XII Congresso Brasileiro de Meteorologia, Foz de Iguaçu-PR, 2002

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1 IMPACTO DA IMPLEMENTAÇÃO DE UMA PARAMETRIZAÇÃO DE CONVECÇÃO RASA NO CAMPO DA PRECIPITAÇÃO CONVECTIVA DE UM MODELO DE MESOESCALA Emerson M. Silva 1,3, Enio P. Souza 2, Alexandre A. Costa 3, José M. B. Alves 1 1 Fundação Cearense de Meteorologia e Recursos Hídricos - FUNCEME Fortaleza- Ceará - Brasil chocopb@globo.com 2 Departamento de Ciências Atmosféricas, UFPB - Universidade Federal da Paraíba 3 Departamento de Física e Química, UECE Universidade Estadual do Ceará RESUMO Neste estudo é investigado o impacto da implementação de uma parametrização de cúmulos rasos no campo da precipitação convectiva de um modelo de meso-escala (RAMS, Regional Atmospheric Modeling System). O modelo foi integrado sobre o Nordeste Brasileiro, na sua forma original e na nova configuração, contendo a parametrização de convecção rasa, para um período de 48 h a partir de 00:00 UTC do dia 01 de março de Os resultados mostram que a implementação do esquema de cúmulos rasos, no modelo, causa um impacto apreciável nos perfis termodinâmicos da atmosfera ao longo do período de integração, levando a precipitação convectiva no domínio do modelo a aumentar substancialmente. ABSTRACT In this study, we investigate the impact of implementing a shallow cumulus parameterization scheme in a mesoscale model (RAMS, Regional Atmospheric Modeling System). The model was run in its original configuration and in the new configuration containing the parameterization scheme. The model was integrated over Northeast Brazil for a 48 h period starting on 00:00 UTC, 01 March The results show that implementing the shallow cumulus scheme in the model causes a significant impact in the thermodynamic in the model domain. 1. INTRODUÇÃO Os cúmulos rasos (também chamados de cúmulos não-precipitantes) têm uma importante função na manutenção dos campos de temperatura e umidade na baixa troposfera (Yanai et al., 1973; Betts, 1973). Portanto, sua representação é essencial para que os modelos numéricos de previsão tenham um bom desempenho. Por outro lado, a resolução horizontal da maior parte dos modelos implica em truncamentos em escalas maiores do que a escala típica dos cúmulos rasos, o que significa que o efeito desse tipo de convecção deve ser incorporado, nesses modelos, através de parametrizações. Diante deste fato, Souza (1999) propôs uma parametrização simples para a convecção rasa. O esquema é do tipo fluxo de massa e combina o princípio da convecção como uma máquina térmica (Rennó e Ingerssol, 1996) com o modelo de nuvens proposto por Arakawa e Schubert (1974). A descrição completa deste esquema de parametrização de convecção rasa pode ser encontrada em Souza (1999). Como um dos efeitos importantes da convecção rasa é sua interação com a convecção profunda, o objetivo deste trabalho é testar o impacto da implementação do esquema de cúmulos rasos no campo da precipitação convectiva de um modelo de mesoescala. 2. MATERIAL E MÉTODOS Com o objetivo de obter-se os impactos da implementação do esquema de convecção rasa no modelo RAMS (Regional Atmospheric Modeling System). Foram realizados dois experimentos numéricos. O experimento EXP00, no qual o modelo é integrado na sua forma original, e o experimento EXPCR, no qual o modelo é integrado para as mesmas condições que o experimento anterior, porém com a parametrização de cúmulos rasos ativada. O modelo foi inicializado a 00:00 UTC do dia 01 de março de 1986, e integrado durante um período de 48 horas e foi executado em sua versão não-hidrostática, com coordenadas centrais da grade 5 S e 34 ºW. O domínio foi composto de 70 pontos na direção x e 62 na direção y, com espaçamento de 40 km. A radiação de onda longa e de onda curta segue a formulação de Chen e Cotton (1983). A convecção profunda que é do tipo Kuo (Kuo, 1974), 1280

2 modificada por Molinari e Corsetti (1985). A parametrização da convecção rasa é acionada, no modelo, imediatamente antes da convecção profunda. O passo de tempo foi de 60 s, com assimilação de reanálises do NCAR/NCEP a cada 6 horas. As escalas temporais de nudging nas fronteiras laterais e no centro do domínio foram de 1 hora e 6 horas, respectivamente. O tipo de vegetação utilizado nas simulações é do tipo arbusto temporário e o solo é do tipo franco, contendo 7 camadas, com umidade inicial de 80%. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO A figura 1a mostra a precipitação acumulada em milímetros observada no período das simulações (01 a 03 de março de 1986). Os valores observados foram interpolados para uma grade de mesmo espaçamento utilizado nas simulações numéricas. Observa-se que a distribuição da precipitação em toda região Nordeste é razoavelmente homogênea, com valores superior a 10 mm. São observados vários núcleos com valores acima de 20 mm na parte Sul desta região. Os valores observados na parte oceânica não são confiáveis por fato da ausência de postos de coleta de dados nesta área. A Figura 1b mostra a precipitação convectiva acumulada nas 48 horas de simulação do experimento EXPCR. Nota-se nesta figura que a distribuição de precipitação simulada apresenta uma razoável homogeneidade na área do Nordeste, concordando com o apresentado no campo observado na Figura 1a, com valores superiores a 10 mm e vários núcleos com valores superiores a 20 mm. Valores inferiores a 10 mm são observados na Bahia e sobre o oceano. Isso mostra que com a inclusão do esquema de convecção rasa o modelo está reproduzindo o padrão de precipitação observado. Na Figura 1c é mostrada a diferença da precipitação convectiva acumulada entre os experimentos EXPCR e EXP00. As regiões onde a precipitação do experimento EXPCR é maior aparecem sombreadas. Pode-se observar que, na maior parte da região oceânica, o modelo integrado contendo esquema de parametrização de cúmulos rasos produz mais precipitação convectiva. Alguns núcleos negativos são observados no sul da região oceânica. Sobre o continente, em toda sua extensão, o modelo alterna regiões positivas e negativas. Isso mostra que a convecção rasa, mesmo não causando precipitação diretamente, é um processo importante na determinação da quantidade de precipitação das nuvens convectivas profundas. Esses resultados estão de acordo com o proposto por Yanai et al. (1973), segundo o qual a presença da convecção rasa, antes ou durante um evento chuvoso, atua para instabilizar a atmosfera favorecendo o desenvolvimento de nuvens convectivas de maior porte. Para uma melhor compreensão do desempenho do esquema de cúmulos rasos ao longo da simulação, uma área 2 x 2 graus foi selecionada, na qual médias de duas variáveis serão obtidas. Essa área, escolhida aleatoriamente, abrange uma região em torno do oeste da Paraíba e Rio Grande do Norte e leste do Ceará, e é destacada como um quadrado na Figura 1. As figuras que seguem correspondem a uma média nessa área. (a) 1281

3 (b) Figura 1 a) Precipitação total acumulada observada no período de 01 a 03 de março de 1986 b) Precipitação convectiva acumulada (mm). O retângulo mostra a área na qual os detalhes do esquema serão analisados. b) Diferença da precipitação convectiva acumulada (mm) entre os experimentos EXPCR e EXP00. Áreas sombreadas representam valores positivos. (Continua) Figura 1 (Continuação) (c) 1282

4 As Figuras 2a e 2b apresentam a diferença média de precipitação convectiva acumulada e da taxa de precipitação convectiva entre os experimentos EXPCR e EXP00. O resultado é uma média na área mostrada na Figura 1. Pode-se observar que há uma tendência de aumento da precipitação convectiva acumulada, chegando a valores máximos de aproximadamente 4,5 mm no primeiro dia e aumentando para 6,5 mm no segundo dia. O aumento maior na diferença ocorre durante o dia, quando o impacto da convecção rasa é maior e persiste até por volta das 20 HL. Já a diferença média da taxa de precipitação convectiva, mostra valores máximos são da ordem de 0,5-0,55 mmhr -1, ocorrendo em torno do período em que a intensidade da convecção rasa é máxima. Isso indica que a convecção rasa atua no sentido de intensificar a convecção profunda e aumentar a taxa de precipitação convectiva de acordo com o que foi proposto por Betts (1973) e Yanai et al. (1973). A comparação entre essas figuras indicam que o esquema de convecção rasa também reproduz um outro aspecto interessante da interação entre as convecções rasa e profunda, mostrado por Yanai et al. (1973), ou seja, após o impacto inicial, a convecção rasa instabiliza a atmosfera e atua no sentido de favorecer a convecção profunda. A convecção profunda, por sua vez, atua para estabilizar a atmosfera, o que desfavorece o futuro desenvolvimento da convecção rasa. (a) (b) 1283

5 Figura 2 - Diferença média a) da precipitação convectiva acumulada (mm) b) da taxa de precipitação convectiva (mmh -1 ), para os experimentos EXPCR-EXP CONCLUSÕES Foram realizados experimentos utilizando-se a parametrização de cúmulos rasos desenvolvida por Souza (1999) e implementada no modelo RAMS, com o objetivo de se obter o impacto da convecção rasa no campo da precipitação convectiva simulada. O modelo com a inclusão do esquema de parametrização de convecção rasa reproduz razoavelmente bem o padrão de precipitação observado em toda região em estudo. A quantidade de precipitação convectiva acumulada e a taxa de precipitação convectiva têm uma tendência a aumentar com a implementação do esquema de convecção rasa. Isso concorda com estudos observacionais e teóricos (Yanai et al., 1973; Betts, 1973 e Tiedtke et al., 1988). Isso mostra que a convecção rasa, mesmo não causando precipitação diretamente, é um processo importante na determinação da quantidade de precipitação das nuvens convectivas profundas de acordo com o que foi proposto por Betts (1973) e Yanai et al. (1973). REFERÊNCIAS ARAKAWA, A.; SCHUBERT W. H. Interaction of a cumulus cloud ensemble with the larger-scale enviroment. Part I. Journal of the Atmospheric Sciences. vol 31, , BETTS, A. K. Non-precipitating cumulus convection and its parameterization. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. Vol. 99, , CHEN, F.; COTTON, W. R. A one-dimensional simulation of the stratocumulus capped mixed layer. Boundary- Layer Meteorology. vol. 25, , KUO, H.-L. Further studies of the parameterization of the influence of cumulus convection on large-scale flow. Journal of the Atmospheric Sciences. vol. 31, , MOLINARI, J.; CORSETTI, T. Incorporation of cloud-scale and mesoscale downdrafts into a cumulus parameterization: Results of one-and three-dimensional integrations. Monthly Weather Review. Vol. 113, , RENNÓ, N.O.; INGERSOLL, A. P. Natural convection as a heat engine: A theory for CAPE. Journal of the Atmospheric Sciences. vol. 53, , SOUZA, E. P. Estudo Teórico e Numérico da Relação entre Convecção e Superfícies Heterogêneas na Região Amazônica. Tese de Doutorado. Universidade de São Paulo. 121 p., TIEDTKE, M.; HECKLEY, W.A.; SLINGO, J. Tropical forecasting at ECMWF: On the influence of physical parameterization on the mean structure of forecasts and analyses. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. vol. 114, , YANAI, M.; ESBENSEN, S.; CHU, J. -H. Determination of bulk properties of tropical cloud clusters from largescale heat and moisture budgets. Journal of the Atmospheric Sciences. vol. 30, ,