Calibrando a microfísica de nuvens do modelo RAMS a partir de dados coletados por Avião-Laboratório

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1 Calibrando a microfísica de nuvens do modelo RAMS a partir de dados coletados por Avião-Laboratório Antonio Carlos Santana dos Santos 1, Alexandre Araujo Costa 1, Isaac Newton do Nascimento 1, Carlos Jacinto de Oliveira 1 1 Universidade Estadual do Ceará UECE. Av. Paranjana, 1700, Itaperi, Fortaleza CE, CEP: ABSTRACT This work presents curve fittings for observed cloud droplet spectra as well as sensitivity tests to cloud microphysics parameters in RAMS 6.0 model, in order to attain a better configuration of this model for use in the state of Ceará. The methodology is based on comparisons between model results and observations collected during the Cloud Microphysics Experiment (Experimento de Microfísica de Nuvens, (EMfiN!) held in the city of Fortaleza-CE in the period of 01 to April 12, The sensitivity simulations were conducted changing the concentration and the shape parameter of the gamma distribution. The goal is to find a more appropriate model configuration for the local conditions and therefore attain a better representation of the behaviour of convective systems over the state of Ceara. In order to compare simulation results against reality, radar images collected during EMfiN! were used. Palavras Chaves: Microfísica de Nuvens, Modelagem Numérica, RAMS INTRODUÇÃO Modelos de previsão numérica de tempo têm sido operacionalizados com resoluções cada vez mais fina, aproximando-se da resolução explícita das nuvens e da convecção. Neste caso, a representação dos processos microfísicos adquire grande importância, sendo necessária para uma estimativa adequada da precipitação, o uso de parâmetros realistas de concentração, dimensões e distribuição de tamanho de hidrometeoros. No caso da parametrização da microfísica de nuvens do modelo RAMS, utilizado operacionalmente na previsão de tempo para o estado do Ceará, foi analisada a sensibilidade do modelo a duas variáveis (concentração de gotículas e parâmetro de forma do espectro), utilizando observações pelo avião-laboratório para pesquisas atmosféricas (ALPA) da UECE. 2 - MATERIAIS E MÉTODOS Os dados utilizados foram coletados durante o Experimento de Microfísica de Nuvens (EMfiN!, COSTA ET AL. 2002), realizado na cidade de Fortaleza-CE no período de 01 a 12 de abril de O experimento permitiu coletar dados referentes às propriedades microfísicas de nuvens e determinar funções-distribuição de hidrometeoros (particularmente gotículas de nuvem e gotas de chuva) características, como base para o desenvolvimento e/ou calibração de parametrizações físicas em modelos atmosféricos. O experimento foi realizado na área de cobertura do radar meteorológico banda X da FUNCEME, sendo as trajetórias dos vôos indicadas na Figura 1, com ênfase nos dados referentes a uma das sondas espectrométricas disponíveis no ALPA (Forward-Scattering Spectrometer Probe, FSSP-100), que classifica as gotículas em 15 categorias, no intervalo de 2 μm a 47 μm. O modelo numérico utilizado nas simulações para o período do EMfiN! Foi o modelo RAMS, versão 6.0 (COTTON et al., 2003; PIELKE et al., 1992). O modelo foi configurado com três grades, com número de pontos e espaçamentos a saber: grade 1, 50 x 50 pontos, 32 km; grade 2, 98 x 98 pontos, 8km; grade 3; 202 x 202 pontos e espaçamento de 2km. As três grades apresentam 48 níveis verticais, sendo o espaçamento de grade vertical

2 inicial de 20m com razão de expansão de 1,133 até um espaçamento vertical máximo de 1100m. As 3 grades estão centradas em S e W, coordenadas do radar meteorológico. Foi combinado um relaxamento newtoniano pela fronteira lateral com um nudging central em escala de tempo mais longa. As opções adotadas para a parametrização dos processos físicos de transferência radiativa e turbulência foram, respectivamente, Chen e Cotton (1983), e Mellor-Yamada (1974). A parametrização de convecção foi desligada para as três grades, sendo a convecção resolvida explicitamente. A parametrização de microfísica utilizada considera a distribuição da água em diversos tipos de condensado: água de nuvem, água de chuva e 5 classes de gelo (gelo primitivo, neve, agregados, graupel e granizo). Os dados de entrada (temperatura do ar, geopotencial, umidade do ar e vento em diferentes níveis da atmosfera) utilizados na incialização do modelo foram obtidos do NCEP/NCAR (Reanalyse National Center for Enveronmental Prediction/National Center for Atmospheric Research) junto ao projeto reanalysis. Figura 1 - Área de cobertura do radar meteorlógico banda X da Funceme (à esquerda) e as trajetórias realizadas pelo avião durante os doze dias do experimento EMfiN! (à direita). Fonte: EMfiN!, (2002). 3 - RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1 Dados experimentais A análise dos dados do EMfiN! mostra que as nuvens formadas no período da estação chuvosa do Nordeste Brasileiro, principalmente próximo ao litoral, são bastante limpas, isto é, por serem produzidas numa massa de ar com baixas concentrações de aerossóis, possuem concentrações reduzidas de gotículas e, portanto, são passíveis de produzir precipitação via processo de colisão-coalescência ( chuva quente ). A Figura 2 mostra um histograma com as ocorrências de concentrações de gotículas durante o EMfiN!, que evidencia a predominância de valores entre 50 e 200 gotículas por cm 3.

3 Figura 2 - Histograma das concentrações para todos os vôos do EMfiN!. No que diz respeito à forma do espectro de gotículas, como discutido por Costa et al. (2000), há um grande espalhamento no parâmetro de forma que melhor ajusta as distribuições observadas. A Figura 3 mostra a ocorrência desses parâmetros, evidenciando a grande variabilidade na forma dos espectros, desde espectros relativamente largos (com parâmetros de forma reduzidos, isto é, iguais ou inferiores a 3), até espectros bastante estreitos, cujo ajuste só é possível com parâmetros de forma muito grandes. A predominância, porém se deu para espectros moderadamente estreitos (máxima ocorrênci a em torno de 6 e mediana aproximadamente igual a 13). Figura 3 - Frequência dos parâmetros de forma da função gama para todos os voos dos experimentos. 3.2 Simulações Numéricas Foram realizados nove experimentos numéricos, nos quais foram combinados três valores distintos de concentração de gotículas, com 3 valores distintos de parâmetro de forma. Os valores escolhidos para a concentração figuraram no intervalo de 100 cm -3 a 300 cm -3 para a concentração de gotículas de nuvem, consoantes com as observações do EMfiN!. Já os parâmetros de forma da função gama escolhidos foram 2, valor default do modelo, e dosi valores que representam estatísticas relevantes a partir das observações: 6 (moda) e 13 (mediana). Os resultados sugerem que, nos intervalos de concentrações e parâmetros de forma investigados (provavelmente característicos da região estudada durante a estação chuvosa), o segundo exerce um papel mais importante em determinar as características do ciclo de vida da nuvem e o desenvolvimento da precipitação. A Figura mostra a evolução temporal das razões de mistura médias sobre todo o domínio da terceira grade do modelo para o condensado total, água de nuvem, água de chuva e gelo. É possível perceber a predominância dos processos de chuva quente para o caso estudado, pois pequenas razões de mistura de gelo aparecem em todos os grãficos. No entanto, é visível que o aumento na concentração de gotículas e, principalmente, o estreitamento do espectro (com o aumento do parâmetro de forma ) levam a uma redução na eficiência de conversão de água de nuvem em água de chuva. No caso de N = 100 cm -3 e = 2 (painel 4a), a razão de mistura de condensado total não excede 0,01 g/kg, visto que a água de nuvem é rapidamente convertida em água de chuva (valores próximo s de 0,005 g/kg às 9:00), sendo então removida via precipitação. Um aumento de concentração (N = 300 cm -3 e = 2, painel 4c) retarda em cerca de 1 hora o desenvolvimento da chuva quente e reduz a razão de mistura de água de chuva. Uma sensibilidade ainda maior aparece com relação ao parâmetro de forma: para N = 100 cm -3 e = 13 (painel 4b), a razão de mistura de água de chuva é reduzida para valores máximos inferiores a 0,003 g/kg, em geral limitando-se a menos da metade dos mostrados no painel 4a. Finalmente, para N = 300 cm -3 e = 13 (painel

4 4d), a água de chuva fica limitada a valores inferiores a 0,002 g/kg e o condensado total atinge 0,016 g/kg, uma vez que grandes quantidades de água de nuvem permanecem em suspensão. Essa análise é corroborada pela Figura 5, que mostra a evolução temporal da precipitação média acumulada na terceira grade, com diferenças de quase 3 vezes entre o menor valor (para N = 300 cm -3 e = 13) e o maior valor (para N = 100 cm -3 e = 2). Além disso, percebe-se, na Figura 5, que todos os três casos de menos precipitação são precisamente áqüeas simulações em que = 13. a c b d Figura 4 - Séries temporais das razões de mistura para as simulações do dia 09 de abril de 2002; sendo: a) conc.: 100 cm -3 p.f.: 2; b) conc.: 100 cm -3 p.f.: 13;, c) conc.: 300 cm -3 p.f.: 2; d) conc.: 300 cm -3 p.f.: 13; Condensado total (preto), gotículas de nuvem (vermelho), gotículas de chuva (verde), gelo leve (azul escuro), gelo pesado (azul claro). Figura 5 - Perfil vertical da razão de mistura de chuva para o dia 09 de abril de 2002 (à esquerda) e a média acumulada para o dia em questão. 4 CONCLUSÕES É possível concluir, assim, que, pelo menos para as condições do caso estudado (nuvens predominantemente limpas, com concentrações de gotículas sistematicamente da ordem de poucas centenas) e clara predominância do processo de formação de chuva quente, que a variabilidade na forma do espectro é mais importante até do que a variabilidade na

5 concentração para o desenvolvimento da precipitação(ambas dentro dos limites encontrados nos dados experimentais do EMfiN!). 5 - AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq, à FINEP e à FUNCAP, pelo apoio financeiro aos projetos EXPERIMENTO DE MICROFÍSICA DE NUVENS EMFIN! (CNPq), A MICROFÍSICA DE NUVENS DO MODELO RAMS A PARTIR DOS DADOS COLETADOS IN SITU PELO ALPA (CNPq, Processo /2008), CONVECÇÃO SOBRE O NORDESTE BRASILEIRO: VARIABILIDADE EM MÚLTIPLAS ESCALAS - CONBINE (CNPq, Processo /2008), PREVISÃO DE SISTEMAS CONVECTIVOS: OBSERVAÇÕES, MODELAGEM E NOWCASTING (FINEP, Edital No. 13/2006) e CALIBRANDO A MICROFÍSICA DE NUVENS DO MODELO RAMS A PARTIR DOS DADOS COLETADOS PELO ALPA (FUNCAP, Processo 9886/06), que foram fundamentais para a realização deste trabalho. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CHEN, C.; COTTON, W. R. A one-dimensional simulation of the stratocumulus-capped mixed layer. Boundary-Layer Meteorology, v.25, n.3, p , 1983 COSTA, A. A.; Relatório do Experimento de Microfísica de Nuvens. Fortaleza, COTTON, W. et al., RAMS 2001: Current status and future directions. Meteorology and Atmospheric Physics, Springer, HARRINGTON, J. Y. The effects of radiative and microphysical processes on simulated warm and transition season arctic stratus. (Tese). Colorado States University, Fort Collins, EUA, p. MAHRER, Y.; PIELKE, R. A numerical study of the airflow over irregular terrain. Beiträge zur Physik der Atmosphäre, v.50, n. 1, p , MELLOR, G. L.; T. YAMADA. A hierarchy of turbulence closure models for planetary boundary layers. J. Atmos. Sci., 31, , MESINGER, F.; ARAKAWA, A. Numerical methods used in atmospheric models, volume 1. Global Atmospheric Research Program World Meteorological Organization, Geneva (Switzerland) PIELKE, R. A. e CO-AUTORES. A comprehensive meteorological modeling system RAMS. Meteorol. Atmos. Phys., 49: 69 91, SANTIAGO DE MARIA, P. H. Modelagem numérica em alta resolução para previsão de geração de Energia Eólica no Ceará. (Dissertação de mestrado). Mestrado em Ciências Físicas Aplicadas, Universidade Estadual do Ceará, Fortaleza, WALKO, R. L.; TREMBACK, C. J. RAMS: The Regional Atmospheric Modeling System, Technical Description. [S.l.], 2001.