são nuvens frias, temos o predomínio da agregação. Já em nuvens mistas, podemos ter os 3 processos. Que tipo de nuvens?

6 No globo, temos que grande parte do volume precipitante é na forma de chuva e ela pode ser caracterizada pela Taxa de Precipitação (R) em mm/h ou mm/dia.

7 A taxa de precipitação por sua vez pode ser descrita em função da DSD que expressa a distribuição do número de gotas por volume por intervalo de classe de diâmetro N(D). m N ( D ) N D exp D, 0 n ar b

8 A taxa de precipitação por sua vez pode ser descrita em função da DSD que expressa a distribuição do número de gotas por volume por intervalo de classe de diâmetro N(D). m N ( D ) N D exp D, 0 n ar b

9 A taxa de precipitação por sua vez pode ser descrita em função da DSD que expressa a distribuição do número de gotas por volume por intervalo de classe de diâmetro N(D). m N ( D ) N D exp D, 0 n ar b

10 De uma forma geral, independente da região de observação, a concentração de gotas diminui com o aumento do tamanho da gota (diâmetro).

11 Para caracterizar a DSD utilizamos sensores que contam o número de gotas (disdrômetros) em uma área de 50 cm 2 a partir da vibração causada pelo impacto (JOSS) ou mesmo pelo espalhamento da luz ou sombra (Parsivel e ou Thiess).

12 As 1 o medidas de DSD foram feitas em Otawa (Canadá) durante o verão Canadense pelos pesquisadores Marshall e Palmer (1948). Neste estudo, eles parametrizaram as precipitações observadas naquela região e descobriram que elas podiam ser descritas por uma função do tipo exponencial. N ( D ) N 0 exp D Onde N(D) representa a concentração de gotas por m 3, N 0 o coeficiente linear (0,08 cm -4 ) e o coeficiente angular ( = 41R -0,21 ) que depende de R (taxa de precipitação em mm/h)

13 Por outro lado, podemos lembrar que a taxa de precipitação pode ser expressa como: R 6 0 N ( D ) D 3 V T ( D ) W dd Onde V T (D) representa velocidade terminal de queda dos hidrometeoros e W a velocidade vertical. Na superfície W = 0.

14 N 0 N ( D ) N 0 exp D

15 Além disso, temos também a distribuição Gama N(D) = N 0 D e -D Forma Escala Ou a distribuição gama generalizada: Deirmenjian, D.: Electromagnetic scattering on spherical polidispersions. Elsevier, New York (1969) N ( D ) N 0 D e D

16 Os modelos de distribuição de tamanho de gotas de chuva (RDSD) mais aplicados são: Exponential: N(D)=N 0 exp(-3.67d/d 0 ) ou N 0 exp(-d) Marshall-Palmer (1948), Laws-Parsons (1943), Best (1950) Log-Normal: Feingold and Levin (1986) Gamma: N(D)=N 0 D exp[-(3.67+)d/d 0 ] Deirmendjian (1969), Willis (1984), Ulbrich (1983) Z mm 6 / m 3 0 N ( D ) D 6 dd LWC 3 g / m L 6 0 N ( D ) D 3 dd

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18 2. Rompimento das gotas A ruptura das gotas de chuva implica no aparecimento de DSD exponenciais, uma vez que a quebra é dependente do tamanho. A medida que a gota cresce, aumenta a chance de rompimento/quebras. Este efeito decorre da circulação aerodinâmica induzida na gota de chuva após esta atingir diâmetros maiores que 3 mm.

19 Basicamente a tensão superficial da gota () não é suficiente para segurar as moléculas de água. Portanto, a medida que os diâmetros são maiores, as gotas se tornam instáveis e se quebram a parte.

20 O processo de rompimento depende da colisão das partículas, do tamanho, da velocidade relativa e do ponto de impacto, pois isso pode levar à coalescência ou ao rebatimenteo ou mesmo rompimento das gotas. Consequentemente, estes processos podem levar ao aparecimento de certas modas.

21 Refletividade ~ N(D)D 6 Velocidade Vertical Número total de gotas

22 Processos de rompimento

23 Rompimento do filamento é causado por colisões inclinadas que possibilitam a criação de novas gotas a partir da desintegração do filamento.

24 Rompinento da folha: Após a colisão, a gota maior desaparece pois a medida que ela gira em torno do ponto de impacto, ela cria várias gotas menores

25 Disco: ocorre quando o impacto acontece no meio da gota coletora, que gera uma uma coalescência temporária seguida de rompimento de várias gotículas pequenas

26 3. Equilíbrio Após um certo intervalo de tempo, em geral associado ao volume de chuva, a DSD atinge um equilíbrio e a forma da DSD se estabiliza e não muda muito a sua forma. Em outras palavras, os processos de colisão seguido de coalescência e ou quebra se equilibram e a DSD tem a uma forma exponencial.

27 LWC CTE para cada DSD Antes e depois do equilíbrio R 1 > R 2 > R 3 Neste processo de equilíbrio, gotas grandes consomem as pequenas, e depois de um tempo elas se rompem a parte. Logo a concentração de gotas pequenas aumenta e a concentração das gotas maiores diminui levando a formação de uma DSD exponencial.

28 4. DSD de flocos de neve Flocos de neve representam o maior volume de precipitação sólida. Como estes cristais de gelo tem formas irregulares de agregados fica difícil fazer uma medida de seu tamanho. Portanto, as medidas da concentração de flocos de neve é feita a partir da massa ou diâmetro de um gota formada a partir do derretimento do floco de neve.

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30 5. Granizo e graupel Granizo esta associado ao processo de acreção, ou seja, coleta de gotículas de água super-resfriada pelos cristais de gelo (formados por sublimação ou congelamento)

31 Velocidade Terminal (m/s) CENTÍMETRO

32 CHUVA cm Ajuste exponencial Granizo cm

33 6. Classificações: Chuva Estratiforme e Convectiva Estratiforme generalizada e uniforme; precipitação contínua associada à ascenção de movimentos de larga escala produzidos por sistemas frontais, topografia ou mesmo convergência horizontal de grande escala. Nimbostratus e Cumulus em dissipação. Agregação e difusão de vapor. Baixo LWC

34 Convectiva Localizada, pancadas de chuva, precipitação associada a convecção de cumulus em atmosfera instável. Cg, Cb Coalescência e Acreção LWC alto.

35 Outra visão para a Classificação Convectiva e Estratiforme De acordo com a definição padrão (Houze, 1993), a classificação depende de medidas simultâneas de velocidade vertical e velocidade terminal dos hidrometeoros. No entanto chuva convectiva esta relacionada com convecção ativa nova, já estratiforme é convecção velha, menos ativa, estratificada e com banda brilhante no radar

36 De acordo com a definição padrão (Houze, 1993), a classificação depende de medidas simultâneas de velocidade vertical e velocidade terminal dos hidrometeoros. No entanto, a chuva convectiva esta relacionada com convecção ativa nova. A estratiforme é convecção velha, menos ativa, estratificada e com banda brilhante no radar Houze, R.A., 1997: Stratiform Precipitation in Regions of Convection: A Meteorological Paradox?. Bull. Amer. Meteor. Soc., 78, ,

37 Outra visão para a Classificação Convectiva e Estratiforme N ( D ) N 0 exp D Waldvolgel (1974) propôs um método baseado na variação do N 0 (parâmetro linear/interceptador) a partir de um ajuste da função exponencial (N(D) = N0 exp (-D). Valores baixos de N 0 estavam associados ao aparecimento da banda brilhante (neve derretendo)(bb), logo precipitação estratiforme. Variações repentinas de N 0 estavam associados ao desaparecimento da BB, logo precipitação convectiva, ou mesmo pequenas alterações de N 0 também.

38 Para Tokay e Short (1996) a classificação de convectivo e estratiforme varia em função de, No e R quando do ajuste de uma função gama Cv Cv St St

39 R [ m m / h r ] Classificação Convectiva e Estratiforme 100 S t r a t i f o r m Z = R ^ C o n v e c t i v e Z = R ^ T R M M Z - R Zcv < Zst 10 Z mm 6 / m 3 0 N ( D ) D 6 dd R mm / h 6 0 N ( D ) D 3 V t ( D ) dd R e f l e c t i v i t y [ d B Z ]

40 R [ m m / h r ] Classificação Convectiva e Estratiforme 100 S t r a t i f o r m Z = R ^ C o n v e c t i v e Z = R ^ T R M M Z - R 10 Zcv < Zst Em nuvens Maritimas Convectiva : Mais Coalescencia Chuva D 0 < D 0e R(Z) Menor Menor evaporação D 0 menor R(Z) Menor Em nuvem estratiforme : Agregação de gelo D 0 maior R(Z) maior Maior evaporação D 0 maior R(Z) maior R e f l e c t i v i t y [ d B Z ] Do é diâmetro com 50% de LWC

41 7. Processos que modificam o desenvolvimento das distribuição de tamanho de gotas de chuva RDSD Rain DSD

42 A modificação da DSD somente pelo processo de colisão/coalescência implica em: diminuição da concentração de gotas pequenas aumento da gotas grandes Coalescencia Isto implica que: D0 deve aumentar Número total de gotas NT deve diminuir. Do

43 A modificação da DSD somente pelo processo de ruptura implica em: aumento do número de gotas pequenas diminuição das gotas grandes. Rompimento Portanto, deve haver decréscimo de D0 aumento da NT. Logo, N0 deve aumentar. Do

44 Combinação entre Colisão/Coalescência e Quebra A quebra é mais importante para tamanhos maiores, enquanto que colisão/coalescência é mais importante para gotas menores.

45 Acreção A acreção de gotas de nuvem pelas gotas de chuva age no sentido de aumentar o tamanho de todas as partículas sem aumentar o número delas NT não deve mudar. Entretanto deve existir um desvio da distribuição para tamanhos maiores, logo: aumento de D0 Como NT é constante, N0 deve aumentar. Do

46 Evaporação A evaporação reduz em maior grau o número de gotículas pequenas do que as grandes. Consequentemente NT diminui. Também temos uma alteração na DSD implicando: aumento de e D0 Logo diminuição de N0 Do

47 Corrente Ascendente A presença da corrente ascendente é o de eliminar as partículas pequenas da DSD nos níveis mais baixos. Logo este efeito é similar ao da evaporação.

48 Corrente Descendente Com a corrente descendente, temos um aumento do fluxo de pequenas partículas. diminuição de implica em aumento de Nesta linha temos Aumento de NT Diminuição de D0 Do

49 Seleção de tamanho Separação por tamanho: DSD fica mais estreita aumento substancial de. NT deve diminuir. D0 pode aumentar ou diminuir e depende da parte da precipitação que estamos observando. Do

50 8. Nuvens Marítimas e Continentais

51 Impacto da DSD de nuvem na evolução da RDSD DSD Nuvens Maritimas Coalescência/gotas de nuvem garoa Coalescência/garoa gotas de chuva Mais coalescência gotas grandes Quebra/ruptura e DSD de equilíbrio Se aproxima de D0e por baixo Do DSD Nuvens continentais Acreção de gotas de nuvem graupel granizo gotas grandes quebra DSD de equilíbrio Se aproxima de D0e por cima Do

52 N [ m m m -3 \ m m h r -1 ] F l o r id a C o n t F l o r id a M a r L B A C o n t L B A M a r I n d i a C o n t In d ia M a r K w a j M a r D [ m m ] Medidas de Disdrometro durante diversas campanhas do TRMM Rosenfeld and Tokay, 2002

53 Maceió-Alagoas Tenório, R.S., M. Cristina da Silva Moraes, and H. Sauvageot, 2012: Raindrop Size Distribution and Radar Parameters in Coastal Tropical Rain Systems of Northeastern Brazil. J. Appl. Meteor. Climatol., 51, ,

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55 Amazônia x Austrália Regime de vento de Leste Oeste Continente Marítimo Tokay A, Kruger A, Krajewski WF, Kucera PA. Measurements of drop size distribution in the southwestern Amazon basin. Journal of Geophysical Research: Atmospheres Oct 27;107(D20).

56 9. Distribuições no Brasil

57 DSD Caracteristicas no Brasil Morales et al., 2013 (AMS-Radar) Concentração N(D)

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63 DSD Caracteristicas Conteúdo de Água Liquida LWC

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