Avaliação da influência da convecção de meso-escala no prognóstico de precipitação do modelo WRF em Alta Resolução: Um Estudo de Caso.

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1 Avaliação da influência da convecção de meso-escala no prognóstico de precipitação do modelo WRF em Alta Resolução: Um Estudo de Caso. Alessandro Renê Souza do Espírito Santo1; Jeanne Moreira de Sousa1; Luiz Antonio Candido1; Julio Tota da Silva1,2; Antonio Ocimar Manzi1; Antonio José da Silva Sousa3 1. Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia INPA 2. Universidade do Estado do Amazonas UEA 3. Instituto de Ciências Atmosféricas ICAT / UFAL arses.rene@gmail.com ABSTRACT: Generating more realistic weather forecasting/climate simulations for the Amazon from global and regional models is a challenge that is beginning to be overcome by way of multi-scale applications. This work presents results from the WRF model (Weather Research and Forecast) using different convection schemes and applying a multi-scale strategy for weather forecasting over the Amazon. The evaluation of precipitation prediction for the Amazon,focussing on Manaus, Amazonas with differents resolutions and convection schemes employed, showed the BettsMiller-Janjic scheme and the Grell-Devenyi ensemble scheme generated more satisfactory results for meso-scale (27km), and that there is a dependence of results generated for the smaller domains (9km, 3km and 1km) as a function of the convection scheme used in meso-scale. Palavras-chave: WRF, Modelagem, Multi-escala, Alta resolução 1. INTRODUÇÃO O fenômeno da convecção atmosférica domina as condições de tempo e clima da Amazônia em varias escalas. A Bacia Amazônica tem-se mostrado uma região particularmente desafiadora para teste de parametrizações convectivas, uma vez que experimenta uma ampla gama de regimes convectivos e interações complexas entre a superfície e a atmosfera, já que a convecção precipitante é essencial no ramo atmosférico do ciclo hidrológico, influenciando a dinâmica tropical de grande escala e exercendo um papel fundamental no balanço de energia da circulação geral do planeta (ADAMS et al., 2009). Dessa forma, faz-se necessário o uso de modelos meteorológicos cada vez mais aprimorados para se ter uma previsão de qualidade. O principal obstáculo na verificação de um modelo atmosférico contra as observações é a escassez de dados. Não apenas o problema do acesso aos dados, mas, simplesmente, a inexistência de observações com uma cobertura suficientemente densa para produzir um mapeamento detalhado à escala de interesse. As observações de satélite auxiliam nos parâmetros que podem ser inferidos remotamente por radiometria, mas não substituem as observações atmosféricas de superfície. Esta dificuldade contrasta com a verificação de rotina que se efetua com os modelos globais de previsão numérica do tempo, contra as observações sinóticas do tempo passado ou contra a rede dos valores iniciais de previsões anteriores (dados de análise). A validação de um modelo a partir de um conjunto reduzido de locais de verificação, com uma repartição equilibrada dentro da região a representar, é uma configuração ideal para validação dos prognósticos dos modelos em altíssima resolução. Devido a alta resolução e capacidade de simular em multi-escala, o modelo WRF (Weather Research and Forecast) implantado no Núcleo de Modelagem Climática e Ambiental do INPA, foi utilizado para o desenvolvimento deste trabalho, visando à avaliação dos diferentes esquemas de parametrização de convecção de cúmulos, na tentativa de verificar

2 seu desempenho em diferentes escalas espaciais, com foco na previsão de eventos de chuva intensa na Amazônia. Sendo assim, objetiva-se avaliar o prognóstico de precipitação do modelo WRF, em um estudo de caso, para diferentes escalas e representações do processos convectivos. 2. MATERIAL E MÉTODOS Estratégia de modelagem multi-escalar. O WRF (Weather Research and Forecast) é um modelo meteorológico capaz de representar os fenômenos atmosféricos da micro-escala até a meso escala. As parametrizações físicas consistem da física de nuvens, esquemas de superfície, radiação de ondas longas e radiação de ondas curtas, misturas turbulentas, etc. Dessa forma, o modelo é apto tanto para situações atmosféricas idealizadas como para situações reais, em escalas horizontais que podem ir desde alguns metros até milhares de quilômetros. A principal característica do modelo é a possibilidade do uso de simulações com alta resolução espacial. Sendo assim, neste estudo, foram criados quatro domínios aninhados (Figura 1), com diferentes resoluções espaciais, variando de 27 km (D1), 9km (D2), 3km (D3) e 1km (D4), para o 1, 2, 3 e 4 domínios, respectivamente. Suas dimensões englobam desde a Amazônia brasileira ate a cidade de Manaus, sendo esta o ponto central de todos os domínios. Figura 1- Delimitação dos quatro domínios criados na região Amazônica, com resolução de 27 km (D1), 9 km (D2), 3 km (D3) e 1 km (D4). Os resultados gerados pelo modelo WRF foram desenvolvidos conforme os esquemas de parametrizações físicas presente na Tabela 1. Nas previsões numéricas, os demais esquemas físicos foram mantidos fixos e apenas o esquema de cúmulos para o 1 Domínio foi alterado. Foram verificados os seguintes esquemas de convecção: Kain-Fritsch scheme; BettsMiller-Janjic scheme e Grell Devenyi ensemble. Nas simulações a comunicação entre escalas One-Way para que a relação de dependência do downscaling fosse avaliada. Tabela 1- Parametrizações físicas utilizadas nas simulações do WRF, onde permaneceram fixas na mudança do esquema de convecção de cúmulos. Grell 3D ensemble scheme *Cúmulos scheme do 2, 3 e 4 domínio Lin et al. Scheme Microphysics scheme Yonsei University scheme Planetary boundary layer schemes Noah Land Surface model Land surface physics schemes RRTMG scheme Long and short wave radiation schemes

3 *Segundo informações do manual, esquema que pode ser utilizado em simulações com resolução do ponto de grade (DX) menor que 10km Estudo de caso e dados. A análise das simulações refere-se a um estudo de caso desenvolvido para as condições meteorológicas do dia 21 de abril de O modelo WRF foi inicializado as 12 UTC do dia 20/04/2010 e integrado por 48h, forçado lateralmente a cada 3h pelos prognósticos globais do modelo GFS (Global Forecasting System) com resolução espacial de 100km. As saídas foram obtidas para todos os campos atmosféricos e de superfície a cada 1h. Neste momento, apenas o prognóstico de precipitação é considerado na avaliação. Para validação das simulações foram utilizados dados observados pelas estações automáticas do INMET contidas no domínio e estimativas de precipitação por imagem de satélite desenvolvida pela Divisão de Satélites e Sistemas Ambientais (INPE/CPTEC) ( 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Este estudo de caso refere-se à ocorrência de um sistema meteorológico que gerou altos valores de precipitação na região central da Amazônia, principalmente no que tange a cidade de Manaus e áreas vizinhas. O evento de chuva intensa foi mais proeminente no intervalo das 8h às 18 UTC do dia 21 e apresentou, em Manaus, um total observado de 16 mm para o horário de 10h UTC. Na Figura 2 são apresentados os totais horários de precipitação observados e previstos entre às 12 UTC do dia 20 e 12 UTC do dia 22, para a cidade de Manaus. Segundo as observações, o sistema precipitante apresentou, no dia 21, duração de aproximadamente 4 h na região de Manaus, com máxima ocorrência entre 9 e 11 UTC. A comparação com as previsões do modelo WRF para as varias escalas e esquemas de convecção (Figuras 2a, 2b e 2c), mostram que a escala de 27 km não captura bem a distribuição horária da chuva para os esquemas de convecção utilizados. A representação dessa distribuição horária ocorre somente quando a escala é reduzida para 9, 3 e 1 km (Figuras 2b e 2c). Outro fato importante mostrado na Figura 2 é a previsão de precipitação das escalas micro-β e micro-γ que dependem da habilidade do esquema de convecção utilizado na meso-escala para representar os mesmos resultados. Por exemplo, o método Kain-Fritsch não consegue representar a distribuição temporal da precipitação (Figura 2a) em meso-escala, afetando assim as demais escalas. Dentre os parâmetros de convecção utilizados, os esquemas Betts-Miller-Janjic (Figura 2b) e Grell-Devenyi (Figura 2c), são os que melhor capturam a precipitação em escalas menores, principalmente a intensidade da chuva acumulada, conforme o aumento da resolução no WRF. O segundo esquema (Figura 2b) teve capacidade de forçar lateralmente as rodadas dos domínios de maiores resoluções, sensibilizando-os na captura do pico de chuva e do seu padrão configurativo para o horário de 10h, embora com intensidade menor que a real. Enquanto que o terceiro esquema (Figura 2c) foi capaz de simular picos de chuva no intervalo das 8h às 18, porém com atraso em relação às 10h. Em destaque, o campo espacial de precipitação, para 10h UTC, obtido pelo esquema Betts-Miller-Janjic e apresentado na Figura 3b, em termos qualitativos, notou-se sua maior propensão a mostrar a ocorrência de chuva em mais regiões do que os outros, com particularidade as regiões vizinhas a Manaus, quando comparados com a estimativa de chuva por satélite (Figura 3a). Visualizando as escalas de maiores resoluções (Figuras 3c, 3d e 3e), percebe-se a importância do referido esquema na transferência de informações do 1 domínio (escala meso-β) para os demais (escala micro-γ [9km] e micro-α [3km e 1km]), favorecendo assim a sensibilidade dos processos de convecção ao esquema adotado em escalas inferiores. Dentre estes, o 3 domínio (Figura 3d) indica melhor resultado na previsão do evento de

4 chuva intensa, 8 mm, em relação ao valor observado 16 mm (Figura 2b). De modo geral, o uso de várias escalas de resolução proporciona uma maior nitidez na configuração espacial da chuva, e sua intensidade. Os esquemas Betts-Miller-Janjic e Grell-Devenyi obtiveram os melhores desempenhos nas previsões. A eficiência na representação espacial dos processos convectivos, em mesoescala, é avaliada com a precipitação acumulada de 24 horas, prevista pelo WRF, em comparação com a estimada por satélite. Mais uma vez, o esquema Betts-Miller-Janjic (Figura 4b) apresentou melhor representação espacial da chuva acumulada, embora não haja uma relação tão bem definida entre os núcleos de grande intensidade (100mm) estimatida por satélite e a simulação. O esquema Grell-Devenyi (Figura 4c), por sua vez, não teve bom desempenho na configuração espacial da chuva, indicando processos convectivos intensos em regiões que não apresentaram a ocorrência de precipitação. Estes resultados serão melhor validados com outras bases de dados. Figura 2 Variação horária da precipitação observada em comparação com a precipitação simulada com o WRF, segundo o esquema de convecção Kain-Fritsch (a), Betts-Miller-Janjic (b) e Grell-Devenyi ensemble (c) do primeiro domínio. Figura 3 Estimativa de chuva por satélite (a) e configuração espacial do prognóstico da precipitação para 10h UTC em todos os domínios. O 1 Domínio foi simulado com o

5 esquema Betts-Miller-Janjic e Grell 3D ensemble nos três últimos domínios de maior resolução. Figura 4 Comparação da estimativa da precipitação acumulada de 24 horas para o dia 21 de Abril por imagem de satélite (a) com a estimativa obtida pelo WRF com os esquemas de convecção Bettes-Miller-Janjic (b) e Grell-Devenyi (c). 4. CONCLUSÕES Previsões com o modelo WRF sobre a Amazônia foram desenvolvidas para avaliar a importância da convecção na habilidade do modelo estimar eventos intensos de chuva. A convecção de cúmulos que melhor se adequou a realidade pluviométrica foi a Betts-MillerJanjic, pois o padrão espacial a nível diário (chuva acumulada), como também horário (com base no intervalo de tempo de maior pluviometria) foram razoavelmente capturados. As previsões para a cidade de Manaus acompanharam o padrão observado, mais ainda está subestimando a intensidade das chuvas. É necessário um estudo mais detalhado, com um maior número de casos de eventos intensos de precipitação para validar a melhor combinação dos esquemas de convecção utilizados nas varias escalas da estratégia de modelagem meteorológica. 5. AGRADECIMENTOS Projeto financiado pelo CNPQ (proc /2008-8), FAPEAM e FINEP. 6. BIBLIOGRAFIA ADAMS, D. K.; DE SOUZA, E. P.; COSTA, A. A. Convecção úmida na Amazônia: implicações para modelagem numérica. Revista Brasileira de Meteorologia, v.24, n.2, , DE SOUZA, E. B. et al. Precipitação sazonal sobre a Amazônia Oriental no período chuvoso: observações e simulações regionais com o REGCM3. Revista Brasileira de Meteorologia, v.24, n.2, , FERREIRA, A. P. G. F. Sensibilidade às parametrizações físicas do WRF nas previsões à superfície em Portugal Continental. Estágio em Meteorologia e Oceanografia Física, Departamento de Física da Universidade de Aveiro, 2007.