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

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1 EXPERIMENTO DE MICROFÍSICA DE NUVENS EMfiN! Alexandre Araújo Costa 1, José Carlos Parente de Oliveira 2, Carlos Jacinto de Oliveira 1, Francisco Geraldo de Melo Pinheiro 1,3, Luiz Augusto Toledo Machado 4, Roberto Lage Guedes 4, Emerson Mariano da Silva 1, Marcony Silva Cunha 1, Gérson Paiva Almeida 1, Raul Fritz Bechtel Teixeira 3, David Ferran Moncunill 3 1 Universidade Estadual do Ceará - UECE 2 Universidade Federal do Ceará - UFC 3 Fundação Cearense de Meteorologia e Recursos Hídricos - FUNCEME 4 Centro Técnico Aeroespacial - CTA Endereço: Av. Paranjana, 1700, Campus do Itaperi, Departamento de Física e Química. CEP Fortaleza- CE, Brasil. acosta@uece.br ABSTRACT EMfiN!, the Experimento de Microfísica de Nuvens (Cloud Microphysics Experiment) is a research project, initiated in 2002, with the general purpose of investigating the microstructure of clouds over Brazil. The first EMfiN! s intensive observing period (IOP) was carried out on April 02-11, comprising aircraft, radar, and radiosonde observations in Ceará state. Large-scale analyses, satellite images and raingauge and surface station observations complemented EMfiN! s dataset. In the present paper, EMfiN! s rationale and objectives are presented and the major observation platforms are described. A summary of the activities during EMfiN! s IOP is also shown. 1. Introdução É reconhecido que o clima, em escalas global, regional e local, é fortemente influenciado pela cobertura de nuvens e suas propriedades microfísicas e ópticas. Do ponto de vista da transferência radiativa, as nuvens cumprem um papel muito importante no balanço de energia. Ao mesmo tempo, o ciclo energético global, com destaque para o transporte de energia dos trópicos para os pólos, tem como uma de suas componentes principais a liberação de calor latente em nuvens convectivas tropicais. Os processos microfísicos, em particular, representam, hoje em dia, uma das incertezas mais cruciais no entendimento da convecção tropical (como discutido, por exemplo, por Grabowski et al., 1999, Wu et al., 1999). A questão reside no fato de, em última instância, ser ao nível dos processos microfísicos que é liberada grande parte da energia necessária para os movimentos atmosféricos nos trópicos. Tanto as propriedades radiativas das nuvens como o albedo, como os perfis de aquecimento associados a elas (por exemplo, as diferentes assinaturas termodinâmicas de colunas convectivas e estratiformes descritas por Houze 1989; Lin and Johnson 1996; etc.) dependem intimamente de sua microfísica (concentração, dimensão, tipo e distribuição por tamanho de hidrometeoros). A eficiência da precipitação em nuvens convectivas também depende de sua microfísica, já que a conversão da gotícula de nuvem em gota precipitante é função da concentração e tamanho das gotículas, que são, eles próprios, determinados pelas características dos núcleos de condensação (Oliveira and Vali, 1995; Brenguier and Grabowski, 1993). Daí, uma correta representação dos processos físicos envolvendo nuvens e sua interação com a circulação atmosférica em escalas maiores é condição essencial para que modelos de circulação geral, por exemplo, possam oferecer bons resultados em previsão climática e simulações de mudança climática global. A necessidade clara de se obter dados da estrutura dinâmica, termodinâmica e microfísica para calibrar e/ou desenvolver parametrizações físicas contrasta, no entanto, com o número restrito de observações relativas à Física de Nuvens, coletadas no Brasil. Somente o Experimento do Ceará (Costa et al. 2000) e a campanha do TRMM- LBA (Tropical Rainfall Measuring Mission Large-Scale Biosphere-Atmosphere Experiment in Amazônia) Com o propósito geral de obter dados de microfísica em sistema de nuvens tropicais, permitindo desde o estudo da relação entre os núcleos de condensação e a microestrutura de nuvens até a interação destas com a estrutura termodinâmica do ambiente de grande escala, um projeto de pesquisa foi inaugurado em 2002 o Experimento de Microfísica de Nuvens, EMfiN!. Seus objetivos específicos incluem: 1. Coletar dados referentes às propriedades microfísicas de nuvens (por exemplo, concentração e diâmetro médio de hidrometeoros) sobre o território brasileiro; 2. Avaliar e quantificar como diferentes fontes de aerossóis influenciam a microestrutura das nuvens; 3. Estudar mecanismos de formação de precipitação; 4. Determinar funções-distribuição de hidrometeoros (particularmente gotículas de nuvem e gotas de chuva) características, como base para o desenvolvimento e/ou 3164

2 calibração de parametrizações físicas em modelos atmosféricos; 5. Investigar diferenças nas propriedades microfísicas, dinâmicas e termodinâmicas das nuvens como função da estabilidade vertical e do escoamento de grande escala. Neste contexto, o primeiro Período de Observação Intensiva do EMfiN! (1 o POI-EMfiN!), primeira campanha concretizada como parte deste experimento, foi realizada sobre o estado do Ceará, envolvendo um conjunto de instituições: a Universidade Estadual do Ceará UECE, a Universidade Federal do Ceará UFC, o Centro Técnico Aeroespacial CTA e a Fundação Cearense de Meteorologia e Recursos Hídricos FUNCEME. Conjuntamente, foi realizada a primeira campanha de um Experimento de Semeadura de Nuvens. Este experimento conjunto também visa atender a uma campanha de coleta intensiva de dados prevista pelo Projeto de Física de Nuvens (PROFIN) desenvolvido pelo CTA. O presente artigo visa apresentar as principais plataformas de observação do 1 o POI-EMfiN! e mostrar um sumário das atividades realizadas durante a campanha. 2. Fundamentação O Norte do Nordeste Brasileiro (NEB) compreende uma região semi-árida, cuja climatologia foi extensamente explorada na literatura (por exemplo, Ramos, 1975, Hastenrath and Heller, 1977, Kousky and Chu, 1978, Sperber and Hameed, 1993, Hastenrath and Greischar, 1993). No norte do NEB, a precipitação se concentra na estação chuvosa (Fevereiro a Maio), graças ao deslocamento ao sul da Zona de Convergência Intertropical (ITCZ). Mesmo durante esse período, a atividade convectiva apresenta variabilidade espaço-temporal significativa. Parte desta variabilidade se deve a forçantes de superfície heterogêneos (por exemplo, efeitos topográficos, contrastes terra-mar, etc.); parte está associada a modulações que incluem desde o ciclo diurno até oscilações intrasazonais (como a oscilação Madden-Julian). Como conseqüência, uma multiplicidade de condições de tempo pode ser encontrada durante a estação chuvosa do NEB, de tempestades convectivas severas a convecção suprimida com atmosfera relativamente estável e baixa nebulosidade. Em decorrência, diferentes tipos de nuvens se formam, desde nuvens convectivas profundas isoladas ou inseridas em sistemas de mesoescala até nuvens rasas do tipo cumulus humilis ou stratocumulus. Um estudo prévio da microestrutura de nuvens sobre o NEB (Costa et al. 2000) sugere que diferentes fontes de aerossóis acrescentam uma outra fonte de variabilidade dos parâmetros microfísicos. Assim como foi observado por diversos autores em outras regiões, Costa et al. (2000) mostraram que, sobre o NEB, nuvens cumulus de origem marítima, costeira, continental e urbana apresentam diferenças significativas em suas microestruturas (por exemplo, na concentração e diâmetro de gotículas e na forma da função-distribuição). De acordo com Costa et al. (2000), os quatro diferentes regimes microfísicos sobre o Ceará podem ser representados conforme a Figura 1: sobre o Oceano Atlântico, representando nuvens com características tipicamente marítimas (indicada pelo algarismo 1 na Figura); ao longo da costa do Ceará, que é uma zona de transição mar-continente (indicada pelo algarismo 2); no interior do estado, em que se espera encontrar nuvens tipicamente continentais (indicado pelo algarismo 3) e sobre a cidade de Fortaleza, em que são esperados efeitos antropogênicos próprios de uma metrópole (indicado pelo algarismo 4)

3 Figura 1 - Mapa indicando as regiões em que se concentram os esforços do 1 o POI-EMfiN!. Os números correspondem a regiões com diferentes regimes microfísicos (Costa et al., 2000), a saber: marítimo (1), costeiro (2), continental (3) e urbano (4). O círculo indica a área de alcance do radar meteorológico. 3. Instrumentação A instrumentação utilizada no 1 o POI-EMfiN! inclui uma aeronave instrumentada para microfísica de nuvens, um radar meteorológico e uma estação de radiossonda. Dados complementares aos obtidos por estas três plataformas incluem análises de grande escala, imagens de satélite e observações de pluviômetros e de uma estação automática de superfície O Avião-Laboratório A aeronave instrumentada utilizada neste experimento é o Avião-Laboratório para Pesquisas Atmosféricas (ALPA), da UECE. Trata-se de um Bandeirante modificado para pesquisa, mostrado na Figura 2, equipado com um sistema de posicionamento global (Global Positioning System, GPS), sensores de pressão estática e dinâmica, temperatura, temperatura do ponto de orvalho e água líquida, um contador de núcleos de condensação de nuvens (Cloud Condensation Nucleous Counter, CCNC), e três sondas espectrométricas (Forward-Scattering Spectrometer Probe FSSP-100, Optical Array Probe OAP-200X, and Optical Array Probe OAP-200Y). A Tabela 1 mostra uma lista detalhada da instrumentação instalada no ALPA. Figura 2 Fotografia do Avião Laboratório para Pesquisas Atmosféricas da Universidade Estadual do Ceará (ALPA/UECE) Tabela 1 Instrumentação a bordo do ALPA Parâmetro Medido Sensor(es) Temperatura Rosemount 102AU1AF Pressão Estática Rosemount 1201F Pressão Dinâmica Rosemount 1221F Latitude e Longitude Trimble GPS Temperatura do Ponto de Orvalho EG&G 137-C3-S3 Água Líquida Csiro-King LWC, Johnson Williams CT43 Aerossóis CCNC UW 83-1 Hidrometeoros FSSP-100, OAP-200X, OAP-200Y Radiação de Onda Curta EPPLEY PEP Radiação de Onda Longa EPPLEY PEP 3166

4 Dentre os equipamentos listados na Tabela 2, as sondas espectrométricas merecem destaque, uma vez que é através delas que se obtêm dados referentes às funções-distribuição de hidrometeoros. A sonda FSSP classifica gotículas de nuvem por tamanho, em 15 categorias, no intervalo de 2 a 47 µm. Tal classificação se dá com base na radiação espalhada pela gotícula ao atravessar a região central de um feixe LASER. No ALPA, a FSSP é instalada ao lado dos sensores de água líquida, conforme a Figura 3a (Csiro-King e Johnson-Williams à esquerda e FSSP- 100 à direita). As sondas ópticas 200X e 200Y guardam algumas semelhanças com a FSSP no que diz respeito à classificação das gotas em categorias pelo sistema óptico. O tamanho das gotas é medido por um arranjo linear de fotodiodos sensíveis às "sombras" das gotas que passam através do campo visual do feixe LASER. A sonda 200X é capaz de medir e classificar gotas no intervalo de 30 µm a 450 µm de diâmetro, enquanto que a sonda 200Y mede e classifica as gotículas no intervalo de 300 µm a 4 mm de diâmetro. Os parâmetros microfísicos obtidos pelas sondas 200X e 200Y são calculados usando as mesmas expressões matemáticas para os parâmetros obtido pela sonda FSSP. No ALPA, estas sondas são instaladas conforme a Figura 3b (OAP-200X ao fundo e OAP-200Y à frente). (a) (b) Figura 3 Fotografia dos sensores instalados (a) na asa esquerda (sensores de água líquida e sonda FSSP-100) e (b) na asa direita do ALPA (sondas OAP-200X e OAP-200Y) 3.2 O Radar Meteorológico Juntamente com o avião instrumentado, outra plataforma de grande relevância para estudos em Física de Nuvens envolvida no 1 o POI-EMfiN! é o radar meteorológico banda X da FUNCEME. O radar está localizado em Fortaleza, no Campus do Itaperi da UECE. Suas instalações e sua área de cobertura são mostradas na Figura

5 Figura 4 À esquerda, radar meteorológico banda X da FUNCEME, instalado no Campus do Itaperi, da UECE; à direita, área de cobertura do radar, no range de 120 km. 3.3 Estação de radiossondagem Com o objetivo de se obter as características da estrutura vertical da atmosfera e de seu escoamento, um ponto de radiossondagem foi estabelecido no campus do Itaperi da UECE, utilizando-se a instrumentação do CTA (estação Marwin-Vaisala e sondas RS-90). A Figura 5 mostra o sistema de recepção da estação de radiossondagem, montado no Campus do Itaperi durante o 1 o POI-EMfiN! 4. A Campanha Figura 5 - Sistema de recepção da estação de radiossondagem Marwin-Vaisala do CTA, montado no Campus do Itaperi durante o 1 o POI-EMfiN! Uma variedade de tipos de vôo foi utilizada durante a campanha experimental, com o objetivo de amostrar diferentes tipos de formações de nuvens. A Figura 6 mostra três dentre os possíveis procedimentos usados para amostrar nuvens e sistemas de nuvens: pernas em altitudes diferentes, usada para amostrar formações em linha (painel 6a), espiral, adequada para amostrar células isoladas (painel 6b) e gravata borboleta, útil quando se trata de acompanhar a evolução temporal de nuvens ou sistemas de nuvens (painel 6c). 3168

6 a Nuvem vista de cima b c Figura 6 Procedimentos de vôo para amostragem de nuvens adotados no 1 o PRO-EMfiN!: (a) vôo em pernas, (b) espiral (ascendente ou descendente) e (c) gravata-borboleta. Durante a campanha, a operação do radar meteorológico combinou a tradicional cobertura em PPI de baixa elevação no range de 120 km, com varreduras em setor em diferentes elevações e varreduras em RHI. Estas diferentes rotinas de operação permitiram a amostragem simultânea de nuvens pelo avião-laboratório (in situ) e pelo radar (remotamente). Além das nuvens estudadas com o avião-laboratório, o radar também amostrou outras nuvens e sistemas de nuvens em sua área de ação (por exemplo, sistemas convectivos profundos, em dias em que não havia segurança para vôo). Radiossondas foram lançadas sistematicamente antes e depois de cada vôo, bem como em outros horários selecionados (por exemplo, para amostrar as condições que antecederam e/ou sucederam a ocorrência de um evento de tempo severo). Um total de 6 vôos e 28 lançamentos de radiossonda foram efetuados. Juntamente com a operação de radar, estudos de casos diferenciados foram possíveis no período. Um sumário dos vôos e do lançamento de radiossondas durante a campanha é apresentado na Tabela Conclusões Através da primeira campanha do Experimento de Microfisica de Nuvens, pôde-se obter um conjunto de dados único, concernente à microestrutura de nuvens sobre o estado do Ceará. A combinação de diferentes plataformas (avião-laboratório, radar e radiossonda) possibilitará a investigação de como a microfísica depende e interage com o ambiente dinâmico e termodinâmico e como esses processos se combinam para determinar a evolução das nuvens sobre a região. Após processamento e controle de qualidade, os dados serão disponiblizados à comunidade científica. Tabela 2 Descrição dos vôos e lançamentos de radiossonda durante a campanha. Todos os horários são universais, ou seja, hora local mais 3 horas. Os municípios citados constam do mapa na Figura 4. Data Vôos Lançamentos de radiossonda Observações 02/04/ :59:50 a 20:01:25 19:30, 20:48 Nuvens cumulus de pequena e média extensão vertical amostradas. 03/04/ :09 Evento de tempo severo. 3169

7 04/04/ :46:45 a 17:57:51 12:37, 13:50, 18:28 Conjunto de células amostradas em pernas nas proximidades de Ocara. 05/04/ :21:41 a 16:35:53 12:50, 15:23, 16:50, 18:28 Célula convectiva isolada amostrada em Caucaia (espiral). Cumulonimbus amostrado em Pentecoste (pernas) Precipitação intensa, particularmente durante a manhã 06/04/ :36, 13:30, 14:50, 18:10, 18:56 07/04/ Folga da equipe de campo 08/04/ :53:25 a 14:33:31 13:48, 17:20, 19:00 Célula convectiva isolada amostrada nas proximidades de Aquiraz. Banda estratiforme amostrada ao sul de Beberibe (remanescente de linhas de instabilidade). Teste do equipamento de semeadura artificial 09/04/ :39:13 a 14:20:13 19:20:20 a 20:42:00 12:25, 14:38, 17:26, 19:59, 21:01 Pequenas células amostradas ao norte de São Gonçalo do Amarante. Células isoladas amostradas sobre o Oceano, ao norte de Fortaleza. Experimentos exploratórios de semeadura efetuados. 10/04/ :43, 12:52, 18:05 Evento de tempo severo 11/04/ :12 Encerramento da campanha Agradecimentos O Experimento de Microfísica de Nuvens está recebendo financiamento do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico. Referências COSTA, A. A., OLIVEIRA, C. J., OLIVEIRA, J.C.P., SAMPAIO, A. J. C., Microphysical Observations of Warm Cumulus Clouds in Ceará, Brazil, Atmospheric Research, v. 54, p , BRENGUIER, J. L., and GRABOWSKI, W. W., Cumulus Entrainment and Cloud Droplet Spectra: A Numerical Model within a two-dimensional dynamical framework, Journal of the Atmospheric Sciences, v. 50, p , GRABOWSKI, W. W., WU, X., MONCRIEFF, M. W., Cloud-resolving modeling of tropical cloud systems during phase III of GATE. Part III: Effects of cloud microphysics, Journal of the Atmospheric Sciences, v. 56, p , HASTENRATH, S., GREISCHAR, L., Further work on the prediction of Northeast Brazil rainfall anomalies. Journal of Climate, v. 6, p , HASTENRATH, S., HELLER, L., Dynamics of climate hazards in northeast Brazil. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, v. 103, p , HOUZE, R. A., Observed structure of mesoescale convective systems and implications for large-scale heating. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, v. 115, p , LIN, X., JOHNSON, R. H., Heating, moistening and rainfall over the western Pacific warm pool during TOGA COARE. Journal of the Atmospheric Sciences, v. 53, p , OLIVEIRA, J.C.P., VALI, G., Calibration of the Photoelectric Cloud Condensation Nucleus Counter, Atmospheric Research, v. 38, p , RAMOS, R. P. L., Precipitation characteristics in the Northeast Brazil dry region. Journal of Geophysical Research, v. 80, p , SPERBER, K. R., HAMEED, S., Phase locking of Nordeste precipitation with sea surface temperature. Geophysical Research Letters, v. 20, p ,

8 WU, X., GRABOWSKI, W.W., MONCRIEFF, M. W., Long term behavior of cloud systems in TOGA-COARE and their interactions with radiative and surface process. Part I: Two-dimensional modeling study. Journal of the Atmospheric Sciences, v. 53, p ,