TURBULÊNCIA E CISALHAMENTO DO VENTO NA ÁREA DO AEROPORTO INTERNACIONAL DE SÃO PAULO/GUARULHOS

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1 TURBULÊNCIA E CISALHAMENTO DO VENTO NA ÁREA DO AEROPORTO INTERNACIONAL DE SÃO PAULO/GUARULHOS Cristina Voltas Carrera Fogaccia Seção de Meteorologia Aeronáutica Gerência de Navegação Aérea Empresa Brasileira de Infra-estrutura Aeroportuária cfogacci@infraero.gov.br Augusto José Pereira Filho Departamento de Ciências Atmosféricas Instituto Astronômico e Geofísico USP Apereira@model.iag.usp.br ABSTRACT Wind shear and turbulence are responsible for 30% of all airplane accidents. These weather conditions significantly affect landing and takeoff at the São Paulo International Airport - SPIA, the second busiest airport in Brazil. Therefore, a methodology to diagnose wind shear and turbulence associated with thunderstorms within the area of the SPIA was developed. All available surface, altitude and remote sensing data were used to diagnose these weather events. In this study, it is shown that 75% of the events between January and March 1998 were associated with ordinary convective cells. Several variables such as the Bulk Richardson number, CAPE, WINDEX and stability parameters were tested. Weather radar derived variables such as wind gust, echo top and the VIL were found to be useful diagnostic tools. INTRODUÇÃO O objetivo desta pesquisa é desenvolver uma metodologia de análise das variáveis geradas pelo Radar Meteorológico de São Paulo tais como taxa de precipitação, altitude do topo das nuvens, água líquida integrada na vertical e rajadas de vento "GUST" (Amorim et. al., 1997), das medições e observações de superfície, medições de altitude, índices de instabilidade K, IS, Windex, Θ E e CAPE, além das observações dos pilotos. Esta última para diagnosticar os ventos associados a tempestades que causaram turbulência ou cisalhamento de vento (WS) intensos na região do Aeroporto Internacional de São Paulo (AISP), Guarulhos, objetivando auxiliar o seu Centro Meteorológico de Aeródromo na previsão destes fenômenos. Os Centros Meteorológicos de Aeródromo e de Vigilância do AISP são os responsáveis pela previsão do tempo e vigilância das áreas de maior tráfego aéreo do Brasil, situadas no norte e leste do Estado de São Paulo. Os fenômenos meteorológicos que mais afetam a operação dos aeroportos nesta área são: ventos fortes associados a tempestades (em todos os aeroportos) e nevoeiro (nos Aeroportos de Guarulhos e São José dos Campos). Avaliou-se neste estudo apenas os eventos de ventos intensos associados a tempestades ocorridos no AISP. A turbulência atmosférica é resultante do movimento irregular do fluxo de ar e pode ser gerada pela convecção, orografia, edificações, jato, frentes, movimentação de aeronaves (Moreira, 1996). Na aeronáutica, a turbulência é classificada em três categorias (Tabela 1), de acordo com sua intensidade e danos causados (Moreira, 1996): Intensidade LEVE MODERADO FORTE SEVERO Aceleração vertical / danos causados menor que 2 m s -2, sem alterações significativas em sua altitude entre 2 m s -2 a 5 m s -2, com mudança de altitude controlada Entre 5 m s -2 a 8 m s -2, com bruscas mudanças de altitude Superiores a 8 m s -2, aeronave fora de controle. Tabela 0 - Intensidade da aceleração vertical associada à turbulência (Moreira, 1996). Cisalhamento de Vento é qualquer mudança na direção e/ou na velocidade do vento em uma determinada distância, tanto na horizontal como na vertical. Em termos aeronáuticos, quer dizer uma variação significativa do 1943

2 vento e das correntes verticais ao longo da trajetória de vôo (International Civil Aviation Organization-ICAO, 1987). Cisalhamento de Vento também é chamado de Wind Shear (WS), cortante ou gradiente do vento e comumente denominado no meio aeronáutico de tesoura de vento. Existem vários fenômenos meteorológicos que produzem WS: frentes frias ou quentes, frentes de brisa, frentes de rajadas associadas a tempestades com nuvens do gênero Cumulonimbus (Cb), inversões de temperatura, ondas de montanha e terrenos acidentados, incluindo edificações. A intensidade do cisalhamento do vento na aviação é classificada de acordo com a variação do vento em uma determinada distância, como mostra a Tabela 2. Intensidade LEVE MODERADO FORTE SEVERO Cisalhamento do Vento 0 a 2,1 m s -1 em 30m (0 a 4 nós em 1 pés) 2,6 a 4,1 m s -1 em 30m (5 a 8 nós em 1 pés) 4,6 a 6,2 m s -1 em 30m (9 a nós em 1 pés) Acima de 6,2 m s -1 em 30m (mais de nós em 1 pés) Tabela 2 - Níveis de cisalhamento do vento determinados pela V Conferência de Navegação Aérea (ICAO, 1987). Normalmente os eventos severos estão associados a fortes correntes descendentes denominadas de microexplosões, que divergem horizontalmente ao chegarem à superfície e podem alcançar até 6 Km de distância. Estas correntes intensas se formam normalmente quando o ar na vizinhança da nuvem é relativamente seco. Este ar ao se entranhar na nuvem diminui a pressão de vapor de equilíbrio sobre as gotículas e gotas na nuvem. A evaporação dessas reduz a temperatura do ar na nuvem, aumentando a sua densidade. Este desequilíbrio hidrostático produz um movimento para baixo do ar relativamente denso e frio (Emanuel, 1981). A classificação da Tabela 2 possui algumas limitações (ICAO, 1987): Uma mesma intensidade de cisalhamento de vento pode afetar de forma diferente cada tipo de aeronave, dependendo de sua massa assim como a sua velocidade de passagem pelo fenômeno ou o tempo de exposição a ele; A intensidade do cisalhamento do vento, dada em termos de velocidade por distância, não é um dado prático, pois não fornece uma informação direta ao piloto. Na aeronave não existe nenhum instrumento que forneça esta medida; O cisalhamento mais perigoso está associado a fenômenos tipo microexplosões (microbusts), onde as três componentes do vento variam ao mesmo tempo, e esta classificação só considera variações horizontais; Os pilotos podem reportar a intensidade do fenômeno baseados em suas próprias experiências subjetivas. Ambos os fenômenos são similares e diferenciados pela intensidade relativa ao tamanho da aeronave e sua velocidade. O cisalhamento de vento altera a velocidade do ar com relação à aeronave e, conseqüentemente, a força de sustentação, resultando em um movimento ascendente ou descendente. A turbulência é similar ao cisalhamento do vento, porém de menor escala e coerência (rajadas ascendentes e descendentes turbulentas), sendo possível manter a rota do aeronave, mas o controle da mesma se reduz devido à trepidação (ICAO, 1987). Estes dois fenômenos são mais perigosos durante os procedimentos de aproximação, pouso e decolagem da aeronave, por causa do curto intervalo de tempo de detecção. MATERIAIS E MÉTODOS O procedimento metodológico foi desenvolvido nas seguintes etapas: Seleção de eventos de turbulência e cisalhamento de vento na região do AISP; Análise de freqüência dos eventos; Caracterização sinótica dos eventos utilizando-se as análises do vento, pressão, temperatura, convergência de umidade e convergência de massa do CPTEC, as imagens do Radar Meteorológico de São Paulo, incluindo a estimativa de rajada máxima (GUST), os dados de temperatura, vento, e precipitação na superfície, os dados de temperatura, umidade, vento em altitude, e as imagens de satélite; 1944

3 Obtenção de parâmetros derivados dos dados supra e comparação com as observações de turbulência e cisalhamento de vento fornecidas pelos pilotos; Síntese e procedimentos diagnósticos e prognósticos. A análise de freqüência dos eventos de WS e turbulência foi realizada a partir das observações dos pilotos no AISP no período de janeiro de 1994 a dezembro de Como ambos os fenômenos de WS e turbulência são similares e sua identificação depende do tamanho da aeronave e de sua velocidade, avaliou-se ambos em conjunto. Todas as ocorrências no intervalo de uma hora foram consideradas como um único evento. Selecionou-se os eventos de moderado a severo dos verões de 1998 e Os dados deste período são mais completos. As variáveis conservativas (Θ, Θ E e Θ ES ) e índices de instabilidade (K, IS, Windex, Θ E, CAPE e Número de Richardson Global) foram obtidos dos dados de sondagens no Aeroporto de Congonhas, São Paulo. A velocidade e direção do vento foram obtidas das análises do CPTEC. Os índices e variáveis estão relacionados na Tabela 3. Índice Descrição do índice Condição esperada Índice K K = (T 850-T 5)+(T D850-DEP 7) Valores de K 20 a 25 Cb isolados 25 a 30 Cb muito esparsos Índice de Showalter (IS) Θ E CAPE O índice K é proporcional à taxa de variação vertical de temperatura entre 850 e 5 e o conteúdo de umidade da baixa atmosfera e da extensão da camada úmida (BRASIL, MMA105-7, 1969). K é máximo quando a taxa de variação de temperatura é instável com umidade em abundância até 7mb (Beneti e Dias, 1986). IS = T 5- T 5 Indica a estabilidade da atmosfera e a probabilidade de ocorrência de tempestades (BRASIL, MMA105-7, 1969). Θ E = Θ Emáx- Θ Emim O perfil de Θ E indica o potencial de instabilidade convectiva da atmosfera. θ( Z) θ( Z) CAPE = g dz θ ( Z ) O CAPE indica a energia potencial convectiva disponível WINDEX (WI) 2 WI 5[ Hm * Rq *( Γ 30 + Q1 * Qm) ] 0, 5 Γ = se Γ 5,5 o CKm -1 WI =0, se Γ < 5,5 o CKm -1 onde: H m = altura do nível de fusão (Km) Rq = é proporcional a razão de mistura: se Q1 gkg -1 então Rq = Q1/ se Q1 > gkg -1 então Rq = 1 Γ = indica a taxa de variação vertical de temperatura da superfície até o nível de fusão Q1 = razão de mistura no primeiro Km a partir da superfície Qm =razão de mistura no nível de derretimento O WI indica massas de ar favoráveis à formação de microexplosões (Mc Cann, 1994). T sup Γ = H m O Γ indica a taxa de variação vertical de temperatura da superfície até o nível de fusão (Mc Cann, 1994). 30 a 35 Cb esparsos acima de 35 Cb numerosos Valores de IS 3 1 IS Valores de ΘE K alguma probabilidade de pancadas e trovoadas aumento da probabilidade de trovoadas tempestades severas possibilidade de ocorrência de um tornado tempestades tempestades com microexplosões Valores de CAPE 5 CAPE 10 m2s-2 convecção fraca 15 CAPE 25 m2s-2 convecção moderada CAPE 25 m2s-2 convecção forte Valores de WI 42 WI 57 microexplosões secas 52 WI 70 microexplosões úmidas Valores de Γ se Γ 5,5 ockm-1 existe potencial para a formação de rajadas em superfície 1945

4 Índice Descrição do índice Condição esperada Vm Valores de C C =, onde: 9 a s-1 existe potencial para a formação de h supercélulas Cisalhamento (C) Número de Richardson Global (R) Vm = vento médio na camada baixa da troposfera h = altura da camada u 1 = u 850 u10; v 1 = v v 10 u 2 = u 7 u 850, v 2 = v 70 - v 850 u 3 = u 5-u7, v 3 = v 5 - v 7 u m = (u 1+u 2+u 3)/3; v m = (v 1+v 2+v 3)/3 V m = (u 2 m + v 2 m ) 1/2 O cisalhamento vertical do vento em níveis baixos é importante para o desenvolvimento de estruturas tipo supercélulas. 2 CAPE * U Valores de R R = 10 R 40 supercélulas 2 R > 30 multicélulas U = U 1 U 2 R > 40 células ordinárias V10 * ln U1 = ln 850 U 2 V = 850 ( 10 ) + V ln( 850 ) ( 10 ) + ln ( 850 ) ( 850) + V7 ln* ( 7) + V * ln( 5) ln( 850) + ln( 7) + ln(5) * ln 5 O R é um parâmetro que integra a energia potencial disponível e a diferença entre o vento médio troposférico próximo à superfície e na média troposfera e indica o tipo de convecção mais provável e não necessariamente sua severidade (Weisman e Klemp, 1982). GUST GUST = (αvil* - β(et) 2 ) 1/2 [m s -1 ] Onde: VIL = integração do conteúdo de água líquida do echo top da base até a altura do top ET = altura do topo da nuvem; α e β são constantes O GUST é uma estimativa de rajada máxima em superfície (RMSP) baseada no conteúdo de água líquida (Emmanuel, 1981 Stewart, 1901). Tabela 3 - Índices de instabilidade e variáveis utilizadas na presente pesquisa RESULTADOS 1.1 Análise de Freqüência dos Eventos No período entre janeiro de 1994 a dezembro de 1999, observou-se que a turbulência e cisalhamento do vento são mais freqüentes nos meses de dezembro, janeiro e fevereiro. Há picos secundários nos meses de junho, setembro e outubro. Os eventos estão em geral associados a células convectivas ordinárias. O número de arremetidas por causa de turbulência e cisalhamento do vento é maior nos meses de dezembro, janeiro, fevereiro e março. Houve 26 ocorrências de turbulência e cisalhamento do vento no mês de junho de 1997, porém apenas houve uma arremetida. Nos meses de dezembro, janeiro, fevereiro e março, de uma média mensal de 14 ocorrências, houve 5 arremetidas em média por causa de WS ou turbulência, células convectivas ou chuva forte. Portanto, estes fenômenos são mais significativos no verão. A origem de WS e turbulência foi analisada a partir da situação sinótica e da ocorrência de células convectivas na área do aeroporto num intervalo de 3 horas antes da ocorrência de WS e turbulência (Tabela 4). Três situações sinóticas foram consideradas (frontal, pré-frontal e pós-frontal), por meio das imagens de satélite e dos dados de superfície da Estação Meteorológica do AISP. 1946

5 Tabela 4 - Situação Sinótica Com Cb Sem Cb Total Pré Frontal 19 (41 %) 8 (17 %) 27 (58 %) Pós Frontal 6 (13 %) 4 (8 %) 10 (21 %) Frente 10 (21 %) 0 (0 %) 10 (21 %) Total 35 (75 %) (25 %) 47 eventos Freqüência de WS e turbulência para três situações sinóticas e respectivas ocorrências de células convectivas no AISP no período de janeiro a março de A maior parte dos eventos de WS e/ou turbulência (75 %) esta associada a presença de nuvens tipo Cb. Houve predominância do fenômeno na situação sinótica pré-frontal (58 %). Dos eventos sem Cb (25 %), 8 estavam associados a ventos do quadrante de NW com intensidade superior a 4 m s -1 (8 nós). Ventos de NW são perpendiculares à Serra da Mantiqueira e geram turbulência orográfica. Porém, 4 eventos sem Cb, estavam associados com ventos de SE. Neste trabalho estudou-se apenas os casos com Cb, devido à sua maior freqüência. Das três condições sinóticas, os eventos pós-frontais são mais difíceis de prognosticar, por não apresentarem condições favoráveis à formação de Cb. Analisou-se os eventos dos dias 16//1997, 01 e 15/01/1998, 15/02/1998, 08/03/1998 (Fogaccia et al., 1988) e 04/02/1999 (Tabela 5). Parâmetro 16//97 01/01/98 15/01/98 15/02/98 08/03/98 04/02/99 K IS (Showalter) Θ E ( o K) CAPE (m 2 s -2 ) Windex Γ Cisalhamento (s -1 ) Richardson Situação sinótica Observações do Piloto GUST m s -1 (estimado pelo radar) Vento em Superfície 1)Velocidade média 2) máxima Rajada Tabela ,1 4,3 1,6 0,7 0,4 1,5-0,6-0,2 3,4-0,6-0,4-0,4 SD ,17 5,19 5,40 5,79 7,19 6,42 5,60 6,30 6,74 6,46 6,24 6, SD SD SD SD SD SD SD SD SD SD SD SD Pós frontal Aproximação de frente fria Aproximação de frente fria 17: WS 16:20 Turbulência Moderada Pós Frontal 17:05 Turbulência Moderada 17:40 e 17:55, duas arremetidas devido a turbulência e chuva forte Aproximação de frente fria 20:21 e 20:54, duas arremetidas devido a WS e presença de Cb 21: 43 WS Alta pressão 18:22 uma arremetida devido a variação na direção do vento 16 a 18 5 a 8 18 a 20 S.D. 27 a a 24 1) 17:13-6,2 m s -1 (Kt) 2) ) 17: - 8,7 m s - 1 (17Kt) 2) ) 19:30-11,3 m s -1 (22Kt) 2) 19:30-18,0 m s -1 (35Kt) 1) 17:07-7,2 m s -1 (14Kt) 2) ) 21:05-14,4 m s -1 (28Kt) 2) 21:05-25,2 m s -1 (49Kt) Resumo dos parâmetros estimados nos eventos analisados (S.D. indica sem dados). 1) 21:30-15,4 m s -1 (30Kt) 2) 21:30-26,7 m s -1 (52Kt) 1947

6 A maioria dos eventos possui valores de K associados a ocorrência de Cbs esparsos. Resultados de Beneti e Dias (1986) indicam valores máximo, médio e mínimo de 25,7, 11,9 e -9,5, respectivamente. Neste trabalho obteve-se um valor máximo de 35 acima superior ao de Beneti e Dias (1986). O índice de Showalter indicou ausência de tempestades severas ou tornados. A maioria dos eventos analisados possue valores do Θ E superiores a 20 K, indicando probabilidade de tempestades com microexplosões. Apenas o evento de 08/03/98 apresentou condição favorável à convecção forte. O índice Windex indicou formação de microexplosões secas na maioria dos casos, exceto para o evento de 08/03/98. Todos os eventos apresentaram condições favoráveis à formação de rajadas de vento em superfície. O Cisalhamento do vento de todos os casos não foi significativo, provavelmente devido à utilização da análise suavizada dos modelos do CPTEC. O Número de Richardson Global de todos os eventos foi muito alto, provavelmente devido ao vento médio muito fraco, indicando apenas a probabilidade de formação de células ordinárias. A variável GUST obtida com os dados do radar Meteorológico de São Paulo apresentou valores de rajadas máxima em superfície próximos aos valores máximos observados. Somente no evento de 16//97 superestimou-se em 10 m s -1 o vento observado. Nos demais eventos estudados a diferença entre o estimado e o medido não passou de 3 m s -1. CONCLUSÕES O eventos de cisalhamento do vento e turbulência, para os eventos de janeiro a março de 1998, foram associados a células convectivas na maior parte das vezes (75 %). Observou-se que, mesmo em situações pósfrontais, houve formação de cisalhamento do vento e turbulência. O radar meteorológico, para estes casos associados a células do tipo Cb, se mostrou uma ferramenta muito útil no monitoramento das células convectivas. A variável GUST pode auxiliar na detecção de WS e turbulência. Nos casos estudados não houve cisalhamento vertical do vento com uma intensidade favorável à formação e manutenção de sistemas de tempestades severas, o que resultou na observação apenas de células convectivas ordinárias. Nestes casos, o Número de Richardson Global não parece ser um variável importante para a previsibilidade de cisalhamento do vento e turbulência. Já o índice WI e o parâmetro Θ E medidos apresentaram, na maioria dos eventos, valores que indicam a formação de micro-explosões ou ocorrência de ventos fortes. Observou-se que em alguns eventos (01/01/98, 15/02/98 e 04/02/99) houve uma mudança na direção do vento numa das cabeceiras da pista do AISP, em torno de 1 hora antes da ocorrência de cisalhamento do vento ou turbulência, devido à aproximação das células. Esta observação pode auxiliar a previsão do fenômeno. Ressalta-se que células ordinárias, as mais freqüentes, também afetam a operação do AISP. AGRADECIMENTOS A INFRAERO, ao IAG-USP, ao DAEE/FCTH e ao CPTEC pelo apoio a pesquisa e pela cessão dos dados. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AMORIM, W. C. M.; MASSAMBANI, O.; ZAWADZKI, I. An evaluation of the predicted pulse-type thunderstorm gusts using horizontal divergence field from doppler radar data. In: CONFERENCE ON RADAR METEOROLOGY, 28., 7- Sept. 1997, Austin. Preprints..., p BENETTI, C. A. A..; DIAS, M. A. F. S. Análise da performance dos índices de instabilidade como previsores de tempestades na região de São Paulo. In : CONGRESSO BRASILEIRO DE METEOROLOGIA, 4, Brasília, out Belo Horizonte : Sociedade Brasileira de Meteorologia, v.2, p BRASIL. Ministério da Aeronáutica. Diretoria de Rotas Aérea.. Manual de análise do diagrama Skew-T, Log P. MMA Rio de Janeiro, 1 p., 2 julho, EMANUEL, K. A. A similarity theory for unsaturated downdrafts within clouds. Journal of the Atmospheric Sciences. Lancaster : American Meteorological Society. v. 38, p , aug., FOGACCIA, C. V. C.; PEREIRA FILHO, A. J., BARROS, M. T. L. Ventos intensos associados a células convectivas ordinárias: impacto aeronáutico. In : CONGRESSO BRASILEIRO DE METEOROLOGIA, 10, CONGRESSO DA FLISMET, 8, 26-30, out. 1998, Brasília, CD-ROM, MM

7 INTERNATIONAL CIVIL AVIATION ORGANIZATION. Wind shear, Montreal, Circular 186- AN/2, p. (ICAO Circular). MACCANN, D. W. A new index for forecasting microburst potential. Weather and Forecasting, v.9, p , dec MOREIRA, M. H. Meteorologia Aeronáutica 2. SIPAER. Plano de Vôo. Aeroportos e Proteção ao Vôo. São Paulo, n. 36, p , nov STEWART, S. R. The prediction of pulse-type thunderstorm gusts using vertically integrated liquid water content (VIL) and the cloud top penetrative downdraft mechanism. NOAA Technical Memorandum NWS SR 136, Oklahoma, 20 pp., WEISMAN, M. L. ; KLEMP, J. B. The dependence of numerically simulated convective storms on vertical wind shear and buoyancy. Monthly Weather Review. London : v. 110, p jun