VARIAÇÃO ESPAÇO-TEMPORAL DAS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE UM SISTEMA PRECIPITANTE

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1 VARIAÇÃO ESPAÇO-TEMPORAL DAS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE UM SISTEMA PRECIPITANTE Mauricio de Agostinho Antonio Instituto de Pesquisas Meteorológicas (IPMet) Universidade Estadual Paulista (UNESP) Av. Eng. Luiz Edmundo Coube, 4- CEP Bauru/SP ABSTRACT When cold fronts sweep through the Southeast of Brazil, in the tropics, are responsible for the development of precipitation bands that cover the entire area. These rains are the biggest contributors to the accumulated precipitation in the period. Usually they have a convective sector in its front, with greater intensity and higher in the atmosphere, followed by a broader range, with rainfall of stratiform nature, less intense, with lower gradients in precipitation intensities, and smoother appearance for the weather radar. On 6 October 997, one of these precipitating systems was monitored by the Bauru S-band weather radar; rainfall was recorded in central São Paulo State by three impact disdrometer installed at Garça, Bauru and Botucatu. The accumulated rainfall in these points was, respectively,.3 mm (236 min), 6.2 mm (58 min) and 3. mm (29 min). From the DSD recorded at the three sites the parameters reflectivity (Z), intensity of rainfall (R), flow kinetic energy (Ek) and the concentration of raindrops (Nd) were calculated. The time variations of the derived parameters and the number of drops of rain in -min recorded by the disdrometer indicates that the precipitating system was decreasing in intensity during its movement from west to east, as also recorded by the weather radar. This paper then presents the differences between the parameters derived from the drop size distributions as a function of time, and also for each of the sampling sites. Palavras-chave: DSD, radar de tempo, chuva tropical. INTRODUÇÃO As informações sobre a distribuição do tamanho de gotas de chuva (DSD) na região tropical são de interesse em diversas áreas como a meteorologia por radar, comunicações em microondas, agricultura e física de nuvens. O interesse dessas áreas inclui, por exemplo, as mudanças climáticas, e o aumento na erosão do solo devido à expansão das atividades humanas. Com o desenvolvimento de instrumentos que podem prover continuamente informações sobre o tamanho das gotas de chuva (Joss e Waldvogel, 967), as medidas de DSD tornaram-se mais comuns. Tais medidas permitem estabelecer relações funcionais entre os vários parâmetros da precipitação como a refletividade, a intensidade da precipitação, o conteúdo de água líquida e a energia cinética, nas várias formas e locais de sua ocorrência, conforme abordado por Zawadzki e Agostinho Antonio (988). Neste trabalho estão apresentadas as medidas e comparações de DSD para um evento de precipitação de primavera associado a um sistema frontal em 6 de outubro de 997, entre três estações na região central do Estado de São Paulo, em Garça, Bauru e Botucatu, na região tropical brasileira, usando disdrômetros. Alguns resultados preliminares obtidos com os dados de Garça e Botucatu, e sua relação com os parâmetros da precipitação dados por radar de tempo, haviam sido apresentados por Antonio (998,, 9, 2). A região é monitorada pelo radar de tempo instalado e operado pelo Instituto de Pesquisas Meteorológicas da Universidade Estadual Paulista (IPMet/UNESP), em Bauru - SP.

2 2. MATERIAL E MÉTODOS Dados de disdrômetro O disdrômetro de impacto (JW) é um instrumento que transforma o movimento vertical de uma gota de chuva que atinge uma superfície sensível de um sensor em um pulso elétrico cuja amplitude é função do diâmetro da gota. Daí é calculada a distribuição dos tamanhos das gotas em um volume de ar. Os diâmetros medidos (em 2 classes) variam de,3 mm até 5 mm, onde a medida inferior deve-se aos limites práticos do princípio de medidas e são de menor importância nas aplicações para as quais o instrumento foi desenvolvido, e o limite superior é o qual, acima dele, as ocorrências são bastante raras por causa da quebra das gotas devido à instabilidade das gotas grandes (Distromet, 4). Durante o ano de 997, efetuou-se uma campanha de medidas de DSD na região central do Estado de São Paulo, no período da primavera, sendo que o dia 6 de outubro de 997 foi selecionado por apresentar registro de várias horas de precipitação contínua, tendo o mesmo sistema precipitante atingido as três estações de registro. Os disdrômetros JW (modelo RD-69) foram instalados nas áreas urbanas de Garça (22,253º S, 49,6547º W, 668 m), Bauru (22,3367º S, 49,646º W, 595 m) e Botucatu (22,8894º S, 48,8º W, 838 m), e ajustados para integrações de dados a cada minuto. Os transdutores dos disdrômetros JW foram instalados levando-se em consideração as seguintes condições locais: protegidos de ruídos; protegidos de ventos fortes; não sujeitos a alagamentos; afastados de objetos e superfícies que poderiam provocar respingos. Estimativa de parâmetros hidrometeorológicos Os seguintes parâmetros e dados são determinados a partir da distribuição de gotas: n i é o número de gotas medidas em cada classe i de tamanho de gota, durante o intervalo de tempo t; D i é o diâmetro médio das gotas de tamanho de classe i (mm); A é o tamanho da superfície sensível do disdrômetro (5 cm 2 ); t é o intervalo de tempo para uma medida (aqui ajustado para 6 segundos); v(d i ) [m/s] é a velocidade de queda da gota com diâmetro D i ; segundo Gunn e Kinzer (949), ΔD i é o intervalo de diâmetro da gota de classe tamanho i [mm] R (intensidade de precipitação em mm/h); RA (total de chuva em mm); Z (fator de refletividade de radar em dbz); EF (fluxo de energia cinética em J/m 2 h); D max (maior gota coletada em mm); N(D i ) (o número densidade de gotas com diâmetros correspondentes ao tamanho de classe i por unidade de volume [/mm m 3 ]. As quantidades R, Z e EF são computadas usando as seguintes equações: R = 6 π -4 (/A.t) Σ n i D i 3 Z = (/ A.t ) Σ n i D i 6 / v(d i ), Z expresso como função logarítmica, dbz = log Z EF = ( π -3 / 36. t ) Σ n i D i 3 v(d i ) 2 Dados de Radar Os dados do radar de tempo de Bauru (22,3583º S, 49,272º W, altitude 624 m) são de refletividade (expressos em dbz), com o CAPPI (Indicador de Posi ção no Plano com Altitude Constante) de altitude 3,5 km, até um raio de 24 km do equipamento. Os conjuntos de dados foram coletados a cada 7,5 minutos e correspondem às refletividades médias em áreas de km X km, até 24 km de raio. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Ao longo do dia 6, as informações do radar de Bauru mostravam a atuação de uma frente fria próxima ao Estado de São Paulo através de extenso sistema precipitante que se

3 deslocava sobre a área no sentido de oeste para leste, formado por precipitação estratiforme, de pouca extensão vertical e baixas intensidades, em sua grande maioria. Observou-se que o total de gotas para a chuva de 6 out 997 não apresentou valores muito acima de gotas por minuto, para as três localidades. Esse valor foi superado por 2-3 minutos em Garça, tendo permanecido abaixo de gotas por minuto a maior parte do tempo. O mesmo ocorreu em Bauru, tendo a marca de gotas sido superada por 3-4 minutos, com o número de gotas permanecendo abaixo de por minuto na maior parte do tempo. Em Botucatu, a situação foi pouco distinta. No terço inicial de toda chuva, o número de gotas superou por minuto, tendo ultrapassado o número de gotas por 2-3 minutos; em seguida o número de gotas foi gradativamente diminuindo, até o final. A evolução dos registros do número de gotas por minuto em cada localidade é mostrada na Figura. Número Total de Gotas - Garça - 6 out Número do Total de Gotas - Bauru - 6 out Número Total de Gotas - Botucatu - 6 out DSD minuto - Garça - 6 out 997 DSD minuto - Bauru - 6 out 997 DSD minuto - Botucatu - 6 out 997 4:26 h 5:4 h 6:2 h 6:5 h 5:27 h 6:5 h 6:43 h 7:2 h 6:39 h 6:55 h 7:23 h 7:52 h, Diâmetro das Gotas(mm), Diâmetro das Gotas (mm), Diâmetro das Gotas (mm) Figura. (topo) Evolução do número de gotas para Garça, Bauru e Botucatu, em 6 out 997; (abaixo) distribuição do tamanho de gotas de minuto. Uma avaliação da distribuição das gotas (DSD) e das intensidades de precipitação a cada minuto, feitas em quatro momentos distintos da precipitação em cada localidade, mostra as diferenças entre as DSDs. Em Garça, pouco depois do início, às 5:4 h, a chuva atingiu seu maior número de gotas por minuto (448), distribuídas com poucas gotas pequenas, as concentrações de gotas entre, mm e,3 mm, tendo a maior gota 3,2 mm. As concentrações obtidas às 4:26 h (,9 mm/h), 5:4 h (,2 mm/h), 6:2 h (3,6 mm/h) e 6:5 h (,33 mm/h) foram bastante diversas entre elas. Em Bauru, a chuva atingiu o maior número de gotas (448) às 6:43 h, no terço final da chuva; as gotas estiveram concentradas entre,9 mm e, mm, tendo a maior gota 2,3 mm; as concentrações obtidas às 5:27 h (4, mm/h), 6:5 h (4,6 mm/h), 6:43 h ( 3,7 mm/h) e 7:2 h (2, mm/h) não apresentaram grande dispersão. Em Botucatu o número maior de gotas (525) foi atingido às 6:24 h; no horário, a maior gota apresentou,9 mm com as maiores concentrações de gotas de,9 mm a, mm; as concentrações das 6:3 h (2,2 mm/h), 6:55 h (3, mm/h) e 7:23 h (,9 mm/h) apresentaram pouca dispersão; às 7:52 h (3,6 mm/h), no final das chuvas, a concentração era bem distinta das anteriores, embora tenha apresentado a maior intensidade. A Figura também apresenta as distribuições de gotas (DSD) para as três localidades. Em Garça, o número médio de gotas foi 72 por minuto às 5:24 h, na maior intensidade, apresentou a maior refletividade (4,2 dbz) e o maior fluxo de energia cinética (264,6 J/m 2.h). Em Bauru, o número médio de gotas foi 232 por minuto e às 5:38 h apresentou a maior intensidade (8,7 mm/h), a maior refletividade (39,6 dbz) e o maior fluxo de energia cinética (96,6 J/m 2.h). Em Botucatu, o disdrômetro indicou o número médio de gotas de 22 por minuto, sendo que às 6:26 h apresentou a maior intensidade (4,7 mm/h);

4 entretanto, somente às 6:3 h foram atingidos a maior refletividade (32,7 dbz) e o maior fluxo de energia cinética (68,6 J/m 2.h). Tabela. Valores extraídos de disdrômetros ( minuto) em 6 out 997. Início Término Período Precipitação Rmax Zmax E k max Localidade (hora) (hora) (minutos) Total (mm) (mm/h) (dbz) (J/m 2.h) Garça 3:48 7:4 248,3,8 4,2 264,6 Bauru 5:3 7:53 7 8,6 8,7 39,6 96,3 Botucatu 6:9 8: , 4,7 32,7 68,6 Dos dados de distribuição de gotas (DSD) de minuto, de Garça, Bauru e Botucatu, foram extraídos os totais precipitados, e os máximos dos parâmetros intensidade de precipitação, refletividade e fluxo de energia cinética, que são mostrados na Tabela. As curvas que relacionam os valores de refletividade com intensidade de precipitação e fluxo de energia cinética, para cada localidade, apresentaram baixa dispersão. Então, os pares de dados das três localidades foram agrupadas e do conjunto final de dados foram extraídas uma única equação para cada correlação. Assim, para o dia 6 out 997, a relação de refletividade versus intensidade de precipitação apresentou, com R 2 =,965, a equação: Z = 288,7 R,39 ; a relação refletividade versus fluxo de energia cinética apresentou, com R 2 =,996, a equação: Z = 6,5 E, k. O campo de refletividades do sistema precipitante, conforme apresentado pelo radar de Bauru, é mostrado na Figura 2 para vários momentos da precipitação. Os horários selecionados são próximos do instante em que se verificaram os picos de maior número de gotas, em cada localidade. No período, por problemas de ordem técnica, a área de km ao redor do radar não apresentava adequadamente os valores de refletividade. Figura 2. Imagens CAPPI de 3,5 km do radar de Bauru, em 6 out 997, com campo de refletividade (cores - dbz). Disdrômetros: Garça, Bauru e Botucatu. 4. CONCLUSÕES A oportunidade de se registrar a passagem de um sistema precipitante sobre uma área com três conjuntos disdrométricos operando simultaneamente e instalados numa distância máxima de 45 km entre elas, apresenta-se como excepcional. Ainda mais interessante é o fato dos três conjuntos estarem situados dentro do alcance de km de um único radar meteorológico de tempo. No caso presente, as informações do radar foram utilizadas somente para descrever a evolução do campo de precipitações associadas ao sistema precipitante. O sistema de chuvas, causado por um sistema frontal frio, não apresentou valores muito altos de refletividades na avaliação pelos disdrômetros num total de 355 minutos. Pelo contrário, as intensidades de precipitação se mantiveram quase todo o tempo abaixo de mm/h, exceto em Garça, na metade da tarde, quando as intensidades superaram esse limiar às 5:5 h (,2 mm/h) e 5:24 h (,8 mm/h).

5 O radar de tempo de Bauru registrou durante o dia 6 out 997 valores de refletividade acima de 4 dbz em pontos do setor norte do sistema precipitante, que não passaram sobre os disdrômetros. A partir das 6: h, o sistema começou a diminuir sua intensidade. A distribuição média das gotas para as três localidades mostrou que os perfis de Garça e Bauru estiveram muito próximos, inclusive quanto aos diâmetros máximos registrados das gotas, acima de 4 mm, bem distintos do perfil obtido para a média de gotas em Botucatu. Aí, existia um número maior de gotas pequenas, conforme pode ser apreciado na Figura (topo), porém o tamanho máximo das gotas pouco ultrapassou 3 mm. Durante a passagem do sistema precipitante sobre Botucatu, as imagens do radar de Bauru indicavam que ele se encontrava em processo de dissipação. O conjunto de dados coletados, de disdrômetro e de radar para o dia analisado, pode ser ainda muito explorado. O trabalho deverá continuar com o objetivo de avaliar as correlações entre os dados medidos no solo e aqueles coletados remotamente pelo radar, e também se verificar a evolução do conteúdo de água líquida calculado para os dados de gotas de minuto para as diversas localidades, aqui não apresentado ou discutido. Agradecimentos O autor reconhece o trabalho de Geórgia Pellegrina com os dados de radar. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANTONIO, M.de A Técnica de ajuste em tempo real de medidas de chuva com radar. São Carlos. 56 p. (Tese de Doutoramento, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo). ANTONIO, M. de A. Medidas de chuva com radar e disdrômetros. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE METEOROLOGIA, XI, Rio de Janeiro,. Anais...Rio de Janeiro: SBMET, p CD ANTONIO, M. de A. Energia cinética da precipitação estimada por radar de tempo ajustado por medida disdrométrica. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE SENSORIAMENTO REMOTO, XV, Natal, 9. Anais...São José dos Campos: INPE, p. 4-48, 9. CD. ANTONIO, M. de A. Energia cinética da precipitação estimada por radar de tempo no Brasil tropical. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE METEOROLOGIA, XVI, Belém,. (submetido). DISTROMET LTD. 4. User s Guide for DISTRODATA. Genebra. 8 p. GUNN, R., KINZER, G. D The Terminal Velocity of Fall for Droplets in Stagnant Air. J. Meteorology, v. 6, p HUDSON, N. W Soil Conservation. Ithaca: Cornell University Press. 32 p. JOSS, J., WALDVOGEL A Ein Spektrograph fuer Niederschlagstropfen mit automatischer Auswertung. Pure Appl. Geophys., v. 68, p LAL, R Erodibility and Erosivity. In: Lal, R. Soil erosion research methods. Ankeny: SWCS, p MORGAN, R.P.C Soil Erosion and Conservation. New York: Longman Scientific & Technical, 298 p. ZAWADZKI, I., AGOSTINHO ANTONIO, M. de.988. Equilibrium raindrop size distributions in tropical rain. J. Atmos. Sci., v. 45, p