CARACTERIZAÇÃO MORFOLÓGICA DAS TEMPESTADES NA REGIÃO SUDESTE DA AMÉRICA DO SUL NO VERÃO DE 2006

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1 CARACTERIZAÇÃO MORFOLÓGICA DAS TEMPESTADES NA REGIÃO SUDESTE DA AMÉRICA DO SUL NO VERÃO DE 2006 Lucia Iracema Chipponelli Pinto 1 Diego Simões Fernandes² 1 Centro de Ciências do Sistema Terrestre/Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - CCST/INPE São Jose dos Campos SP - Brasil lucia.chipponelli@inpe.br ²Sistema de Meteorologia e Hidrologia do Estado de Goiás - SIMEHGO Rua 82 s/nº - Palácio Pedro L. Teixeira, 2º Andar Setor Sul - Goiânia GO, Brasil diegosifer@cnpaf.embrapa.br Abstract: The physical processes involved in the formation of convective systems (CS) are very complex, hence the interest in the scientific society to constantly refine the studies to be so abetter understanding of the subject, since these phenomena can produce severe storms. The storms are characterized by vertical development of clouds that have sharp and contains the presence of lightning due to the formation of certain types of frozen hydrometeors (graupel, hail and ice crystals) and supercooled to produce a charge separation within the cloud and the consequent increase of the electric field. To characterize the CS several tools have been developed, an example is the application FORTRACC that tracks the life span, rate of growth /decay and temperature through the geostationary satellite imagery to make the tracking and monitoring systems. With the goal of having a better understanding of the life cycle of the CS, as well as a better understanding of their physical characteristics, this study presents the results with the application FORTRACC for the period December 2005 to February 2006 for the southeast region of South America, where we made the analysis considering lightning from RINDAT. Resumo: Os processos físicos envolvidos na formação dos sistemas convectivos (SC) são muito complexos, daí o interesse da sociedade cientifica em aprimorar constantemente os estudos para assim haver um melhor entendimento do assunto, já que estes fenômenos podem gerar grandes tempestades. As tempestades são caracterizadas por nuvens que apresentam desenvolvimento vertical acentuado e contém a presença de descargas atmosféricas devido à formação de certos tipos de hidrometeoros congelados (graupel, granizo e cristais de gelo) e super-resfriados que produzem a separação de cargas dentro da nuvem e o conseqüente aumento do campo elétrico. Para caracterizar os SC varias ferramentas vem sendo desenvolvidas, um exemplo é o aplicativo FORTRACC que possibilita acompanhar o tempo de vida, taxa de expansão/decaimento e temperatura através das imagens de satélite geoestacionário para fazer o rastreamento e acompanhamento dos sistemas. Com o objetivo de se ter um melhor conhecimento do ciclo de vida dos SC, assim como um melhor entendimento de suas características físicas, este trabalho apresenta os resultados encontrados com o aplicativo FORTRACC para o período de dezembro de 2005 a fevereiro de 2006 para a região sudeste da America do Sul, onde foram feitas as analises considerando descargas atmosféricas provenientes da RINDAT. 1- Introdução A natureza dos processos físicos envolvidos na formação e no desenvolvimento dos Sistemas Convectivos (SC) é tão complexa que, apesar do grande esforço que tem sido desprendido no sentido de entendê-los, existe um limite no avanço do conhecimento, imposto pela incapacidade na sua quantificação adequada. O grande interesse que a comunidade científica tem em preencher estas lacunas está diretamente associado às condições meteorológicas severas em superfície, inerentes à ocorrência de SC. Evidentemente que, quanto maior e mais intenso for o SC, mais severas serão as condições meteorológicas em superfície associadas (Scaglione, 2006). Dentre as várias características na observação de imagens sucessivas de satélite, estão às nuvens que sofrem forte expansão de área, o que indica fortes correntes ascendentes em regiões de convecção profunda. O tamanho médio dos sistemas é associado ao seu tempo de vida, onde maiores sistemas têm maior tempo de vida. Com relação ao horário de formação, a maioria é detectada inicialmente no período da tarde, horário de máxima atividade convectiva no ciclo diurno sobre o continente e, um máximo secundário de formação é observado no fim da noite e início da manhã (entre 5 e 6 horas), sugerindo estar relacionado com o máximo de convecção sobre os oceanos, e,

2 a fase madura dos sistemas têm dois picos, um pela tarde e outro durante a noite e primeiras horas da manhã (Machado et al., 1994 e Zipser, 2004). O monitoramento da evolução e deslocamento de SC, bem como o diagnóstico das características estruturais de seu desenvolvimento é de grande interesse para melhor entender as tempestades. As tempestades são caracterizadas por nuvens que apresentam desenvolvimento vertical acentuado e contém a presença de descargas atmosféricas devido à formação de certos tipos de hidrometeoros congelados (graupel, granizo e cristais de gelo) e super-resfriados que produzem a separação de cargas dentro da nuvem e o conseqüente aumento do campo elétrico. Com o objetivo de se obter um melhor conhecimento do ciclo de vida dos SC, assim como um melhor entendimento de suas características físicas, são desenvolvidas técnicas de rastreamento e acompanhamento dos mesmos. Dentre essas técnicas, podemos citar o FORTRACC (Forecasting and Tracking of Active Cloud Clusters), Vila et al. (2004). 2- Dados e metodologia O período de dados utilizado no presente trabalho consiste dos meses de dezembro de 2005 a fevereiro de 2006 para a região Sudeste da America do Sul, compreendida na área de 15 S a 30 S de latitude e 35 W a 60 W de longitude, conforme a Figura 1. Figura 1. Área de estudo, região Sudeste do America do Sul. Foram utilizadas as imagens do infravermelho (IR) (11 µm) do satélite GOES-12 disponibilizadas pela Divisão de Satélites e Sistemas Ambientais (DSA) do Centro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos/Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (CPTEC/INPE). Durante o processamento das imagens do IR, os dados brutos foram convertidos para temperatura de brilho em uma grade regular de 4x4 km assumindo que as nuvens são um corpo negro. As imagens utilizadas têm uma freqüência de amostragem de 30 minutos. Atualmente o Brasil conta com a Rede Integrada Nacional de Descargas Atmosféricas (RINDAT) que consiste de 48 sensores, que fazem parte de uma cooperação técnico/científica entre as Centrais Elétricas de Minas Gerais (CEMIG), Furnas Centrais Elétricas, Sistema Meteorológico do Paraná (SIMPEAR), INPE (Figura 2). A RINDAT é uma rede de sensores que medem o campo elétrico e magnético emitido por uma descarga atmosférica na faixa de freqüência de LF/VLF (Low Frequency/Very Low Frequency) que se propaga através das ondas de superfície (Cummins et al., 1998). Este sistema detecta basicamente descargas atmosféricas do tipo nuvem solo e de acordo com Cummins et al. (1998) possui uma eficiência de detecção de flashes de 80-90% dentro da área de cobertura. Segundo Pinto et al. (1999) a rede cobre cerca de 60% do território nacional.

3 Figura 2. Distribuição geográfica dos sensores da rede RINDAT. Fonte: Lima et al. (2006). Antes de executar o algoritmo FORTRACC foi feito um controle de qualidade nas imagens de satélite, pois algumas imagens apresentavam problemas como temperaturas de brilho não condizentes com o contexto, além de imagens que apresentaram valores de temperaturas máxima e mínimas previstas, mas ao visualizar a imagem não aparecia nada na imagem. Também foram excluídas imagens que apresentaram falhas nos dados, como zonas com ruídos. Feito o controle de qualidade das imagens de satélite, executou-se o FORTRACC para obter o ciclo de vida, tamanho e duração dos SC. Este método assume que as baixas temperaturas de brilho observadas no canal infravermelho estão associadas com a convecção profunda. Está hipótese é válida para o acompanhamento de SC tropicais durante o seu ciclo de vida completo, uma vez que as nuvens Cirrus mais espessas são criadas pela convecção profunda. Utilizou-se o limiar de temperatura de brilho de 258 K, este limiar é utilizado para começar o rastreio dos SC. Na tabela 1 estão mostrados os limiares utilizados. Antes do processamento das imagens de satélite pelo FORTRACC, um SC foi definido como uma área de nuvem com um mínimo de 10 pixels, ou seja, 160 km 2 (raio ~ 7,13 km). Após o processamento, o FORTRACC produz uma série temporal das principais características morfológicas dos SC as quais foram analisadas posteriormente. Tabela 1. Valores dos limiares utilizados para detecção e rastreio de Sistemas Convectivos pelo FORTRACC para o limiar quente, em graus Kelvin. Limiar Quente Limiar Frio Detecção precoce do SC Rastreio do SC Foi calculado o raio efetivo dos SC e o tempo de duração foi normalizado entre 0 e 1, adicionalmente os SC foram classificados com intervalos de duração de 0-2, 2-4, 4-6 e maiores que 8 horas, além de dividir sistemas com descargas atmosféricas e sem descargas atmosféricas para melhor entender as características elétricas observadas nos SC.

4 3- Resultados Na Figura 3a é apresentada a relação entre o raio máximo de expansão de cada SC e o respectivo tempo de duração para o limiar de 258 K. Podemos observar que pequenas áreas de expansão estão associadas com um curto tempo de vida e que maiores áreas de expansão estão associadas com um tempo de vida mais longo, como previu Machado e Laurent (2004). Entretanto pode também ser visto que há uma grande dispersão, em outras palavras, um dado valor de área de expansão pode ser associado com diferentes durações de tempo de vida. Na Figura 3b é apresentada a distribuição de ocorrência de SC em função da duração, e observa-se que a maior concentração de sistemas ocorre nas primeiras 2 horas e meia de vida para SC sem tempestades e de 2 horas para SC com tempestades, observando o pico para ambos SC em 1 hora de duração. Já a Figura 3c é apresentada a distribuição da ocorrência de SC em função do raio máximo de expansão, e observa-se que a maior parte dos SC teve raio máximo entre km, e aproximadamente 70% dos SC se concentravam em tamanhos de até 30 km para SC sem descargas e mais de 95% dos SC com tempestades tiveram tamanhos até 40 km com pico em 20 km. De posse dos dados da RINDAT, e dos clusters gerados pelo FORTRACC, os dados de descargas atmosféricas foram geo-referenciados sobre os clusters dentro de um período de ± 15 minutos em torno da imagem. Portanto, foi possível identificar os SC que continham descargas atmosféricas, ou seja, tempestades. Os SC foram divididos em 4 intervalos: 0-2 horas, 2-4 horas, 4-8 horas e maiores que 8 horas, sendo que para esta primeira análise, não foram encontrado SC maiores que 8 horas. O tempo de vida dos SC foi normalizado de 0 a 1, ou seja, o tempo de vida máximo representa 1. Dessa maneira, está normalização deverá mostrar o comportamento médio do tamanho dos SC nos respectivos intervalos de duração.

5 (a) (b) (c) Figura 3. Limiar de temperatura de brilho em 258 K. (a) raio máximo por tempo de duração, (b) distribuição da ocorrência de SC por duração e (c) distribuição de ocorrência de SC por raio máximo. A Figura 4a mostra o tempo normalizado para os SC sem descargas atmosféricas. Para o intervalo de duração de 0-2 horas, observou-se que os raios dos SC, em seu estágio inicial, estão em média em torno de 22 km e, observa-se que os SC estão em desenvolvimento desde o tempo inicial até o final aonde atingem um raio de aproximadamente 25 km. No intervalo de

6 duração de 2-4 horas, podemos observar toda a evolução dos SC, ou seja, seu estágio inicial, maturação e dissipação, sendo que foi observado em média raios de 26 km no estágio inicial, 32 km no estágio maduro (tempo ~ 0.6) e de 28 km no estágio de dissipação. Já o último intervalo observado, tem-se o estágio inicial em média por volta de 27 km de raio, e a sua maturação se dá por volta de 38 km em um tempo normalizado de 0. 5, e no tempo final temos em média raios de 25 km. Agora para sistemas convectivos com descargas atmosféricas, a Figura 4b mostra que para o intervalo de duração de 0-2 horas, que em seu estágio inicial, estão em média em torno de 32 km e, observa-se que os SC estão em desenvolvimento desde o tempo inicial até o final aonde atingem um raio de aproximadamente 40 km. No intervalo de duração de 2-4 horas, podemos observar em média raios de 38 km no estágio inicial, 49 km no estágio maduro (tempo ~0.5) e de 48 km no estágio de dissipação. Já o último intervalo observado tem-se o estágio inicial em média por volta de 45 km de raio, e a sua maturação se dá por volta de 70 km em um tempo normalizado de 0.55, e no tempo final temos em média raios de 50 km. (a) (b) Figura 4 Ciclo de vida normalizado e tamanho em km para os SC divididos em intervalos de tempo de 0-2, 2-4, 4-8 horas. (a) sem descargas atmosféricas; (b) com descargas atmosféricas.

7 4- Conclusões: Analisando o ciclo de vida dos SC, conclui-se que os tamanhos de SC que produziram descargas atmosféricas foram maiores que SC que não se observou o fenômeno. Em média o tamanho máximo dos SC com descargas atmosféricas foram 40% maiores que os SC sem descargas atmosféricas. Não se obteve uma clara diferenciação dos tamanhos máximos dos SC com ou sem descargas para o limiar de 258 K, isso ocorreu devido ao limiar mais quente estar cobrindo uma região maior que o limiar mais frio. Nos intervalos de 2-4 e 4-8 horas, observou-se que SC com descargas atmosféricas alcançam a maturação em um tempo menor que os SC sem descargas atmosféricas. Em média SC com descargas atmosféricas tem seu tamanho inicial maior que SC sem descargas atmosféricas. 5- Referências Bibliográficas CUMMINS, K.L.; NURPHY, M.J.; BARDO, E.A.; HISCOX, W.L.; PYLE, R.B.; PIFER, A.E. A Combined TOA/MDF Technology upgrade of the U.S. National Lightning Detection Network. Geophysical Research. v.103, p , LIMA, W.F.; MACHADO, L.A.T.; MORALES, C.A.; PINTO, Jr O. Estimativa de Probabilidade de Ocorrência de Relâmpagos. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE METEOROLOGIA, XIV, Fortaleza, Anais, SBMET, CD ROM, MACHADO, L.A.T.; GUEDES, R.L.; SILVEIRA, J.M.B.; WALTZ, R.C.; ALVES, M.A.S. Ciclo de vida de sistemas convectivos. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE METEOROLOGIA, VIII, Belo Horizonte, Anais, SBMET, 1994, v. 2, p MACHADO, L.A.T; LAURENT, H. The Convective System Area Expansion over Amazonia and Its Relationships with Convective System Life Duration and High-Level Wind Divergence. Monthly Weather Review, v.132, p , PINTO Jr., O.; PINTO, I.R.C.A; NACCARATO, K.P.; SABA, M.M.F.; CAZETTA FILHO, A.; GARCIA, S.R.; BENETI, C. Brazilian integrated lightning detection network RINDAT. In: International Lightning Detection Conference, 18, Helsinki, Finland, CDROM, VILA, D.A.; MACHADO, L.A.T. Shape and radiative properties of convective systems observed from infrared satellite images. International Journal of Remote Sensing, v.25, p , SCAGLIONE, T. P. Análise convectiva no Sul da America do Sul p. Dissertação (Mestrado em Meteorologia) - Universidade Federal de Pelotas, Pelotas. ZIPSER, E.J.; SALIO, P.; NICOLI, M. Mesoscale Convective Systems activity during SALLJEX and the relationship with SALLJ events. CLIVAR, Exchanges Scientific Contributions. n. 29, março 2004.