3. Análise dos campos de radar associados a rolos convectivos horizontais

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1 ASSINATURAS DE AR CLARO DO RADAR DE BAURU: OBSERVAÇÃO DE ROLOS CONVECTIVOS HORIZONTAIS Maria Andrea Lima Instituto de Pesquisas Meteorológicas-IPMet/UNESP C.P.281 Bauru São Paulo Abstract: Coherent structures were observed in the radar reflectivity echoes during the afternoon on 15 August 1995 in the boundary layer. Evidence has indicated association with the presence of horizontal convective rolls. Reflectivity values ranged, tipically, from 5 to 10dBZ. Doppler radar velocity has shown secundary flow wind embedded in the boundary layer mean flow. The wind, blowing from west, was well correlated with the rolls orientation (~290 o ). The comparison with several studies has shown similar characteristics. The results confirm the clear air capability from the DWSR- 88S of Bauru. 1. Introdução Durante o projeto Validação do Perfil do Vento com Radar Doppler em Bauru, (Calheiros et al., 1997), estruturas coerentes no campo da refletividade ocorreram na tarde do dia 15 agosto 1995, sugerindo uma associação com a presença de rolos convectivos horizontais. O conjunto de dados coletados permitiu, adicionalmente, o estudo destas circulações 2D bem como a determinação de suas principais características. O objetivo deste trabalho é apresentar os resultados obtidos na caracterização dessas estruturas conforme identificadas pelos campos de refletividade e velocidade Doppler. 2. Rolos convectivos horizontais Diferentes experimentos, em várias regiões do mundo, foram realizados para estudar rolos convectivos horizontais que manifestam-se como grandes vórtices organizados na camada limite planetária. O estudo deste fenômeno é importante pelo seu papel no transporte de momentum, calor, umidade e poluentes na camada limite. Sua manifestação mais evidente é a chamada rua de nuvens, comumente identificada através de imagens de satélites. Uma variedade grande de termos é utilizada para referenciá-los: rolos convectivos horizontais, convecção de rolo, vórtices de rolos, ou simplesmente rolos, entre outros. As diversas teorias que existem para explicar a formação dos rolos envolvem as instabilidades térmica e dinâmica (paralela e ponto de inflexão). No caso da instabilidade térmica, a fonte de energia para a formação dos rolos provém da flutuação. No caso da instabilidade dinâmica é o cisalhamento do vento, ao longo dos rolos para a instabilidade paralela e normal a eles, para a instabilidade ponto de inflexão. No entanto, um único modo de instabilidade não consegue explicar as estruturas observadas desses grandes vórtices em uma camada limite planetária real. Outros estudos têm indicado que uma certa combinação das duas instabilidades existe quando os rolos são observados, levando a um consenso na utilização de uma teoria que combine as duas (Etling e Brown, 1993). Com o advento de radares Doppler pode-se comprovar a existência dessas circulações em um ambiente sem nuvens e, mais ainda, comprovar sua ausência mesmo em presença das ruas de nuvens. Weckwerth et al., 1997, argumentaram que parte da controvérsia dos resultados sobre a formação e características dos rolos em diferentes condições ambientais, pode ser atribuída à associação da existência de rolos com a presença de rua de nuvens. 3. Análise dos campos de radar associados a rolos convectivos horizontais Durante o projeto Validação do Perfil do Vento com Radar Doppler em Bauru, foram realizados experimentos de aquisição de dados de radar simultânea a sondagens verticais da atmosfera. As varreduras volumétricas do radar, para um raio de alcance de 30km, foram efetuadas com uma resolução em distância de 125m, para sete elevações da antena (0.3, 1, 3, 5, 7, 8 e 9). Com esta geometria espacial amostrou-se a camada limite planetária onde tipicamente manifestam-se

2 refletividades em condições de céu claro. Essas refletividades são provenientes principalmente das flutuações turbulentas do índice refrativo da atmosfera e/ou da presença de material particulado (Calheiros et al., 1997). No dia 15 de agosto 1995, com a predominância de uma alta subtropical, já um tanto enfraquecida pela proximidade de um sistema frontal, formou-se no decorrer do dia uma camada de mistura profunda (2400m) e definida no período da tarde (Fig.1). A temperatura potencial (311K) e a razão de mistura (7.5 g.kg 1 ) apresentaram-se quase constantes. A direção do vento variou muito pouco com a altura na camada limite, soprando praticamente de oeste, com uma velocidade média de ~10ms -1. O cisalhamento foi de 1.3x 10 3 s 1. Um jato, de 14ms -1, foi detectado próximo à superfície (Fig.2). Entre 13:00h e 15:00h, configurações elípticas apareceram no campo da refletividade (Fig.3), sugerindo a presença de rolos convectivos horizontais. As bandas foram orientadas na direção do azimute 290 o, à direita (20 o ) do escoamento ambiental na camada limite. Fig. 1. Perfil vertical da razão de mistura (q) e da temperatura potencial (θ) na camada limite. Fig. 2. Perfil vertical do vento, direção e velocidade na camada limite. Fig. 3. Campo de refletividade para elevação de 3 o da antena às 14:10h, 15 agosto A linha AB e CD representam a posição de seções verticais. As setas indicam a direção da qual estas seções são vistas. Os anéis são a cada 10km Campo da refletividade Quando amostrados por um radar Doppler, rolos convectivos horizontais, aparecem como uma banda de ecos orientados na direção do vento médio na camada limite. O campo da refletividade (Fig.3) mostrou estas bandas de ecos orientadas no sentido NW-SE, em 3 o de elevação da antena, onde identificou-se com maior clareza a presença dos rolos. Nas elevações mais baixas, as refletividades apresentaram-se aleatoriamente dispostas, mostrando uma organização mais definida para as maiores elevações. Estas estruturas observadas apresentaram-se confinadas dentro da camada de mistura, limitadas pela camada

3 de transição. O valor de 5dBZ determinou mais claramente o contorno externo das bandas de refletividade. Tipicamente, valores entre 5 dbz a 10 dbz foram observados durante seu tempo de vida (~2h). Ao longo das bandas observou-se a existência de núcleos arredondados ou ovalados de máximo de refletividade (10 dbz) espaçados quase que regularmente (3-8km). Esta configuração dos máximos, semelhante à encontrada por Cristian e Wakimoto (1989), é típica do campo de refletividade associado à presença de rolos convectivos. É chamada de colar de pérolas devido à sua aparência. Cortes verticais, ao longo destes núcleos de máxima refletividade, sugeriram uma associação com a presença de térmicas (Fig.4). As principais características dos rolos determinadas para o dia 15 de agosto são apresentadas na Tabela 1, onde inseriu-se, para comparação, os resultados de vários estudos apresentados por Etling e Brown (1993). Tabela 1. Características dos rolos convectivos horizontais para 15 agosto Bauru Etling e Brown Extensão vertical H ~2 km 1-2 km Comprimento de onda λ ~3 km 2-20 km Relação de aspecto H/λ Orientação do rolo em relação ao vento ε +20 o -20 o a +30 o Tempo de vida τ ~2 h 1-72 h (*) Relação de aspecto: razão entre o comprimento de onda dos rolos convectivos e a profundidade da camada limite. Fig. 4. Seção vertical AB, indicada na Fig.1, ao longo de um rolo convectivo horizontal. As refletividades mais intensas (>25dBZ), próximas à superfície, são ecos de terreno. As demais representam as térmicas. Esses retornos de céu claro são provenientes, principalmente, da presença de material particulado e de contribuições das flutuações turbulentas do índice refrativo da atmosfera Campo de velocidades Doppler Em um campo de velocidades Doppler, rolos convectivos horizontais deverão aparecer como fracas bandas de escoamento direto e oposto ao fluxo ambiental. Um modelo deste escoamento é apresentado por Cristian e Wakimoto (1989). Uma adaptação, para o escoamento ambiental observado no dia 15 agosto de 1995, é apresentada na Fig.5. Espera-se que as bandas de refletividade detectadas pelo radar estejam associadas a regiões de convergência produzidas pela circulação dos rolos. Da mesma forma, áreas livres de ecos devem estar associadas a regiões de divergência. Como rolos convectivos horizontais são quase sempre orientados na direção do vento médio da camada limite, nas áreas livres de ecos o escoamento é predominantemente o do ambiente. Isto é representado por um campo de velocidade radial para fora/para dentro do radar. Na região dos rolos, as áreas de

4 divergência/convergência, perpendiculares ao escoamento do ambiente produzidas por uma circulação transversa, são representadas por uma linha de velocidade radial zero, ou seja, tangencial ao radar. A circulação dos rolos, em uma atmosfera real, nem sempre é tão simplificada quanto à apresentada no modelo. Os rolos não são exatamente simétricos e, em muitas vezes, as circulações são do tipo helicoidais. O campo da velocidade radial (Fig.6) para o dia 15 agosto, mostrou uma relação entre as bandas de ecos detectadas e a presença de rolos. As assinaturas da circulação associada aos rolos convectivos são representadas pelas linhas de velocidade radial zero ao longo do escoamento ambiental. Estas assinaturas foram também identificadas em cortes verticais perpendicular aos rolos (Fig.7 e 8). Duas regiões principais de convergência, associadas às bandas entre 9-13km e 18-25km, são identificadas. Estas regiões de convergência são representadas por linhas verticais de velocidade radial zero, com velocidades para o radar à esquerda e para fora do radar à direita. Uma circulação, no sentido dos ponteiros do relógio, está associada aos rolos: ar subindo no seu lado norte e descendo no seu lado sul. A comparação entre o campo de refletividade e velocidades radiais não mostrou uma relação direta entre áreas de convergência e a existência de ecos. Fig. 5. Modelo de escoamento proposto por Cristian e Wakimoto (1989, p.1540), representando a circulação dos rolos vista em um PPI (Plan Position Indicator) Doppler. O escoamento foi modificado para ajustar-se às observações do vento no dia 15 agosto Fig. 6. Campo de velocidade radial para a elevação de 3 o da antena às 13:35h, 15 agosto As bandas de escoamento para o radar, perpendicular ao escoamento do ambiente (~285 o : informação Doppler), representam a circulação dos rolos. 4. Conclusão As análises apresentadas mostraram a identificação pelo radar de Bauru da presença de rolos convectivos horizontais na camada limite planetária no dia 15 de agosto de Assinaturas características deste fenômeno foram encontradas no campo de refletividade e velocidades radiais. Os resultados das análises dos campos de radar Doppler em ar claro mostraram que o radar não está

5 restrito ao estudo de tempestades mas, também, pode contribuir significativamente para o estudo da estrutura da camada limite planetária, na escala dos grandes vórtices. Fig. 7. Seção vertical CD, indicada na Fig.1, da refletividade, perpendicular aos rolos. 4. Bibliografia Fig. 8. Seção vertical CD, indicada na Fig.1, das velocidades radiais, perpendicular aos rolos. CALHEIROS, R.C., A. M. GOMES, M. A. LIMA, M. de A. ANTONIO. Clear-air wind profiling in the planetary boundary layer with microwave radar. In: International Conference on Southern Hemisphere Meteorology and Oceanography, 5, Pretória (Africa do Sul), Preprints...Boston(Mass), AMS, 1997, p CRISTIAN, T.W., R.M. WAKIMOTO. The relationship between radar reflectivities and cloud associated with horizontal roll convection on 8 August Montly Weather Review, v. 117, p , ETLING, D., R. A. BROWN. Roll vortices in the planetary boundary layer: A review. Boundary- Layer Meteorology, 65, p , WECKWERTH, T.M., J.W. WILSON, R.M. WAKIMOTO, N.A. CROOK. Horizontal convective roll: Determining the environmental conditions supporting their existence and characteristics. Montly Weather Review, v. 125, p , Agradecimentos: À A.M. Gomes pelas valorosas discussões no decorrer do trabalho.