IDENTIFICAÇÃO, RASTREAMENTO E PREVISÃO DE TEMPESTADES SEVERAS PARTE I: EVENTO DE GRANIZO. Ana Maria Gomes 1* e Gerhard Held 1

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1 IDENTIFICAÇÃO, RASTREAMENTO E PREVISÃO DE TEMPESTADES SEVERAS PARTE I: EVENTO DE GRANIZO Ana Maria Gomes 1* e Gerhard Held 1 RESUMO: No presente estudo a potencialidade do sistema TITAN, desenvolvido pelo NCAR, é demonstrada como ferramenta operacional para a identificação, rastreamento e previsão do deslocamento das tempestades detectadas no raio de alcance de 240 km de cada um dos radares do IPMet. A implementação e utilização do TITAN em tempo-real será um fator determinante no monitoramento e alerta de tempestades potencialmente severas, uma vez que até então só estavam disponíveis em ambos os radares de Bauru e Presidente Prudente, apenas tarefas de alerta combinando informações de Topo dos Ecos e VIL (conteúdo de água líquida na vertical). Para a análise foi selecionado um evento que produziu granizo, causando severos danos em superfície. Os primeiros resultados mostrando a destreza do TITAN na identificação, rastreamento e previsão de deslocamento das células de tempestade são encorajadores e certamente trará uma melhoria significativa nas emissões de alerta pelo Setor Operacional do IPMet. ABSTRACT: This study examines the application of NCAR s TITAN software, specially adapted for IPMet s requirements, as an operational tool to identify, track and nowcast the severity of storms in the central area of the State of São Paulo. The implementation and real-time use of TITAN will improve the current warning task implemented at IPMet, which only makes use of the automatically calculated VIL and Echo Tops, derived for storms within the 240 km range of the Bauru and Presidente Prudente radars. For this study, one event of confirmed severe hail damage at the surface was selected. The performance of TITAN for tracking and predicting the displacement of this event has been evaluated, showing very encouraging results and certainly leading to an improvement in the warnings to be issued by the Operational Sector of IPMet. Palavras-Chave: Nowcasting, Tempestades Severas, TITAN INTRODUÇÃO Até bem recentemente, as condições existentes para a realização do nowcasting no Instituto de Pesquisas Meteorológicas (IPMet) eram um tanto limitadas, pois não existia nenhum procedimento objetivo e automático para a detecção das tempestades severas e sua conseqüente evolução e deslocamento. No entanto, através de uma cooperação com o National Center for Atmospheric Research (NCAR), foi disponibilizado um sistema de software especializado para o tratamento e aplicações das informações de radares meteorológicos, denominado TITAN (Thunderstorm Identification, Tracking, Analysis and Nowcasting; Dixon and Wiener, 1993). A implementação deste software foi realizada com a assistência do NCAR na adequação das várias rotinas computacionais necessárias para o acesso ao formato dos dados que são gerados pelos radares Doppler operados pelo IPMet (Kokitsu, 2005) e os resultados apresentados fazem parte do processo de validação de sua aplicação aos eventos significativos que ocorrem no Estado de São Paulo, dentro dos objetivos propostos do Projeto SIHESP (Sistema Hidrometeorológico do Estado de São Paulo).

2 A motivação para tal estudo é verificar o potencial das novas ferramentas disponíveis pelo TITAN e transferir a aplicação dos resultados para o ambiente operacional objetivando minimizar os impactos sobre a vida e a propriedade. O evento severo ocorrido em 17 de outubro de 1999 (Gomes et al., 2000; Held et al., 2001), foi selecionado para análise com o sistema TITAN para identificação, rastreamento e previsão de seu deslocamento. METODOLOGIA E DADOS O radar Doppler utilizado está localizado em Bauru (Lat: S, Lon: W, 624 m amsl; Figura 1). Suas características principais são: abertura de feixe de 2 e raio de 450 km de alcance em modo vigilância e 240 km em modo de varredura volumétrica contendo 11 elevações (0.3 a 35 ), com resolução de 1 km na radial e 1 em azimute, resolução temporal de 15 minutos ou menos, registrando e armazenando refletividades, velocidades radiais e largura espectral. Figura 1. Rede de radares Doppler do IPMet (BRU = Bauru; PPR = Presidente Prudente), mostrando os anéis de 240 e 450 km. Para a análise o sistema TITAN em sua versão ARCHIVE foi utilizado, sendo que as propriedades do rastreamento formam a base para o estudo. A célula do TITAN é definida pelo limiar de 40 dbz para a refletividade e um limiar de 50 km 3 para o volume, observados em pelo menos duas varreduras (15 minutos). Para todas as tempestades que excederam ao critério adotado, foram determinados parâmetros tais como: altura dos ecos, volume, área, intensidade máxima e média, VIL, velocidade e direção de deslocamento bem como a previsão desse deslocamento para tempos de 15 a 60 minutos. Parâmetros Indicadores de Severidade em Tempestades Além do rastreamento e previsão do deslocamento das células de tempestade, o TITAN possui algoritmos instalados que permitem a identificação de assinaturas presentes em tempestades potencialmente severas. Os parâmetros aplicados à análise realizada aqui são os baseados nas métricas de granizo como a probabilidade de granizo (POH), cuja parametrização é baseada na

3 combinação de dados de radar e informação da distribuição da temperatura na atmosfera, proposta por Waldvogel et al. (1979) para tempestades severas da Europa. Em resumo, o granizo está presente sempre e quando as refletividades de 45 dbz são observadas 1.4 km ou mais, acima do nível de congelamento. Essa probabilidade aumenta à medida que essas refletividades excedem ao limiar de 45 dbz acima do nível de congelamento. Um outro parâmetro também relacionado à incidência de granizo, modificado de Abshaev, denominado índice FOKR cujos detalhes dos algoritmos estão em Foote et al. (2005), aplicados à tempestades de granizo na Argentina, também é considerado para a análise além do índice SSS (Storm Structure Severity), proposto e desenvolvido por Visser (2001), para as tempestades do Plateau Sul-africano. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS Caracterização Geral das Tempestades O evento do dia 17 de outubro de 1999 desenvolveu e evoluiu num ambiente sob a influência de um sistema frontal que atingiu o Estado de São Paulo nesse dia, produzindo a linha de instabilidade observada com características comparáveis às linhas de tempestades multicelulares (Gomes et al., 2000), isto é, com várias células intensas distribuídas à frente seguida de uma extensa área de precipitação estratiforme, conforme ilustrado pela Figura 2a. (a) (b) Figura 2: Campo de refletividade composto dos radares de Presidente Prudente e Bauru, raio de alcance de 240 km de ambos, para o evento de 17/10/1999, às 11:22 HL (a) (M = Marilia, O = Ourinhos) e 12:07 HL (b), respectivamente. As elipses indicam as áreas em excesso de 40 dbz identificadas e rastreadas pelo TITAN. As elipses amarelas indicam a história passada da tempestade, a azul indica o presente e a elipse em vermelho é a previsão do deslocamento para 60 minutos. Evento de Granizo: 17 de outubro de 1999 Através da Figura 2b observa-se que da linha de precipitação destacam-se as células mais intensas, aqui denominadas por A e B, localizadas a 15 e 55 km ao sul e sudoeste de Marília, às 12:07 HL, com suas respectivas trajetórias e previsão de deslocamento antecedendo 60 minutos, para as áreas com limiares de refletividades acima de 40 dbz. A célula A, que produziu a tempestade de granizo, exibiu durante sua trajetória para nordeste uma velocidade média entre 60 a

4 65 km.h -1, refletividades em excesso de 60 dbz, atingindo máximos entre 70 e 72 dbz e topos dos ecos (10 dbz) entre 13 e 17 km de altura, evidenciando o intenso desenvolvimento vertical associado. Cortes verticais na direção do seu deslocamento confirmam a existência de updrafts inclinados, um mecanismo que dá sustentação e manutenção às altas refletividades observadas durante o tempo de vida da tempestade A, com o granizo precipitando à frente e para fora da tempestade. A mesma atingiu a área de Tibiriçá, distrito de Bauru, por volta das 13:00 HL, produzindo severos danos pelo granizo (Gomes et al., 2000) e ventos que atingiram a região. A evolução temporal para as propriedades da tempestade A, e para os parâmetros indicadores de severidade, pode ser vista nas Figuras 3a e 3b, contendo as observações para os 30 minutos anteriores e os 30 minutos posteriores à queda de granizo observada no distrito de Tibiriçá, período de 12:30 às 13:30 HL. O sistema TITAN identifica as várias tempestades existentes na área de alcance dos radares e, a partir daí, é possível se extrair uma informação detalhada, em tempo real, de todos os parâmetros indicadores do potencial de severidade relativo a uma tempestade em particular, como é o caso mostrado aqui para a tempestade que produziu o granizo. A evolução temporal para as variações de: volume, área, massa, fluxo de precipitação e VIL é mostrada através da Figura 3a, e os índices indicativos da existência de granizo, tais como VIHM (métrica de granizo a partir de VIL máximo), probabilidade de granizo (POH) e o índice FOKR (Foote et al., 2005) são mostrados na Figura 3b. É importante destacar que nos 30 minutos que antecedem ao início do granizo no solo, observa-se a ocorrência dos maiores valores de VIL e a partir daí nota-se uma brusca diminuição nesses valores, geralmente podendo ser associado a ventos destrutivos e/ou granizo (Held et al., 2006). 12:30 (a) 13:30 12:30 (b) 13:30 Figura 3: Seção temporal dos parâmetros indicadores obtidos pelo TITAN para a célula que produziu o granizo observado em Tibiriçá, em 17/10/99. (a) propriedades da tempestade (VIL, Área, Massa, Volume); (b) severidade (POH, FOKR). Em relação aos parâmetros mostrados na Figura 3b, o que dá probabilidade de granizo no solo (POH), apresenta valores próximos e até atingindo 100%, a partir das 12:37 HL até 12:59 HL. O índice FOKR atinge a categoria 4, numa classificação que vai de 0 a 4, a partir das 12:30 HL,

5 persistindo nesse valor até a observação das 13:15 HL, quando se nota um ligeiro decréscimo nos valores, sendo que os mesmos oscilam entre os níveis 3 e 4 durante o contínuo deslocamento da tempestade para nordeste. De acordo com a classificação proposta por Abshaev (Foote et al., 2005), as categorias 0 e 1 são consideradas como tempestades sem granizo, enquanto que as categorias 3 e 4 são produtoras de granizo, sendo que a categoria 4 pode produzir de 5 a 6 vezes mais danos no solo do que a de categoria 3. O parâmetro SSS (detalhes em parte II; Gomes e Held, 2006) também exibe uma estrutura de Volume e Topo Severo, valores de índice 8 e 9, indicando a existência de intensos updrafts necessários para a sustentação e desenvolvimento do granizo observado mais tarde em superfície. Verificação do Rastreamento e Previsão de Deslocamento das Células de Tempestade O sistema TITAN possui um módulo estatístico que permite uma análise detalhada sobre o desempenho do rastreamento e a previsão de deslocamento a partir da seleção dos diferentes parâmetros que definem uma célula de tempestade, levando em conta as diferentes escalas de tempo que podem variar de 15 a 60 minutos. Figura 4: Índices de avaliação de desempenho das previsões de deslocamento das células de tempestade observadas pelo radar Doppler de Bauru no dia 17/10/1999. Os resultados podem ser verificados usando os índices de avaliação de desempenho, tais como o CSI (índice crítico de sucesso), por exemplo. O índice CSI varia de 0 a 1, sendo desejável uma performance com valores próximos de 1, pois esse índice é definido como uma função da probabilidade de detecção (POD) e da taxa de falso alarme (FAR). Os resultados da verificação para o evento de 17/10/1999 são sumarizados na Figura 4, para os tempos de previsão de 15, 30, 45 e 60 minutos. Os valores para a probabilidade de detecção e deslocamento das células de tempestade excedendo o limiar de refletividade de 40 dbz e tempo de vida maior que 15 minutos, são em torno

6 de 70 a 74 %, sendo que as taxas de falso alarme em torno de 46 a 56%. Os índices CSI variam de 38 a 55%, respectivamente, para tempos de previsão de 60 a 15 minutos. Considerando o período de 30 minutos para a emissão de alerta de ocorrência de uma tempestade severa, a destreza das previsões representada pelo CSI fica em torno de 45%, sendo que a capacidade de identificação e rastreamento pelo sistema, de acordo com os limiares adotados, excede a 70%. CONCLUSÕES Uma nova ferramenta especialmente desenvolvida para aplicação direta no nowcasting e implementada recentemente nos computadores do IPMet, foi utilizada para análise e avaliação de um evento severo ocorrido na região central do Estado de São Paulo. Os resultados das análises preliminares demonstraram o excelente potencial para a identificação de severidade e, portanto, a sua aplicação direta para a emissão de alertas na área de alcance dos dois radares Doppler do IPMet aos usuários como, por exemplo, Defesa Civil, Setor Elétrico, etc; e ao público em geral. AGRADECIMENTOS HAG França pela assistência na recuperação dos dados e J. M. Kokitsu pela implementação das rotinas do TITAN para análise. Aos Drs J. Wilson e M. Dixon, do NCAR, por abrir caminhos para que o TITAN se tornasse realidade nos computadores do IPMet/UNESP e à FAPESP pelo suporte financeiro no Projeto 05/ e Projeto SIHESP 01/ REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS DIXON, M. and WIENER, G., 1993: TITAN: Thunderstorm Identification, Tracking, Analysis and Nowcasting - A radar-based methodology. J. Atmos. Ocean. Technol., 10, FOOTE, G.B., KRAUSS, T.W. and MAKITOV, V., 2005: Hail metrics using conventional radar. Proceedings, 16 th Conference on Planned and Inadvertent Weather Modification, January 2005, AMS, Boston. In: (23/08/2006). GOMES, A.M., HELD, G., LIMA, M.A. e CALHEIROS, R.V., 2000: Estudo da evolução de tempestades severas na área central do Estado de São Paulo por radar Doppler. Anais XI Congresso Brasileiro de Meteorologia (CD ROM), SBMET, Rio de Janeiro, no. MR00006, pp GOMES, A.M. e HELD, G., 2006: Identificação, rastreamento e previsão de tempestades severas. Parte II: Evento de ventos intensos. Anais do XVI Congresso Brasileiro de Meteorologia, SBMET, Novembro de 2006, Florianópolis, SC. HELD, G., GOMES, A.M. and NACHTIGALL, L.F., 2001: Severe Storm Signatures Observed by Doppler Radar in the State of São Paulo, Brazil: From Synoptic Scale to Microburst. Preprints, 30 th International Conference on Radar Meteorology, AMS, Munich, Germany, July 2001, HELD, G., GOMES, A.M., NACCARATO, K.P., PINTO Jr., O. and NASCIMENTO, E., 2006: The Structure of Three Tornado-Generating Storms Based on Doppler Radar and Lightning Observations in the State of São Paulo, Brazil. Proceedings, 8 th International Conference on Southern Hemisphere Meteorology and Oceanography, Foz do Iguaçu, April 2006, KOKITSU, J.M., 2005: Transferência de Tecnologias para Aplicação direta ao Monitoramento e Nowcasting Usando os Radares Meteorológicos Doppler do IPMet-UNESP. Relatório Técnico (Bolsa de Participação em Curso ou Estagio Técnico no Exterior, Período: 01/09/2005 a 01/10/2005), FAPESP Processo No. 05/ , 55pp.

7 VISSER, P.J.M., 2001: The Storm-Structure-Severity method for the identification of convective storm characteristics with conventional weather radar. Meteorological Applications, 8, WALDVOGEL, A., FEDERER, B. and GRIMM, P., 1979: Criteria for the Detection of Hail Cells, Journal of Applied Meteorology, 18,