ANÁLISE DAS CONDIÇÕES METEOROLÓGICAS DE SUPERFÍCIE ANTECEDENTES À PRECIPITAÇÃO DE ORIGEM CONVECTIVA NA CIDADE DE SÃO PAULO

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1 ANÁLISE DAS CONDIÇÕES METEOROLÓGICAS DE SUPERFÍCIE ANTECEDENTES À PRECIPITAÇÃO DE ORIGEM CONVECTIVA NA CIDADE DE SÃO PAULO Alessandro Santos Borges Augusto José Pereira Filho Universidade de São Paulo USP/IAG/DCA Rua do Matão, 1226, São Paulo, SP, Abstract Surface measurements of meteorological variables within the City of São Paulo during the summers of 1997/1998, 1998/1999 and 1999/2000 were used to characterized surface conditions before and after the inflow of the local sea breeze. Results indicate that the dew point temperature has a significant correlation with the amount and the timing of precipitation. The dew point temperature can also be used to nowcasting convective activity with a lead time of about 30 minutes. 1- INTRODUÇÃO As pancadas de chuva localizadas são muito freqüentes no verão durante períodos de baixa atividade sinótica (Silva Dias, 1997; Pereira Filho, 1991). Estudo recente de Xavier et al. (1994) evidenciam alterações climáticas no regime de precipitação na cidade de São Paulo principalmente os de origem convectiva. Dados do radar meteorológico de São Paulo do verão de 1998 mostram um núcleo de maior precipitação sobre a Grande São Paulo para episódios de convecção (Pereira Filho, 1999). Neste estudo, há fortes indícios de mudanças rápidas na umidade do ar associadas à penetração da brisa marítima (Oliveira e Silva Dias, 1982; Carrera e Silva Dias, 1990). O movimento de ar ascendente pode estar associado com forçantes atmosféricas de larga escala, como sistemas frontais ou com instabilidade local na distribuição vertical de temperatura e umidade atmosféricas (Eltahir e Paul, 1996). Neste último caso, caracterizam-se as chuvas convectivas, as quais ocorrem geralmente durante os períodos de verão. Estudos da circulação local, mostram que penetrações de brisa marítima em São Paulo ocorrem às 1700 UTC, na maioria das vezes. Oliveira e Silva Dias (1982) desenvolveram um estudo climatológico que visava detectar as características básicas dos sistemas de circulação térmica que atua com bastante freqüência na região da Cidade de São Paulo, situada cerca de 60 Km do Oceano Atlântico, à 800 m acima do nível do mar e separada deste pela Serra do Mar (Figura 1). A circulação térmica associada à brisa marítima modifica o padrão de ventos, da umidade e da temperatura em mesoescala. Figura 1: Mapa topográfico 3D da bacia do Alto Tietê, Leste do Estado de São Paulo. A localização da estação meteorológica esta indicada pelo sinal de "+". A linha azul à direita indica o Rio Tietê e à esquerda o Rio Pinheiros. Represas e lagos não estão mostrados. 1399

2 Temperatura e umidade na superfície são importantes nos processos termodinâmicos destes sistemas associados às instabilidades locais. Tais condições superficiais podem ser adequadamente especificadas pela temperatura do ponto de orvalho, pois esta caracteriza ambas a temperatura e a umidade na superfície (Eltahir e Paul, 1996). Neste estudo, a temperatura do ponto de orvalho foi uma das variáveis mais representativas. Observa-se um aumento da temperatura do ponto de orvalho antes da ocorrência da precipitação durante os eventos de chuva convectiva na cidade de São Paulo. Desta forma, esta pesquisa visa analisar as condições de superfície que antecedem chuvas convectivas na cidade de São Paulo no período de verão de 1997/1998, 1998/1999 e 1999/2000 com os dados medidos na estação meteorológica automática da Cidade Universitária (Figura 1), e avaliar o efeito da penetração da brisa marítima na evolução temporal das variáveis meteorológicas. 2- MATERIAL E MÉTODOS A caracterização dos episódios de chuva convectiva foi feita a partir dos dados de superfície de temperatura, temperatura do ponto de orvalho, pressão, vento e precipitação acumulada medidos na estação meteorológica automática da Cidade Universitária, com registros a cada 30 minutos. Para eventos mais específicos foram utilizados dados do satélite GOES-8, os quais permitiram caracterizar melhor os eventos em estudo e avaliar melhor os dados obtidos para a região representada pela estação meteorológica. Também foram estimadas outras variáveis atmosféricas, tais como a pressão de vapor, pressão de vapor de saturação, temperatura potencial, temperatura potencial equivalente, razão de mistura, razão de mistura de saturação, pressão do nível de condensação por levantamento (Betts, 1999) e índice de refração modificado a partir dos dados. Caracterizaram-se os aspectos climatológicos do período em estudo, observando o comportamento das variáveis ao longo do tempo. Inicialmente, utilizou-se os dados dos meses de verão para obtenção de médias mensais da temperatura do ponto de orvalho e precipitação acumulada. Em seguida realizou-se um estudo da evolução diurna média destas variáveis meteorológicas, utilizando-se todos os dados disponíveis para o período. A etapa seguinte consistiu em avaliar e agrupar ordenadamente os eventos que se caracterizaram como sendo de chuva convectiva decorrentes da penetração de brisa marítima e aqueles que apresentaram evolução dos dados de superfície semelhantes aos de eventos de chuva convectiva mas não choveu na estação meteorológica. Foram escolhidos aqueles que apresentaram forte e rápida variação de T d decorrentes da penetração da brisa marítima, a qual foi identificada pela mudança na direção e intensidade do vento. 3- RESULTADOS E DISCUSSÃO A média mensal da temperatura de ponto de orvalho é maior nos meses de verão. Este resultado, consistente com a equação de Clausius-Clapeyron, é devido ao maior de entranhamento de vapor d'água causado pelo aumento de temperatura ou energia cinética molecular dos constituintes gasosos do ar. Desta forma, maiores acumulações de chuva também ocorrem neste período, sendo o verão de 1997/1998 foi o de maior acumulação. A temperatura do ponto de orvalho média ao longo do período decresce a partir das 2200 UTC até 1600 UTC (Figura 2a) do dia seguinte, com ligeiro aumento logo após o amanhecer devido à evaporação do orvalho sobre a superfície. A partir das 1600 UTC ocorre um aumento considerável de T d às 2000 UTC, em geral associado à penetração de brisa marítima na cidade de São Paulo. O início dessa elevação coincide com o valor máximo de temperatura do ar registrado durante o dia (Figura 2b). 1400

3 A B C D Figura 2: Evolução temporal da temperatura do ponto de orvalho média (a), temperatura do ar média (b), vento zonal (azul) e meridional (vermelho) médios (c), e precipitação média acumulada em 30 minutos (d), para todo período estudado para todo período estudado. A precipitação média acumulada em 30 minutos é maior a partir de 1530 UTC (12:30 HL), atingindo máximo às 2000 UTC (17:00 HL) e decrescendo à noite (Figura 2d). Observa-se que a maior média de chuva ocorre cerca de uma hora depois da máxima temperatura do ponto de orvalho durante o dia. Por meio da evolução temporal do vento zonal e meridional, observa-se que a brisa marítima penetra preferencialmente entre 1500 UTC e 1600 UTC (Figura 2a), onde há um aumento da temperatura do ponto de orvalho (Figura 2c) e correspondente aumento das precipitações (Figura 2d). Identificaram-se os casos em que ocorreram chuvas convectiva decorrentes da penetração de brisa marítima em São Paulo. Foram registrados os valores de T d antes da penetração da brisa, e o T d final atingido devido à entrada da brisa, assim como o tempo de duração desta transição. O horário considerado para cada evento foi o da ocorrência do maior valor de T d atingido devido à brisa. Nos casos de ocorrência de chuva convectiva, foram registrados o horário da ocorrência de maior pico da precipitação acumulada e sua duração. No total foram 55 casos de ocorrência de chuva convectiva, 19 casos em que a chuva coincidiu com a fase de elevação da T d e 120 casos em que não ocorreram registros de precipitação. Porém estes 120 casos correspondem somente à não ocorrência de chuva sobre a estação meteorológica, há casos em que não houve registros de precipitação sobre a estação meteorológica mas que não descartam a possibilidade de ocorrência de chuva sobre outras regiões da cidade. Para estes três diferentes eventos, obteve-se o valor médio de T d inicial, T d final, horário de ocorrência, precipitação acumulada, duração e horário de pico da chuva, o qual é apresentado na Tabela 1. Os valores de T d inicial e T d final correspondem respectivamente ao valor de T d antes da penetração da brisa, e o T d atingido devido a sua entrada. 1401

4 Estes resultados sugerem que o horário de penetração da brisa marítima pode determinar a intensidade da chuva convectiva. A penetração da brisa anterior ao horário de máxima temperatura, pode aumentar a nebulosidade e, portanto, reduzir a radiação solar incidente na superfície, diminuindo o nível de instabilidade convectiva. Por outro lado, caso ela penetre muito mais tarde, pode haver um redução da instabilidade convectiva devido a perda radiativa de onda longa e redução da energia solar incidente. T d inicial T d final Horário Precipitação Duração da Horário do pico acumulada chuva de precipitação Chuva convectiva 17,7 21,5 16,2 8,9 2,2 17,3 Chuva e T d coincidentes 18,7 21,5 15,6 4,5 1,5 15,7 Sem registros de precipitação 14,5 19,0 15, Tabela 1: Valores médios de T d ( o C) inicial e final, do horário de penetração da brisa (HL), da chuva acumulada (mm), da duração (h) e do horário de pico (HL) da precipitação para três situações indicadas na coluna da esquerda. Realizou-se um estudo de padrões das variáveis de interesse para os eventos de chuva convectiva sobre São Paulo, utilizando histogramas (Figuras 3, 4 e 5). Pela distribuição de temperatura do ponto de orvalho na condição inicial da entrada da brisa, observa-se que as maiores ocorrências estão para T d na faixa dos 17 aos 19 o C, sendo 31% para T d de 18 o C e 18% para ambos T d de 17 e 19 o C. Por meio da distribuição de temperatura do ponto de orvalho na condição após a penetração da brisa marítima, constata-se que há uma faixa preferencial para valores elevados de T d, na ordem de 20 à 22 o C. T d à 21 o C ocorre em 29% dos casos, enquanto que para temperaturas de 20 e 22 o C a proporção é de 22% e 24% respectivamente. Ocorreram eventos de chuva convectiva em que o T d final ficou acima dessa faixa, no entanto eles não aparecem tão representativos dado que tais eventos são mais difíceis de ocorrerem. Para valores abaixo desta faixa a probabilidade de ocorrer chuva convectiva é muito pequena, cerca de 9% se levando em conta todos os casos com T d abaixo de 20 o C. A B Figura 3: Distribuição de freqüência da temperatura do ponto de orvalho (T d ) em o C, para a condição em que se dá início à penetração da brisa marítima (a) e após a penetração da brisa marítima (b). Há um valor limite de T d após a penetração da brisa marítima que conduz a um evento de chuva convectiva, em torno de 20 o C. Em geral o máximo ocorre às 1900 UTC (30,9% dos casos), podendo ocorrer antes às 1800 UTC (18,2% dos casos) e 2000 UTC (16,4% dos casos). Todos os eventos de verão, indicam que há uma probabilidade de 57,0% de ocorrência de valores de T d na faixa dos 17 aos 20 o C, sendo que T d de 19 o C é o mais provável de ocorrer (18,5%). A duração da transição de T d na 1402

5 condição inicial para a final é de cerca de 30 minutos (43,6% dos casos), no entanto foram observadas transições mais longas de uma hora (34,5% dos casos) e duas horas (20,0 % dos casos). Figura 4: Freqüência dos horários de precipitação acumulada em 30 minutos. Em geral, os picos de chuva acumulada em 30 minutos variam de 0,5 mm a 2,0 mm (32,7% dos casos), porém há diversas ocorrências acima desta faixa o que perfazem os 67,3% dos casos restantes. As chuvas ocorrem em geral às 2000 UTC (21,8% dos casos), o que corresponde à uma hora após a ocorrência do T d máximo durante o processo de transição. As ocorrências de chuva em outros horários também foram marcantes, como às 1900 UTC horas (16,4% dos casos) e às 2100 UTC (14,5% dos casos). Figura 5: Probabilidade de ocorrência de chuva para cada hora do dia. 1403

6 Figura 6: Precipitação média acumulada em 30 minutos associada a cada T d. Pontos indicam a valor médio e as barras verticais o desvio padrão. Figura 7: Probabilidade de ocorrência de chuva para um dado valor de temperatura do ponto de orvalho. As chuvas na cidade de São Paulo ocorrem mais no decorrer da tarde durante os períodos de verão. Há uma probabilidade de 34,2% para a ocorrência de precipitação durante as 1600 e 2100 UTC. Após este horário a possibilidade de chuva ainda é representativa, mas decaí com o decorrer da noite. Ainda durante o verão, a probabilidade de chuva para um dado valor de T d aumenta quase que linearmente em função de T d, onde o coeficiente de correlação observado entre P(R/ T d ) e T d é de 0,84 (Figura 7), e os eventos de chuva mais intensos estão associados a altos índices de T d (Figura 6), de acordo com a equação de Clausius-Clapeyron. 1404

7 4- CONCLUSÕES A previsão de chuva convectiva a curtíssimo prazo na cidade de São Paulo no período de verão pode ser melhorada a partir do monitoramento da temperatura do ponto de orvalho. A probabilidade de ocorrência de um evento de chuva aumenta quase que linearmente em função desta variável. O valor crítico de T d nos eventos de chuva convectiva é da ordem de 20 o C e corrobora com os resultados de Eltahir e Paul (1996). Durante o verão, este limite é excedido por meio do aporte de umidade da brisa marítima a qual geralmente ocorre durante o período da tarde preferencialmente as 17:00 HL. A chuva convectiva é bastante sensível às variações das condições próximas da superfície, em especial quanto à temperatura e umidade. A temperatura do ponto de orvalho demonstra ser suficientemente eficaz na caracterização dessas variáveis meteorológicas. Portanto, este estudo possui diversas aplicações, que vão além do desenvolvimento de modelos de precipitação para propósito de simulação, sendo útil para avaliar a variação de regimes de chuva para com as mudanças ocorridas na superfície. 5- AGRADECIMENTOS Ao Dr. Ricardo de Camargo pela sua generosidade em nos fornecer os dados da estação meteorológica. Ao Instituto Astronômico e Geofísico pelo suporte financeiro do primeiro autor para o desenvolvimento desta pesquisa 6- REFERÊNCIAS Betts, A.K., and J. H. Ball, 1999: LBA Boundary Layer Processes over Rondônia. WETAMC/LBA/TRMM Workshop, CPTEC/INPE, Cachoeira Paulista SP. Carrera, C. V. M. e Silva Dias, P. L.; 1990: Estudo da entrada da brisa marítima no estado de São Paulo; In: CONGR.BRAS. de METEOROLOGIA, 6 o, v.1, p Eltahir, E. A. B. and J. S. Paul, 1996: Relationship between surface conditions and subsequent rainfall in convective storms. J. Geophys. Res.,101, Oliveira, A. P. e Silva Dias, P. L.; 1982: Aspectos Observacionais da brisa marítima em São Paulo; In: CONGR. BRAS. de METEOROLOGIA, 2 o, Pelotas, 1982, v.1, p Pereira Filho, 1999: Radar measurements of tropical summer convection: urban feedback on flash floods. 29 th Conf. on Radar Meteor AMS, Montreal, Canadá. Pereira Filho, A. J., Braga Júnior, B. P. F., Barros M. T. L. e 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, p 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: