Estudo da Influencia dos Efeitos da Brisa Marítima Sobre a Ilha de Calor Urbana na Região Metropolitana do Rio de Janeiro Utilizando o Modelo MM5

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1 Estudo da Influencia dos Efeitos da Brisa Marítima Sobre a Ilha de Calor Urbana na Região Metropolitana do Rio de Janeiro Utilizando o Modelo MM5 Fernanda Cristina Oliveira Tayt-Sohn 1, Nilton Oliveira Moraes 2, Edilson Marton 3, Luiz Claudio Gomes Pimentel Aluna de Graduação em Meteorologia - Universidade Federal do Rio de Janeiro, Departamento de Meteorologia, DMET Av. Prof. Athos da Silveira, Rio de Janeiro - RJ. CEP: , Rio de Janeiro - RJ. fernanda@lamma.ufrj.br 2 MSc. em Ciências em Engenharia Mecânica Universidade Federal do Rio de Janeiro - UFRJ, Departamento de Meteorologia-DMET, Av. Athos da Silveira, Rio de Janeiro RJ. CEP: , Rio de Janeiro RJ. moraes.nilton@gmail.com 3 - Universidade Federal do Rio de Janeiro UFRJ-, Departamento de Meteorologia-DMET, Av. Athos da Silveira, Rio de Janeiro RJ. CEP: , Rio de Janeiro RJ. emarton@gmail.com, pimentel65@gmail.com ABSTRACT: Interactions between the sea breeze circulation and the Urban Heat Island (UHI) are analyzed in this assignment using mesoscale model MM5.With the intention of to verify how much this interaction influence in the dissipation of the UHI in the Metropolitan Region of Rio de Janeiro (MRRJ). The period that we studied was since 4 until 12 of September, where occurs together of it the actuation of South Atlantic High Subtropical (SAHS) in the MRRJ. The results showed that a UHI in the MRRJ was most intense at 18Z, perhaps whenever exist an actuation of the sea breeze, this one helps to the desintensification of UHI. The sea breeze depending on of your intensity e your penetration in the MRRJ may be an efficient mechanism in the creation, desintensification and location of UHI. However the vertical structure of the sea breeze circulation and your influence in the UHI have the necessity of been investigating in the future using the observational data and atmospheric modeling. Palavras-chave: Ilha de Calor Urbana, Brisa Marítima, MM5. 1 INTRODUÇÃO As Regiões Metropolitanas possuem um microclima bastante modificado, devido à urbanização e a concentração de poluentes, que por sua vez alteram drasticamente a distribuição espacial e temporal do campo de temperatura (LOMBARDO, 1985; HENDERSON-SELLERS E ROBISON, 1999). Como exemplo pode-se citar a Região Metropolitana do Rio de Janeiro (RMRJ) que possui uma alta densidade populacional e um grau de industrialização bastante elevado, e assim provoca uma grande concentração de fontes poluidoras (PIRES, 2005). Uma das conseqüências gerada por esse processo de urbanização é o fenômeno da Ilha de Calor Urbana (VIANA TEZA e MELLO BAPTISTA, 2005). A Ilha de Calor Urbana (ICU) é formada devido à intensificação da temperatura nas zonas urbanizadas, onde estas sofrem bastantes modificações antropogênicas, em comparação com as zonas periféricas ou rurais, conduzindo a formação de um gradiente horizontal de temperatura (STULL,1988; OKE, 1982). Dentre os principais fatores que controlam o mecanismo de formação e desintensificação da ICU, destacam-se: a caracterização da cidade (corpos d água,

2 vegetação, uso do solo, arquitetura e fontes antropogênicas), a localização geográfica, a topografia, a climatologia urbana, a sazonalidade e as condições sinóticas da atmosfera (OKE, 1982). Além disso, estudos mostram que existe uma necessidade de se inserir a influência dos efeitos das circulações de mesoescala e da escala sinótica no estudo desses fenômenos (MORAES et al, 2008; FREITAS et al, 2007). Conhecida a problemática da ICU que além de modificar as características meteorológicas da região, causa o desconforto térmico e problemas na saúde, torna-se de fundamental importância do estudo do fenômeno de ICU e suas interações para um melhor planejamento urbano. O objetivo do trabalho é avaliar a influência dos efeitos da circulação da brisa marítima no processo de formação e desintensificação da ICU na RMRJ, a partir da modelagem numérica. 2 - MATERIAL E MÉTODOS Neste trabalho realizou-se uma síntese dos sistemas sinóticos que atuaram na região Sudeste no mês de Setembro de Para esta análise foram utilizadas Cartas Sinóticas da Divisão de Hidrografia e Navegação da Marinha (DHN), imagens do satélite GOES-10 no canal infravermelho do Centro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos (CPTEC) e os dados de reanálise do National Center for Environment Prediction (NCEP). Com base nessa análise foi escolhido um período de estudo compreendido entre os dias 04 e 12, período que ocorreu a atuação e predomínio da Alta Subtropical do Atlântico Sul (ASAS) que têm a característica de ventos sinóticos de baixa intensidade, permitindo que o efeito de brisa marítima fique mais evidente. Figura 1 - Domínios utilizados nas simulações com modelo MM5. Em seguida, foi realizada uma nova análise, desta vez diária, tendo como objetivo apresentar as condições sinóticas e de mesoescala que estavam influenciando o Estado do Rio de Janeiro. Após ser determinado o período foram feitas simulações com modelo meteorológico Mesoscale Modeling System (MM5), no qual se utilizou 4 domínios (figura1) sendo o primeiro o mais abrangente e de menor resolução espacial e outros três domínios aninhados, com resoluções espaciais horizontais decaindo na proporção de 3:1(37,12.3, 4.1, 1.37 Km), para que a interação bidirecional ( two-way ) entre os domínios seja feita com sucesso pelo modelo MM5. As grades foram aninhadas de forma que o domínio de número 3 (resolução de 4,1 km) abrangesse a Baía de Sepetiba e a Baía de Guanabara, e o domínio 4 (resolução 1,37 km) englobasse os Maciços do Gericinó, Pedra Branca e da Tijuca. O domínio maior é centrado na latitude de 22,73 S e longitude de 43,17 W, próximo ao aeroporto do Galeão. Todos os domínios foram configurados com 52 níveis sigma na vertical. As parametrizações utilizadas foram: Cumulus (modelo de Grell), microfísica de nuvens(simple Ice), radiação(esquema de radiação de nuvem), Solo ( Noah) e camada limite

3 atmosférica(esquema Eta). Os dados meteorológicos para a inicialização do MM5 são provenientes do modelo Global Forecast System (GFS) que possuem uma resolução espacial de 0,5 e uma resolução temporal de 3 horas. No horário das 00Z os dados são referentes à análise e nos horários das 03, 06, 09, 12, 15, 18 e 21Z são referentes à previsão. A partir dos resultados das simulações gerou-se campos de temperatura e de vento para o domínio 3 com o objetivo de identificar a localização da ICU e os efeitos da circulação dos ventos sobre o fenômeno de ICU. 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO O período entre os dias 04 e 12 de Setembro é caracterizado pela atuação marcante da ASAS, sistema que influencia na intensificação do fenômeno de ilha calor urbana. Além disso, os ventos fracos de nordeste oriundos da circulação da ASAS são propícios ao desenvolvimento da ICU, pois ventos fortes misturam o ar das regiões urbanas com o ar das regiões suburbanas e rurais. A análise temporal e espacial dos campos de temperatura do ar mostra que na RMRJ as temperaturas são mais elevadas que nas outras regiões, devido ao balanço de energia decorrente do tipo de uso do solo utilizado. Após a análise diária do período, identificamos o dia 06 como representativo da ICU sob a atuação da ASAS e o dia 09 como uma situação discrepante, em que a marcante atuação da brisa marítima inibiu a intensificação da ICU, mesmo sob o domínio do sistema sinótico de alta pressão. No horário das 15Z (figura 2(a)), temperaturas elevadas aparecem em uma área maior que a RMRJ, mas o pico de temperatura surge no norte da RMRJ em torno do maciço do Mendanha formando a ICU, em razão dos diferentes balanços de energia entre a área urbana e áreas não urbanas. Com o aumento do gradiente de temperatura surgiu a brisa marítima que intensificou os ventos em áreas da RMRJ. Apesar do aumento na intensidade dos ventos em quase todas as áreas, entre os maciços os ventos são fracos e essa característica propicia a manutenção da temperatura elevada, pois dificulta a mistura do ar mais quente com o ar menos quente nos arredores. Fatores que podem influenciar a ocorrência de ventos fracos e calmaria na RMRJ são a topografia, principalmente a presença dos maciços e a alta rugosidade nas regiões urbanas. Às 18Z (figura2(b)), a ICU está mais intensa no norte da RMRJ sendo também observado um aumento da temperatura na parte leste da RMRJ (leste da Baía de Guanabara). Na área leste da RMRJ, observa-se uma circulação ciclônica formada pelos ventos de sul na Baía de Guanabara e ventos de norte na área leste da RMRJ, possivelmente influenciados pela formação de um sistema na escala local associado a uma baixa térmica produzida pelo aumento de temperatura na área. O efeito da brisa marítima no litoral conduz à temperaturas mais amenas em relação a outras partes da RMRJ. Na figura 2(c), no horário das 21Z, nota-se que a temperatura permanece mais elevada no norte da RMRJ, devido a desintensificação da brisa e da ocorrência de ventos fracos e calmaria na região. Na parte leste da RMRJ nota-se uma mistura mais eficiente com ventos mais intensos e temperatura mais amena. No dia 09 a formação da ICU ocorreu de maneira menos intensa devido a mudanças na circulação atmosférica sobre a RMRJ, influenciada pela intensificação da brisa marítima. No horário das 15Z(figura2(d)) a brisa marítima está intensa e o aquecimento não é elevado no RJ em relação ao dia 06, como destacado nas figuras 2(a) e 2(d), referente às 15Z. A intensidade da brisa marítima faz com que ocorra uma eficiente mistura do ar por toda a RMRJ e um maior transporte de ar frio na RMRJ, não permitindo a elevação da temperatura conforme o observado no dia 06. Essa intensidade da brisa altera a circulação na RMRJ, perturbando os ventos oriundos da Serra dos Órgãos (localizada ao Norte da RMRJ), modificando o transporte de ar frio da Serra dos Órgãos em direção ao norte da RMRJ. Às 18Z (figura2(e)) a brisa marítima permanece atuando de forma intensa e apenas uma pequena elevação na temperatura ocorreu na área noroeste da RMRJ. Na figura 2(f) às 21Z, não se

4 nota temperaturas maiores que 28 C ao contrário do ocorrido às 21Z do dia 06 com temperaturas elevadas e ventos fracos (figura 2(c)). Figura 2: Campo de temperatura em C (sombreado) e vento(vetor) simulados pelo MM5: dia 06/09 (a)15z ; (b)18z ; (c)21z ; dia 09/09 (d) 15Z; (e)18z e (f)21z. 4 CONCLUSÕES No dia 06 nota-se que as temperaturas elevadas ocorreram em uma área com maior abrangência do que a RMRJ, com pico de temperatura localizado no norte da RMRJ na proximidade do maciço do Mendanha. Na parte leste da RMRJ observou uma circulação formada com uma possível influencia de um sistema de baixa térmica local. Próximo ao litoral as temperaturas estavam mais amenas que as outras partes da RMRJ por causa da brisa marítima. Às 21Z a temperatura ainda se encontrava elevada no norte da RMRJ pela

5 desintensificação da brisa e pelos fracos ventos de leste. Para o dia 09 o escoamento de norte oriundo da Serra dos Órgãos não foi tão intenso sobre o norte da RMRJ, invertendo a circulação nessa área da RMRJ. Nota-se que a brisa marítima foi mais intensa e não permitiu o aquecimento tão elevado conforme o dia 06, devido ao transporte de ar frio para a RMRJ. Desta forma, como visto nos dias 06 e 09, a brisa marítima dependendo da intensidade e da penetração na RMRJ, pode ser um eficiente mecanismo na formação, desintensificação e localização da ICU na RMRJ. 5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS DUDHIA, J.; GILL, D.; GUO, Y.; MANNING, K.; WANG, W. CHISZAR, J. Mesoscale Modeling System Tutorial Class Notes and User s Guide: MM5 Modeling System Version 3, PSU/NCAR. 255 p., FREITAS, E.D.; SILVA DIAS, P.L; ROZOFF, C.M; COTTON, W.R. Interactions of an urban heat island and sea-breeze circulations during winter over the metropolitan area of São Paulo, Brazil. Boundary-Layer Meteorology, v.122, p , 2007 GRELL, G. A.; DUDHIA, J., STAUFFER, D. R. A Description of the Fifth Generation Penn State/ NCAR Mesoscale Model (MM5). NCAR Technical NOTE, NCAR/TN- 398+STR, 117 P., HENDERSON-SELLERS, A., ROBINSON, P. Contemporary Climatology. 2ª ed., Publisher:Prentice Hall, LOMBARDO, M. A. Ilha de Calor nas Metrópoles: O Exemplo de São Paulo. 1ª ed., São Paulo, Ed. HUCITEC, 1985 MORAES, M. S. Modelagem do Mecanismo de Formação e Desintensificação de Ilha de Calor na Região Metropolitana do Rio de Janeiro. Dissertação de Mestrado, COPPE, Universidade Federal do Rio de Janeiro, 113 p., OKE, T. K. Canyon geometry and the nocturnal urban heat island: comparison of scale model and field observation. Journal Climatology, v. 1, p , PIRES, D. O. Inventário de Emissões Atmosféricas de Fontes Estacionárias e sua Contribuição para a Poluição do Ar na Região Metropolitana do Rio de Janeiro. Dissertação de Mestrado, COPPE, Universidade Federal do Rio de Janeiro, 188 pp, STULL, R. B. An Introduction to Boundary Layer Meteorology. 1ª ed., Massachusetts, Kluwer Academic Norwell, VIANNA TEZA, C.T, MELLO BAPTISTA, G.M. Identificação do fenômeno ilhas urbanas de calor por meio de dados ASTER (III): Metrópoles Brasileiras, Anais... XII Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, Goiânia, Brasil, INPE, p , 2005.