SISTEMA CONVECTIVO LINEAR DE MESOESCALA OCORRIDO SOBRE O ESTADO DE SÃO PAULO NO DIA 5 DE MAIO DE PARTE 2: ANÁLISE NO REFERENCIAL MÓVEL

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1 SISTEMA CONVECTIVO LINEAR DE MESOESCALA OCORRIDO SOBRE O ESTADO DE SÃO PAULO NO DIA 5 DE MAIO DE PARTE 2: ANÁLISE NO REFERENCIAL MÓVEL Anatoli Starostin Universidade Federal de Pelotas, Faculdade de Meteorologia Av. Ildefonso Simões Lopes, 2751, Pelotas RS, Brasil, anatoli@cpmet.ufpel.tche.br Ana Maria Gomes Universidade Estadual Paulista, Instituto de Pesquisas Meteorológicas Rua Agenor Meira, 17-68, Bauru SP, Brasil, ana@ Roseli Gueths Gomes Universidade Federal de Pelotas, Faculdade de Meteorologia Av. Ildefonso Simões Lopes, 2751, Pelotas RS, Brasil, rggomes@cpmet.ufpel.tche.br ABSTRACT The evolution of a Mesoscale Convective System (MCS) which occurred over the central part of the State of São Paulo on 05 May 1993, as described in Part 1 of this paper, is being analyzed by using a relative coordinate system with a passive translation velocity (VTP) vector. The evolution of the MCS during a six-hour period occurred with an average speed of 66 km.h -1 towards 340. The evolution velocity vector can be represented by its two components, along-line with a velocity of 60 km.h -1 and a cross-line component (coincident with the MCS movement within the fixed frame) with a velocity of 27 km.h -1. The MCS consisted of three convective lines, which evolved in the orthogonal direction to the passive translation velocity vector with evolution velocities of 27 km.h -1, 30 km.h -1 and 55 km.h -1, respectively. A discrete echo radar distribution has been found in the area where convective precipitation development took place, with a tendency to be concentrated in parallel lines 25 km far from each other. This indicates that the evolution of the convective areas within the MCS is not continuous. As a result of the history of development, the stratiform region represents a memory of the past evolution of the convective line. The shape of the stratiform region will depend on the relationship between the velocity along the line and the cross-line velocity. If the along-line velocity is greater than the cross-line velocity, it will result the development of a symmetric-type line, otherwise a triangular-shape of the stratiform region will be observed, which corresponds to the asymmetric type. INTRODUÇÃO Neste trabalho é apresentada a continuação da análise da evolução do Sistema Convectivo de Mesoescala (SCM) linear que passou no dia 5 de maio de 1993 sobre o Estado de São Paulo, iniciada na parte 1 (Starostin et. al., 2000), doravante Parte 1. Na parte 1 foram mostrados os resultados da análise geral da evolução e da estrutura do SCM. Neste parte do estudo, apresenta-se a análise do mesmo SCM no sistema referencial móvel com uma velocidade de translação passiva e, também, são mostradas algumas vantagens desta análise. Neste trabalho, utiliza-se o horário local. METODOLOGIA Os dados utilizados para o presente estudo foram as imagens digitalizadas de refletividade (dbz) observadas pelo radar Doppler banda-s de Bauru (Lat: S, Lon: W), coletadas através de varreduras volumétricas realizadas em intervalos de 15 minutos ou menos e elevações da antena de 0.3 a 34.9 graus. Neste estudo foram utilizadas as informações geradas pelo PPI (Indicador de Posição no Plano) de 1.7 graus de elevação, com resolução de 1 km X 1 grau em azimute e alcance máximo de 240 km a partir do radar de Bauru. 1996

2 De maneira geral, o deslocamento de Sistemas Convectivos de Mesoescala e de seus fragmentos acontece por duas causas: a) translação passiva com uma velocidade que coincide, aproximadamente, com a velocidade do vento na troposfera média e b) deslocamento devido à sua própria evolução. Fazendo uma análise tradicional da evolução do SCM é muito complicado separar estes dois tipos de movimento. Por isso, para analisar a estrutura e a evolução deste SCM, utilizamos uma metodologia desenvolvida por Starostin et.al (1983) e Starostin (1995). De acordo com esta metodologia, a análise deve ser feita num Sistema Referencial Móvel (SRM) que se move com a Velocidade de Translação Passiva (VTP) do SCM. Isso permite eliminar a translação passiva do SCM e observar a sua evolução pura. Entretanto, a acumulação dos ecos de radar das nuvens convectivas neste SRM durante o tempo de vida do SCM revela uma estrutura que não é possível de ser observada nas imagens instantâneas. Para determinar a VTP do SCM foi usado o procedimento desenvolvido por Abdoulaev et.al. (1998), onde os fragmentos da estrutura do SCM, que se movem com a VTP, podem ser representados esquematicamente por linhas com orientações diferentes. Para sobrepor estas linhas em imagens sucessivas, uma delas deve ser deslocada relativamente às outras. Medindo-se este deslocamento podemos calcular a VTP. No dia analisado, a VTP foi igual a 50 km/h com direção para 110. A acumulação dos ecos de radar no referencial móvel foi feita usando um programa desenvolvido pelos autores. EVOLUÇÃO DO SISTEMA CONVECTIVO DE MESOESCALA NO REFERENCIAL MÓVEL. A Figura 1 apresenta a evolução do SCM no Sistema Referencial Móvel (SRM) entre 11:01h e 16:47h, ou seja, praticamente durante 6 horas. As cruzes nas Figuras 1a, 1b, 1c indicam as posições do radar meteorológico em horários diferentes (12:00h, 14:00h, 16:00h e 18:00h). No Sistema Referencial Móvel com VTP o radar, é claro, se move no sentido oposto à VTP. Todos os ecos de radar com refletividade superior a um determinado valor foram acumulados no SRM para o período das 11:01h às 16:47h. Nas Figuras 1a, 1b, 1c estes valores de refletividade Figura 1. Acumulação todos os ecos de radar com Z a) > 20 dbz; b) > 30 dbz; c) > 40 dbz, no referencial móvel. Com os números 1, 2 e 3 são marcadas as áreas do desenvolvimento das linhas convectivas 1, 2 e 3. Pelas cruzes são marcadas as posições do radar nos horários de 12:00, 14:00, 16:00 e 18:00. foram de, respectivamente, 20 dbz, 30 dbz e 40 dbz. Para facilitar a apresentação da evolução do SCM, a acumulação dos ecos de radar foi feita para cada hora, e é mostrada em cores diferentes. No SRM, o deslocamento do eco de radar acontece devido à evolução própria dos elementos do SCM, ou seja, por causa do aparecimento de elementos novos. Analisando as imagens da Figura 1, podemos ver as características de evolução do SCM de forma muito fácil. Os ecos de radar com refletividade Z superior a 20 dbz (Fig. 1a ) apresentaram áreas ocupadas por regiões com precipitações contínuas e áreas ocupadas por precipitações convectivas. Os ecos de radar com Z superior a 40 dbz apresentaram, principalmente, regiões com precipitações convectivas. Assim, a Figura 1a apresenta a evolução das 1997

3 regiões convectivas com áreas estratiformes, enquanto que a Figura 1c apresenta, principalmente, as regiões convectivas. Na Figura 1b é apresentado o caso intermediário. Figura 2. Esquema da evolução do Sistema Convectivo de Mesoescala. A área de desenvolvimento do SCM com Z>20 dbz durante as 6 horas (Fig. 1a) apresentou uma larga banda orientada NW-SE (de 320 para 140 ) com comprimento de 600 km e largura de 220 km, aproximadamente, que estava coberta continuamente por ecos de radar. Por sua vez, a área de desenvolvimento do SCM com Z>40 dbz (Fig. 1c), ou seja, a área onde as precipitações convectivas se desenvolveram, apresentou bandas de tamanhos menores (comprimento de 500 km e largura de 140 km, aproximadamente) e com mesma orientação que no caso anterior. É importante ressaltar que na situação Z>40 dbz, a distribuição dos ecos de radar foi discreta. Esta observação mostra que a evolução das regiões convectivas neste SCM não foi contínua. O esquema da evolução do SCM durante 6 horas é apresentado na Figura 2. A evolução do SCM durante estas 6 horas ocorreu na direção 340 fazendo um ângulo de 130 com o vetor VTP (ou seja, a direção da evolução do SCM ocorreu atrás e à esquerda do vetor VTP) com uma velocidade média (Ve) de 66 km/h. Esta evolução pode ser decomposta em duas componentes: a) componente da velocidade de evolução do SCM ao longo do seu eixo (Ve(par)) e b) componente da velocidade de evolução do SCM na direção perpendicular da sua orientação (Ve(per)). O SCM durante as 6 horas evoluiu ao longo de seu eixo com uma velocidade de 60 km/h para a esquerda e na direção perpendicular (coincidente com a direção do deslocamento do SCM no referencial fixo) de sua orientação, com uma velocidade de 27 km/h. a) Evolução do SCM como três linhas convectivas Como foi mostrado na Parte 1, este SCM pode ser apresentado como a evolução de três linhas convectivas. As áreas de evolução destas linhas no referencial móvel, foram indicadas pelos números 1, 2 e 3 nas Figuras 1a e Figura 1b. Nestas figuras, a área de evolução das linhas 2 e 3 ocupa a metade superior do SCM e a área de evolução da linha 1 fica na metade inferior do SCM. O esquema da evolução deste SCM, durante quase 4 horas como evolução de três linhas convectivas, é apresentado na Figura 4. Estas linhas evoluíram na direção norte, praticamente, fazendo um ângulo reto com a VTP. As velocidades de evolução destas linhas na direção perpendicular à sua orientação foram de 27km/h, 30km/h e 55km/h para as linhas 1, 2 e 3, respectivamente. A distância entre as linhas 2 e 3 foi igual a 50 km, às 13:00h. Devido à diferença das velocidades de evolução, a linha 3 aproximou-se da linha 2 e, em torno das 15:00h atingiu local (no referencial móvel) onde, por volta das 13:00h havia se desenvolvido a convecção profunda associada à linha 2. Este local está indicado nas Figuras 1a, 1b pelas letras ID. Logo em seguida começou a dissipação rápida da região estratiforme da linha 3. Foi dito anteriormente que a distribuição das áreas de desenvolvimento da convecção profunda, ou seja, dos ecos de radar com Z>40dBZ foi discreta (Fig. 1c), isto é, dentro de toda a banda com ecos de radar haviam áreas livres do eco de radar com Z>40dBZ durante 6 horas (tempo de acumulação dos dados de radar). Mais interessante foi verificar que a distribuição dos ecos de radar na parte sul desta banda estava associada com a evolução da linha 1. Apesar de ser discreta, esta distribuição apresentou uma regularidade espacial e temporal. Como podemos ver na Figura 1c, os ecos de radar tiveram uma tendência a se concentrar em linhas paralelas, indicadas pelas letras a, b, c, d, e. A distância média entre estas linha foi igual a 25 km, aproximadamente, e cada nova linha que se desenvolvia, o fazia na direção NE, a cada hora. Isso é fácil de ver porque a acumulação horária está apresentada em cores diferentes. Isso significa que a evolução da linha convectiva 1 ocorreu da seguinte forma. Desenvolve-se uma linha convectiva. Quando ela atinge seu estágio de maturidade, começa a formação de uma nova linha na sua frente, a uma distância de 25 km, aproximadamente. Por sua vez a linha velha começa a se dissipar e quando a linha nova atinge sua maturidade, este ciclo se repete. A duração de cada ciclo foi igual a uma hora, aproximadamente. 1998

4 b) Região estratiforme de forma triangular Na parte 1 foi dito que a região estratiforme da linha convectiva 1 apresentou uma forma triangular durante Figura 3. a) e b) Imagem da linha convectiva 1 às 14:46. c) e d) Acumulação dos ecos de radar com Z > 40 dbz, no referencial móvel, das 11:01 às 14:46 (As cores na Figura 3c mesmas que na Figura 1). f) Superposição das imagens nas Figuras 3b e 3d. e) Esquema do desenvolvimento da região estratiforme triangular. Figura 4. Esquema da evolução do Sistema Convectivo de Mesoescala como a evolução das tres linhas convectivas durante de 3,5 horas. Pelas cruzes são marcadas as posições do radar nos horários de 12:00, 14:00, 16: e 18:00. algumas horas. A Figura 3a mostra a linha 1 acompanhada pela região estratiforme triangular, às 14:46h. Qual é a natureza deste fenômeno? A Figura 3c apresenta a acumulação, no referencial móvel, de todos os ecos de radar com Z>40dBZ das 11:01h às 14:46h (horário da imagem da linha 1 na Figura 3a). É interessante notar que a área ocupada pelos ecos de radar das nuvens Cb na Figura 3c também tem uma forma triangular. Para comparar estas áreas, vamos sobrepor as Figuras 3a e 3c. Para facilitar esta apresentação, os ecos da Figura 3a foram pintados na cor azul (Figura 3b) e os da Figura 3c o foram na cor vermelha (Figura 3d). A cruz na Figura 3c marca a posição do radar meteorológico às 14:46h, horário da imagem da Figura 3a. A Figura 3f apresenta o resultado da superposição das Figura 3b e 3d. A coincidência destas áreas é incrível, uma vez que as imagens das Figuras 3b e 3d têm natureza diferente. A imagem da linha convectiva 1 acompanhada pela região estratiforme na Figura 3b é instantânea às 14:46h, mas a imagem na Figura 3d é obtida pela acumulação de todos ecos de radar com Z>40 dbz, ou seja, das nuvens Cb durante quase 4 horas. Isso significa que a região estratiforme constituiu uma área onde, durante algumas horas, nuvens de convecção profunda se desenvolveram, ou seja, a região estratiforme foi a memória sobre a evolução passada da linha convectiva. c) Formação da região estratiforme de forma triangular Devido à evolução da linha convectiva em duas direções (paralela e perpendicular à sua orientação), a área do desenvolvimento da convecção profunda, no referencial móvel, assume sua forma triangular (na Figura 3e está 1999

5 indicada pelas linhas vermelhas). Como podemos ver a partir do esquema apresentado na Figura 3e, o ângulo α depende só dos valores da velocidade de evolução na direção paralela à linha convectiva (Ve(par)) e da velocidade de evolução na direção perpendicular à sua orientação (Ve(per)). Realmente, durante um intervalo de tempo T = T 3 -T 1 no sistema referencial móvel, a linha convectiva se deslocará ao longo de seu eixo de uma distância D(par)=Ve(par)* T e, ao mesmo tempo, no sentido prependicular à sua orientação D(per)=Ve(per)* T. Evidentemente, tg(α) = D(per)/D(par), ou seja, tg(α) =Ve(per)/Ve(par) (1) O valor do ângulo α não depende do valor da velocidade de translação passiva e pode ser considerado como uma característica da evolução de uma linha convectiva. Podemos dizer que a forma triangular da região estratiforme guarda uma informação sobre a evolução passada da linha convectiva. No caso da linha convectiva 1, durante as 3 horas (das 11:46h às 14:46h) (14:46h é o horário da imagem de radar das Figuras 3a e 3b) Ve(per) = 27 km/h e Ve(par) = 52 km/h e, por isto, o ângulo calculado da região com forma de triângulo (α cal ) deve ser igual a α cal = arctg(ve(per)/ve(par))= 28. O ângulo real da região com forma de triângulo às 14:46h foi igual a 34 (Fig. 3b). A concordância entre o ângulo calculado e o ângulo real é boa. Este resultado pode explicar a formação dos diferentes tipos de linhas convectivas acompanhadas por uma ampla região estratiforme: a) caso simétrico; b) caso assimétrico (Fig. 1, Parte 1). A forma da região estratiforme depende da relação entre Ve(per) e Ve(par). Se Ve(per) for maior que Ve(par) o ângulo α será maior que 45. Isso significa que a região estratiforme se desenvolverá e que será mais correspondente ao caso simétrico (Fig. 1a, Parte 1). Se Ve(per) for menor que Ve(par) o ângulo α será menor que 45. Isso significa que a região estratiforme se desenvolverá com forma de triângulo, o que corresponde mais ao caso assimétrico (Fig. 1b, Parte 1). Este resultado diz que a ocorrência do tipo concreto (simétrico ou assimétrico) dependerá da relação entre Ve(per) e Ve(par). Portanto, se a relação entre Ve(per) e Ve(par) mudar durante o tempo de vida do SCM algumas vezes, teremos tantas vezes a transformação de um tipo ou de outro. Uma transformação do tipo assimétrico ao tipo simétrico aconteceu com a linha 1 (veja Parte 1). Como foi notado na Parte 1, a largura da região estratiforme da linha convectiva 1 aumentou durante 3 horas, manteve sua largura de 100 km, aproximadamente. Entretanto, a evolução da linha 1 no sentido perpendicular continuou, mas este fato não contribuiu ao acréscimento da largura da linha 1. Esta observação pode ser interpretada assim: o tempo de vida de uma parte da região estratiforme, que se formou como um resultado da dissipação de uma parte da região convectiva até a sua própria dissipação, foi igual a 3 horas. Este resultado explica porque a fronteira posterior da região estratiforme, depois de algumas horas, tornou-se paralela à própria linha convectiva (Figs 3 e 4, Parte 1). Supondo que o tempo de vida de uma parte da região estratiforme (Tv) seja uma constante e igual a 3 horas aproximadamente, podemos prever, como conseqüência disto, que a largura máxima da região estratiforme (Lmax) deve depender do valor da velocidade de evolução da linha convectiva na direção perpendicular de sua orientação (Ve(per)) como Lmax = Ve(per) * Tv (2) Abdoulaev e Lenskaia (1998) mostraram experimentalmente, através de uma análise da evolução de 38 linhas de convecção severa que Lmax é proporcional a Ve(per), onde a estimativa para Tv foi de 3,4 horas. No caso da linha 1 Ve(per) foi igual a 27 km/h e, por isso, esta linha deve ter uma largura máxima de 27 km/h * 3 horas = 81 km. A largura máxima observada foi igual a 100 km, aproximadamente. A coincidência é razoável. No caso da linha 3 Ve(per) foi igual a 55 km/h e, por isso, esta linha deveria ter, de acordo com (2), a largura máxima de 165 km. Mas a RE desta linha atingiu seu máximo de 100 km às 15:00h, depois de 2 horas de evolução e não cresceu mais. Esta diferença pode ser explicada pelo fim da evolução na direção perpendicular à sua orientação depois que a linha 3 atingiu a área, no referencial móvel, onde duas horas antes desenvolvia-se a convecção profunda associada com a linha

6 d) Determinação dos componentes da velocidade de evolução da linha convectiva do tipo assimétrico A interpretação da formação da linha convectiva com uma região estratiforme triangular feita na parte superior permite desenvolver uma metodologia da determinação dos componentes da velocidade de evolução da linha convectiva do tipo assimétrico. O ângulo da região estratiforme triangular (α) e a orientação da linha convectiva podem ser obtidas de uma imagem de radar. A velocidade do deslocamento da linha convectiva (Vd) pode ser determinada comparando-se as posições da linhas em duas imagens. Sabendo o valor de VTP podemos calcular o componente da VTP na direção perpendicular à orientação da linha convectiva (VTP(per)). Por sua vez, a velocidade de evolução da linha convectiva na direção perpendicular de sua orientação (Ve(per) é igual a Vd VTP(per). Finalmente, usando a equação 1, podemos calcular a componente paralela da velocidade de evolução da linha convectiva (Ve(par). Ve(par) = Ve(per)/ tg(α) (3) No caso da linha 1 vamos calcular os componentes de evolução usando a imagem das 14:46h (Fig. 3a). A orientação da linha 1 às 14:46h foi de 320 para 140 ; α = 34 ; Vd foi igual a 55 km/h; VTP foi igual a 50 km/h e para 110. O ângulo entre o eixo da linha e VTP foi igual a 30. Por isso, VTP(per) = Vd * sen(30 ) = 27,5 km/h Ve(per) = Vd VTP(per) = 55 km/h 27,5 km/h = 27,5 km/h Ve(par) = Ve(per)/ tg(α) = 27,5/ tg(34 ) = 41 km/h Estes valores foram obtidos sem a utilização da metodologia de análise no referencial móvel. Os componentes da velocidade de evolução da linha 1 calculados no sistema referencial móvel foram iguais a 27 km/h e 52 km/h, respectivamente, ou seja, foram próximos dos valores dos componentes calculados usando a metodologia proposta. CONCLUSÕES Apresentou-se a análise da evolução de um Sistema Convectivo de Mesoescala (SCM) linear que ocorreu no dia 5 de maio de 1993 sobre o Estado de São Paulo (iniciada na parte 1) no sistema referencial móvel com uma velocidade de translação passiva. A evolução do SCM durante 6 horas ocorreu na direção de 340 (fazendo um ângulo de 130 com o vetor VTP, ou seja, a direção da evolução do SCM ocorreu atrás e à esquerda em relação a VTP) com uma velocidade média (Ve) de 66 km/h. A componente Ve(par), paralela ao eixo do SCM, foi de 60 km/h e a componente Ve(per), perpendicular a este, foi de 27 km/h. A evolução deste SCM foi apresentada como uma evolução de três linhas convectivas que evoluíram na direção norte praticamente, fazendo um ângulo reto com a VTP. As velocidades de evolução das linhas 1, 2 e 3 na direção perpendicular à sua orientação foram de 27 km/h, 30 km/h e 55 km/h, respectivamente. A distância entre as linhas 2 e 3 às 13:00h foi igual de 50 km. Devido à diferença das velocidade de evolução, a linha 3 se aproximou da linha 2 e, por volta de 15:00h atingiu o local (no referencial móvel) onde, em torno das 13:00h havia se desenvolvido a convecção profunda associada com a linha 2. Logo após começou a dissipação rápida da região estratiforme da linha 3. A área do desenvolvimento das precipitações convectivas apresentou uma distribuição do eco de radar discreta, ou seja, a evolução das regiões convectivas neste SCM não foi contínua. Apesar de ser discreta, esta distribuição apresentou uma regularidade espacial e temporal. Os ecos de radar com Z > 40 dbz mostraram uma tendência a se concentrar em linhas paralelas. A distância média entre estas linhas foi de 25 km, aproximadamente, e cada nova linha se desenvolveu na direção de nordeste a cada hora. Isto significa que a linha convectiva 1 ocorreu no cenário seguinte. Desenvolve-se uma linha convectiva e quando ela atinge sua maturidade, uma linha nova começa a se formar a uma distância de 25 km na sua frente. Por sua vez, a linha velha começa a se dissipar. No momento em que a linha nova atinge sua maturidade, este ciclo se repete. A duração de cada ciclo foi igual a uma hora, aproximadamente. Foi mostrado que a região estratiforme constituiu uma área onde, durante algumas horas antes, nuvens de convecção profunda se desenvolveram, ou seja, a região estratiforme foi a memória sobre a evolução passada da linha convectiva. A forma da região estratiforme depende da relação entre Ve(per) e Ve(par). Se Ve(per) for maior 2001

7 que Ve(par) a região estratiforme que se desenvolver será mais correspondente ao caso simétrico. No caso contrário, a região estratiforme que se desenvolver apresentará uma forma triangular, mais correspondente ao caso assimétrico. Por isso, se a relação entre Ve(per) e Ve(par) mudar durante o tempo de vida do SCM, haverá uma transformação de um tipo para outro, tantas vezes quantas forem as mudanças de relação entre estas duas componentes de velocidade. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ABDOULAEV, S., LENSKAIA, O. Evolução das linhas de convecção severa. Parte 1: Classificação. Revista Brasileira de Meteorologia, v. 13, n. 2, p.15-35, ABDOULAEV, S., STAROSTIN, A., LENSKAIA, O., GOMES, R.G. Sistemas de mesoescala de precipitações no Rio Grande do Sul. Parte I: Classificação dos sistemas de mesoescala de precipitações. Revista Brasileira de Meteorologia, v. 13, n. 2, p.57-74, STAROSTIN, A. Estrutura de mesoescala e evolução do campo da nebulosidade Cb. Revista Brasileira de Meteorologia, v. 10, n. 1, p.10-18, STAROSTIN, A., LIVSHITS, E.M., SHVETSOV, V.S. Meso-scale structure of the radar echo fields from convective clouds in Moldavia. Meteorology and Hydrology, Moscou, Hydrometeoizdat, n. 10, p.55-59, STAROSTIN, A., GOMES, A.M., GOMES, R.G. Sistema convectivo linear de mesoescala ocorrido sobre o estado de São Paulo no dia 5 de maio de Parte 1: Análise geral. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE METEOROLOGIA, 11, 2000, Rio de Janeiro, 16 a 20 de outubro de 2000, anais, Rio de Janeiro,