SIMULAÇÕES DA BRISA DE LAGO DO RESERVATÓRIO DE ITAIPU COM O MODELO ARPS. Afonso A. M. de Araujo 1,2, Mauricio F. Gobbi 1

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1 SIMULAÇÕES DA BRISA DE LAGO DO RESERVATÓRIO DE ITAIPU COM O MODELO ARPS ABSTRACT Afonso A. M. de Araujo 1,2, Mauricio F. Gobbi SIMEPAR, Caixa Postal 318 Curitiba PR UFPR, Setor de Tecnologia, Centro Politécnico, Curitiba PR The two-dimensional numerical simulations of the intensive field campaign of the MESOLIT project are described in this paper. Two distinct scenarios considering the presence or not of the Itaipu lake are considered. The Advanced Regional Prediction System (ARPS), an atmospheric numerical model, developed by the Center for Analysis and Prediction of Storms from the University of Oklahoma is used to investigate the role of the surface heterogeneities on mesoescale atmospheric circulations. A grid with 93 points in the east-west direction with a grid size of 2 km and 25 levels in the z direction is defined. This grid are centered at 25º25 degrees of latitude and 54º30 degrees of longitude, crossing the lake, resulting in a domain of 182 Km. The results showed a small lake breeze effect due to the weak horizontal heat flux gradient. However, an important difference between the horizontal wind fields is clearly observable. 1 INTRODUÇÃO A heterogeneidade da superfície advinda da topografia, diferenças no tipo de cobertura vegetal, textura do solo e padrões de umidade, tendo-se em conta certas condições sinóticas, podem causar significativo impacto nas condições de circulações atmosféricas de mesoescala. Por exemplo, as condições da superfície do solo, afetam a evolução da camada limite planetária diurna (Wong et al., 1998; Segal e Pielke, 1985), podendo disparar processos convectivos. As diferenças de rugosidade devido a variações no tipo de cobertura vegetal podem provocar convergência de umidade em baixos nívies (Wong et al., 1998; Wu e Raman, 1996). O enfoque dado neste trabalho para a avaliação do impacto de corpos d água na circulação local foi o de avaliar diferentes cenários considerando a presença ou não do corpo d água, por meio de simulações numéricas da atmosfera. O modelo ARPS, utilizado para a realização de simulações bidimencionais, foi inicializadado a partir de uma sondagem vertical homogênia, contendo campos de vento, umidade e temperatura representativos de condições sinóticas fracas, que permitissem o surgimento apenas de circulações locais de mesoescala. 2 DESCRIÇÃO DO MODELO O ARPS é um modelo não-hidroestático de previsão das condições atmosféricas em escala regional, indo desde alguns quilômetros até centenas de quilômetros (Xue et al, 1995). As equações de Navier-Stokes para escoamentos compressíveis são resolvidas, utilizando-se um sistema de coordenadas seguindo a topografia, com uma grade telescópica na vertical. Ele pode rodar em configurações uni, bi e tridimensionais. As variáveis prognósticas do modelo são: as componentes cartesianas u, v, w, a temperatura potencial, a pressão p, a energia cinética turbulenta e, e as razões de mistura para vapor d'água q v, água em nuvens q c, água de chuva q l, gelo em nuvens q s, neve e granizo. As equações são resolvidas por diferenças finitas, podendo-se utilizar esquemas conservativos quadráticos ou de quarta ordem para os termos advectivos, e diferenças centradas de ordem dois para os demais termos. O grid é defasado (staggered) segundo um esquema Arakawa-C. A evolução no tempo utiliza esquemas ímplícitos de ordem dois (leapfrog) para intervalos de integração longos, e explícitos progressivos-regressivos para intervalos de integração curtos. Existem diversas opções de parametrização de turbulência no ARPS. As simulações do Mesolit, em princípio, estão sendo feitas com com um modelo de nível 1.5 em que a equação de energia cinética turbulenta é resolvida

2 explicitamente. O modelo é capaz de assimilar dados de terreno com alta resolução (30'' de arco ~ 1 x 1 km), e é extremamente flexível em suas opções de ingestão de dados para inicialização e definição de condições de contorno. 3 SIMULAÇÕES Foram realizadas dois conjuntos de simulações considerando a presença ou não do lago. As rodadas de 48 horas de atmosfera tiveram início às 5:00 horas local, com um time-step de 4 segundos. Uma das possibilidades de inicialização para as variáveis prognósticas que o modelo permite, e que foi utilizada neste trabalho, é a definição de um perfil de sondagem vertical, extendido para todo o domínio. A sondagem utilizada partiu de um campo de vento zero, onde a forçante sinótica é identicamente nula (Araújo et al, 1998a; Pielke, 1984) e condições de temperatura e umidade característica de situações sinóticas tipicamente fracas. Outras variáveis iniciais como temperatura da superfície do lago, temperatura da superfície do solo e umidade do solo foram estimadas a partir dos dados obtidos nos experimentos intensivos de campo EXCINC-1 e EXCINC-2 (Dias et al, 1998; Okawa et al 1998a; Okawa et al 1998a; Gobbi et al., 1998). Vale ressaltar que os parâmetros com sazonalidade mensal foram considerados para o mês de dezembro, quando ocorreram os experimentos de campo. Os campos de topografia e características da superfície devem ser interpolados adequadamente para a grade do modelo definida. Para tanto utilizan-se alguns programas integrantes do modelo ARPS, que realizam as tarefas de pré-processamento. Por exemplo, para o caso da topografia, os dados obtidos a partir do banco de dados do United States Geological Survey (USGS), na resolução de 1 x 1 km são convertidos, lidos e posteriormente transportados para os pontos de grade do modelo, por meio da técnica de Barnes (Xue et al., 1995; Barnes, 1964), implementada no programa ARPSTERN. Da mesma forma, o conjunto de informações de tipo de solo, tipo de cobertura vegetal, e índices de vegetação diferenciais normalizados (NDVI) são transportados para os pontos de grade do modelo através do programa ARPSSFC. Os arquivos de NDVI são utilizados para estimar os parâmetros de rugosidade da superfície, índice de área foliar (LAI) e fração de cobertura vegetal, que afetam diretamente o modelo de solo do ARPS (Gobbi et al., 1998). As figuras para os campos de topografia, tipo de solo e cobertura vegetal, rugosidade, índice de área foliar e fração de vegetação encontram-se em Araujo et al., RESULTADOS Os arquivos de saída do ARPS foram pós-processados pelo programa ARPSPLOT. Campos de temperatura, umidade, pressão e uw foram gerados de 3 em 3 horas (Araujo et al., 1998). Aqui apresenta-se os campos de temperatura e vento uw referentes às 2:00 horas da noite, horário local, ou seja, nove vinte e uma horas após o início da simulação, para os dois cenários considerados (figuras 1 e 2). Os resultados obtidos nestas primeiras simulações não mostraram a ocorrencia de uma brisa de lago muito acentuada. Provavelmente, pelo fato de ser um período de elevada umidade no solo, e tendo sido o modelo incializado com essa condição, levando a um fluxo de calor sensível baixo sobre o solo. Desta forma, o gradiente de fluxo de calor sensível (H), da terra para o lago, responsável pelo desenvolviemnto da brisa de lago, é pequeno. Os campos de temperatura durante as 48 horas de simulação não apresentaram diferenças significativas, a não ser pelo fato de a camada ser mais fina sobre a superfície do lago, e a noite mostrar uma tendência de temperaturas ligeiramente mais elevadas sobre o lago (figura 1.1). Nos campos de vento é onde surgem as diferenças mais significativas, mostrando que, apesar do efeito da brisa de lago ter sido reduzido em função da alta umidade presente no solo, os padrões de circulação são significativamente alterados quando da presença do corpo d água. Algum cuidado deve ser tomado ao analisar os gráficos da figura 2, pois infelizmente as escalas dos vetores não são exatamente as mesmas. De toda forma a figura mostra um padrão que se repetiu de forma consistente

3 durante toda a simulação, surgindo uma tendência de concentração das circulações em torno do lago e para o caso sem o lago aparecem circulações secundárias em todo o domínio. Figura 1: Campos de temperatura ocorridos 21 horas horas após o incicio da simulação (2:00 da noite das primeiras 24h). Consideranso a presença do lago e Sem o lago.

4 Figura 2: Campos de velocidade do vento uw ocorridos 21 horas após o incicio da simulação (2:00 da noite das primeiras 24h). Consideranso a presença do lago e Sem o lago. 5 CONCLUSÃO Os esforços desenvolvidos pelo SIMEPAR, na utilização da modelagem de mesoescala como uma ferramenta para entender os efeitos das heterogeneidades da superfície do solo, incluindo-se também os efeitos da topografia, nas circulações locais foram apresentados. Os resultados mostram a potencialidade do uso da modelagem de mesoescala, aliada à medições micrometeorológicas. Nota-se também a necessidade de aprofundar-se na interpretação de todo o volume de resultados obtidos, buscando-se definir de forma consistente um conjunto análises de sensibilidade para o estabelecimento dos campos diferenciais entre outros cenários possíveis de uso do solo. 6 AGRADECIMENTOS Agradeço a colaboração de toda a equipe do SIMEPAR, das áreas de pesquisa e desenvolvimento, infra-estrutura e administração, que tornaram possível este projeto em todas as etapas. Agradeço em especial ao Center of Analysis and Predicition of Storms CAPS, da Universidade de Oklahoma, pela cooperação na utilização do modelo ARPS. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Araújo, A.A.M., Dias, N.L. e Gobbi, M.F. (1998) Relatório III do projeto Mesolit:descrição do modelo numérico de mesoescala, definição de parâmetros, condições iniciais e de contorno. Relatório Técnico 002/98. SIMEPAR. Curitiba. Branes, S. A technique for maximizing details in numerical map analysis. Journal of Applied Metereology, 3: , Dias, N.L., Okawa, C.M.P., Grodzki, L., Araújo, A.A.M., Kan, A., Nazareno, P., Rocha, L.S., Sanchez, S.S. (1998) Os experimentos intensivos de campo dos estudos de mesoescala para o lago de Itaipu (EXINC/MESOLIT). In: X Congresso Brasileiro de Meteorologia, Brasília, Anais. Dias, N.L., Rocha, L.S., Okawa, C.M.P. e Sanchez, S. (1998) Determinação de albedos, rugosidades e razões de Bowen na região do reservatório de Itaipu. In: X Congresso Brasileiro de Meteorologia, Brasília, Anais. Gobbi, M.F., Dias, N.L. e Araújo, A. A. M. (1998) Aplicação do esquema de transferência solovegetação-atmosfera do modelo ARPS com dados medidos sobre uma cultura de soja em Sta Theresinha do Itaipu, PR. In: X Congresso Brasileiro de Meteorologia, Brasília, Anais. Okawa, C.M.P, Grodzki, L., Dias, N.L. e Araújo, A.A.M. (1998a) Medições de fluxos de energia com métodos tradicionais e alternativos sobre uma cultura de soja em Santa Therezinha do Itaipu, PR. In: X Congresso Brasileiro de Meteorologia, Brasília, Anais. Okawa, C.M.P., Nazareno, P., Dias, N.L. e Kan, A. (1998b) Medições de fluxos de energia e grandezas médias no lago de Itaipu, PR e Paraguai. In: X Congresso Brasileiro de Meteorologia, Brasília, Anais. Pielke, R.A. (1984) Mesoescale meteorological modeling. Academic Press, San Diego. Seagal, M e Pielke, R.A. (1985) The Effect of Water and sinoptic winds on the development of surface flows over narrow, elongated water bodies. Journal of Geophysical Researech, v.90, n.c3: , Wong, V., Xue, M., Tan, X., Wang, L., Droegemeier, K.(1998) Effect of land cover on the numerical predictions of convective storms. In: 12th Conference on Numerical Weather Prediction. Phoenix, Arizona.

5 Wu, Y. e Raman, S. (1996) Effect of land-use pattern on the development of low-level jets. Journal of Applied Meteorology, 36: , Xue, M., Droegemeier, K.K., Wong, V., Shapiro, A. e Brewster, K. (1995) Advanced Regional Prediction System ARPS version 4.0 User s Guide. Center for Analysis and Prediction of Storms, University of Oklahoma.