SIMULAÇÃO NUMÉRICA DE CÉLULAS CONVECTIVAS PROFUNDAS COM O MODELO ARPS EM ALTA RESOLUÇÃO ESPAÇO-TEMPORAL

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1 SIMULAÇÃO NUMÉRICA DE CÉLULAS CONVECTIVAS PROFUNDAS COM O MODELO ARPS EM ALTA RESOLUÇÃO ESPAÇO-TEMPORAL Ricardo Hallak 1 Augusto José Pereira Filho 1 Adilson Wagner Gandú 1 RESUMO - O modelo atmosférico regional ARPS (Advanced Regional Prediction System) é utilizado com alta resolução espaço-temporal para simular realisticamente o caso de convecção profunda ocorrido em 02 de fevereiro de 2004 na Região Metropolitana de São Paulo (RMSP). O objetivo do trabalho é avaliar o desempenho do modelo em simular o ciclo de vida deste tipo de tempestade explicitamente com a parametrização da microfísica de nuvens frias de Lin et al. (1983). Os resultados mostram que as principais características físicas das células convectivas profundas foram adequadamente simuladas tais como os campos de razão de mistura de água de nuvem, cristais de gelo, neve, chuva e granizo, bem como as correntes verticais. ABSTRACT - The Advanced Regional Prediction System (ARPS) numerical model is used with high spatial and temporal resolution to simulate a deep convective event occurred over the Metropolitan Area of São Paulo (RMSP) realistically. The main goal of this work is to assess the model performance in simulating the lifecycle of thunderstorm using the cold microphysical parameterization by Lin et al. (1983). The results indicate the major physical characteristics of deep convective cells were adequately simulated such as water vapor, cloud ice, snow, rain and hail mixing ratios as well as the vertical wind drafts. Palavras-Chave: convecção profunda; tempestades severas; modelo numérico ARPS. 1 Departamento de Ciências Atmosféricas Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas Universidade de São Paulo hallak@model.iag.usp.br apereira@model.iag.usp.br adwgandu@model.iag.usp.br 1

2 INTRODUÇÃO - Células convectivas profundas são fenômenos pelos quais a atmosfera terrestre busca seu equilíbrio energético ou seu estado de mínima energia local. Estas células surgem de processos físicos dinâmicos, termodinâmicos e radiativos diabáticos que continuamente produzem configurações atmosféricas de alta instabilidade energética. A energia assim acumulada atinge um patamar a partir do qual são desencadeados processos físicos que percorrem um ciclo bem definido de eventos. Embora estes sistemas locais possam ser tratados isoladamente, muitas vezes eles devem sua existência aos processos de grande escala até a mesoescala α e β (Orlanski, 1975). Outrossim, os processos termodinâmicos e microfísicos associados com nuvens convectivas são fundamentais para o desenvolvimento de tais sistemas. Chuva intensa, ventos fortes e granizo são comuns na RMSP. A previsão subjetiva de tais tempestades é extremamente difícil. A modelagem numérica da atmosfera permite estudar estas tempestades mesmo onde há escassez de dados de alta resolução espaço-temporal. Portanto, o objetivo deste artigo é estudar os sistemas convectivos profundos na RMSP com o uso do modelo ARPS (Xue et al.,2003). DADOS E METODOLOGIA - São utilizadas imagens do canal infravermelho do satélite GOES-12, CAPPI (Constant Altitude Plan Position Indicator) de 3 km do radar meteorológico de São Paulo e análises do modelo global AVN em pontos de grade. As simulações numéricas são efetuadas com o sistema ARPS. A grade de maior resolução espacial é de 3 km na horizontal. Testes de sensibilidade com o modelo ARPS levaram à seguinte definição da seqüência de processamento das 3 grades do modelo: Análises AVN 27 km 9 km 3 km. As simulações com a grade de 27 km foram obtidas com condições iniciais e de fronteira das análises numéricas do modelo global AVN com resolução de 1 o e freqüência de 6 horas. Utilizou-se a versão do sistema ARPS. A Tabela I mostra as características das simulações quanto ao número de pontos de grade, características de superfície e solo, parametrizações de precipitação e duração das simulações. Ressalta-se que para melhor representar os processos físicos na camada limite planetária (CLP), o primeiro nível do modelo na grade de 3 km dista 10 m da superfície. RESULTADOS - Caso de 02 de fevereiro de As análises diagnósticas e simulações numéricas deste evento para grades de 25 km e 5 km estão em Hallak et al. (2004). O presente artigo apresenta apenas os resultados para a grade de 3 km. A Fig. 1 mostra a imagem do canal infravermelho do satélite GOES-12 para 1939 UTC de 02/02/2004. O sistema convectivo sobre a RMSP é quase circular (Fig. 1) e com taxas de precipitação elevadas (Fig. 2). Observam-se áreas mais extensas de nebulosidade com o satélite GOES-12 e áreas menos extensas de chuva com o radar meteorológico. O topo da célula convectiva sobre a RMSP tem cerca de 80 km de diâmetro e indica fortes correntes ascendentes. 2

3 Tabela I: Características das simulações numéricas com o modelo ARPS Configuração dos Resolução da grade horizontal experimentos 27 km 9 km 3 km Número de Pontos 108 x x x 108 Pontos na Vertical Primeiro Nível 40 m 20 m 10 m Altura do Topo 30 km 29 km 28.5 km Tempo de Integração 25 h 25 h 25 h Passo de Tempo 60 s 20 s 6 s Condições Iniciais e de Contorno AVN (100 km) ARPS (27 km) ARPS (9 km) Topografia (USGS) 900 m 900 m 900 m Parametrização de Cúmulos? Sim Sim Não Parametrização de Microfísica? Sim Sim Sim Camadas de Solo Tipo de Solo USGS USGS USGS Tipo de Vegetação USGS USGS USGS Na simulação deste evento com resolução de 3 km não se utilizou a parametrização de cúmulos para melhor avaliar a parametrização de microfísica de Lin et al. (1983). Hallak et al. (2006) detalham este esquema aplicando-o a uma célula convectiva profunda idealizada. A célula profunda simulada (Fig. 3a) é similar à observada com o radar meteorológico (Fig. 3b) as 2100 UTC. Houve uma tendência de formação de sistemas precipitantes orientados na direção SW-NE. Fig. 1: Imagem do canal infravermelho do satélite GOES-12 de 02/02/2004 às 1939 UTC. Circunferência indica sistema convectivo analisado. Áreas com tons mais claros (escuros) indicam topos de nuvens mais altos (baixos). 3

4 Fig. 2: Composição dos campos de temperatura de brilho (tons de cinza) da imagem do satélite GOES-12 no canal infravermelho das 1945 UTC e CAPPI de 3 km do radar de São Paulo às 1946 UTC em 02/02/2004. A circunferência indica a área de abrangência do radar meteorológico. A Fig. 4a mostra o campo de nebulosidade simulada pelo modelo com a direção do corte vertical (Fig. 4b) que mostra os campos de razão de mistura de água de nuvem (q c ) e de cristais de gelo (q i ) da célula sobre a RMSP (Fig. 1) às 2030 UTC de 02 /02/2004. Uma célula convectiva profunda intensa é aparente na região oeste da Cidade de São Paulo, com velocidade vertical máxima de 8 m s -1 em 8 km e temperatura de -40 ºC onde a microfísica de Bergeron é dominante. Neste processo, os cristais de gelo crescem às expensas das gotículas de água super-resfriadas. Esse processo é bastante eficiente na produção de gelo que produz liberação de calor latente adicional. Este incremento de energia reforça a instabilidade na nuvem. A nebulosidade simulada é quase circular e proporcional à observada na imagem de satélite da Fig. 1. O diâmetro da nuvem simulada tem cerca de 20 km. Imediatamente abaixo da corrente ascendente principal na Fig. 3b há uma corrente descendente entre m e a superfície devido ao arrasto do ar pelas gotas que evaporam e aumentam o empuxo negativo. 4

5 (a) (b) Fig. 3: Precipitação acumulada horária simulada (a) e estimada com radar de meteorológico de São Paulo (b) as 2100 UTC de 02/02/2004. Escala de cores indica acumulações (mm h -1 ). CONCLUSÕES Os resultados da simulação da tempestade do dia 02/02/2004 com o modelo ARPS com a apenas a microfísica de nuvens na grade de 3 km indicam que as características do sistema quanto a sua extensão vertical e horizontal, taxas de precipitação, localização e duração são compatíveis com as do sistema monitorado pelo radar meteorológico de São Paulo e satélite GOES-12. As simulações também permitiram uma avaliação das correntes ascendentes e descendentes, conteúdos de hidrometeoros e dinâmica interna. (a) Fig. 4: (a) Conteúdo de água integrado na vertical (g kg -1 ) devido as razões de mistura de água de nuvem (q c ), cristais de gelo (q i ), neve (q s ) e granizo/graupel (q h ) simulados com o modelo ARPS em 02/02/2004 às 2030 UTC com a grade 3 km. A direção do corte vertical de q c +q i (b) está indicada pela linha vermelha. As isotermas de 0 ºC (vermelha) e -40 ºC (azul claro) estão indicadas no corte vertical (b). Escala de cores indica os valores de q c e q i (g kg -1 ). Isolinhas indicam a intensidade do vento vertical (m s -1 ). 5

6 Fig. 4: Continuação. AGRADECIMENTOS O primeiro autor agradece à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) e, o segundo, ao CNPq, pelo suporte ao desenvolvimento desta pesquisa. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Hallak, R., Pereira Filho, A. J., Gandu, A. W., Silva, F. G., 2004: Uso do modelo de mesoescala ARPS para simulações de tempestades severas em altíssima resolução espacial na Bacia do Alto Tietê. XIII Congresso Brasileiro de Meteorologia, Fortaleza, CE, 28 de Agosto a 03 de Setembro de 2004 (CDROM). Hallak, R., Pereira Filho, A. J., Gandu, A. W., 2006: Simulação numérica do ciclo de vida de uma célula convectiva profunda e a parametrização de microfísica de nuvens de Lin no modelo ARPS XIV Congresso Brasileiro de Meteorologia, Florianópolis, SC, 28 de Novembro a 1 de Dezembro de 2006 (CDROM). Lin, N.-T, Farley, R. D., Orville, H. D., 1983: Bulk parameterization of the snow field in a cloud model. J. Clim. Appl. Meteor., 22, Orlanski, I., 1975: A Rational Subdivision of Scales for Atmospheric Processes. Bull. Am. Met. Soc., 56, Xue, M., Wang, D.-H., Gao, J., Brewster, K., Droegemeier, K. K., 2003: The Advanced Regional Prediction System (ARPS), storm-scale numerical weather prediction and data assimilation. Meteor. Atmos. Phys., 82,