Modelagem do índice ultravioleta em presença de nuvens cirrus

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1 Modelagem do índice ultravioleta em presença de nuvens cirrus Marcelo de Paula Corrêa 1, Sophie Godin-Beekmann 2, Martial Haeffelin 3 1 Instituto de Recursos Naturais Universidade Federal de Itajubá, Itajubá/MG mpcorrea@unifei.edu.br 2 LATMOS Université Pierre et Marie Curie Centre National de la Recherche Scientifique, Paris, France 3 Institut Pierre Simon Laplace, École Polytechnique, Palaiseau, France RESUMO: Este trabalho propõe uma técnica simples para modelagem de nuvens do tipo cirrus em cálculos do índice ultravioleta. Para tanto, foram utilizados dois sensores distintos para inferência da espessura óptica de nuvens, um Lidar e um Cimel/Aeronet. Os resultados mostram uma boa correlação entre as medidas, com erros inferiores a 10% na grande maioria dos dados simulados. ABSTRACT: This work shows a simple technique for cirrus cloud modeling in ultraviolet index calculations. We use two different sensors for cloud optical thickness inference, a Lidar and a Cimel/Aeronet. The results show a good correlation between the measurements with errors smaller than 10% in the most part of the calculations. Palavras-Chave: Radiação ultravioleta, nuvens cirrus, modelagem numérica da radiação. 1. INTRODUÇÃO Os fluxos de radiação ultravioleta (R-UV) são afetados pela presença de nuvens que geralmente provocam atenuação do feixe incidente. Quando o sol está completamente encoberto, as nuvens intensificam a componente difusa e reduzem a componente direta. A irradiância global geralmente diminui, pois a atenuação de radiação direta é mais eficiente que a produção de radiação difusa descendente. Sob condições de céu totalmente encoberto, essa diminuição pode chegar a 70%. No entanto, em situações específicas, nas quais o céu não está totalmente encoberto e as nuvens não chegam a ocultar o disco solar, os fluxos globais de radiação podem até mesmo serem aumentados em mais de 25% (Bodeker e McKenzie, 1994). Por envolverem uma geometria complexa e de disposição caótica, as condições de nebulosidade são de difícil implementação em modelos computacionais. Além disso, alguns estudos mostram que a seleção de nuvens pela nomenclatura usual (stratus, cumulus, etc.) não pode ser considerada um bom parâmetro para análise (Frederick e Steele, 1995). Por esta razão, é comum a utilização de fatores matemáticos, tal como o CMF Cloud Modification Factor, empíricos e restritos a situações muito particulares, para representar certos tipos e quantidades de nuvens (Foyo-Moreno et al., 2001). Devido às diversas incertezas no tratamento matemático para nuvens, na maioria dos casos é viável a utilização de constantes (fatores de atenuação) baseadas em médias experimentais relacionadas à natureza das nuvens encontradas em diferentes níveis da atmosfera. Pode-se afirmar que a utilização desses valores é simplista por consistir de um fator a ser multiplicado às irradiâncias previamente calculadas para uma situação de céu claro. Corrêa (2003) mostra em um estudo de sensibilidade envolvendo modelagem matemática para coberturas de nebulosidade estratificada, que o aumento da espessura óptica da nuvem (COT) é um fator atenuador da radiação global e direta e do índice ultravioleta (IUV). Porém, a irradiância difusa comporta-se de maneira distinta, tendo um papel preponderante no total de radiação que atinge a superfície, principalmente para espessuras ópticas acima de 1,5. Considerando o sol próximo ao zênite, o aumento de COT de 0,1 para 0,5 atenua o IUV em cerca de 3%. Se a espessura óptica passa a 5, essa atenuação é de

2 aproximadamente 20%. Porém, nesta mesma condição, a atenuação da irradiância direta pode chegar a 75%, enquanto a difusa é incrementada em mais de 115%. Quando o sol está mais próximo do horizonte e o espalhamento Rayleigh torna-se mais intenso, a atenuação do fluxo direto é ainda maior, fazendo com que haja menos radiação disponível, diminuindo, também, o incremento que ocorre à radiação difusa. Neste estudo são avaliadas medidas de R-UV realizadas sob coberturas profundas de nuvens cirrus comumente observadas nos céus da Île-de-France (grande Paris), França. Os cirrus nessa localidade são, na maior parte das vezes, formados a partir de contrails resultantes da circulação de aviões em um espaço aéreo conhecido como um dos mais movimentados do planeta. Utilizamos informações de dois sensores distintos para inferir a COT e estimar o IUV sob tais condições. As simulações foram validadas com medidas de IUV realizadas durante o experimento RISC-UV ( 2. METODOLOGIA O experimento RISC-UV proporcionou dois conjuntos de medidas experimentais realizadas durante o outono (setembro e outubro 2008) e a primavera (maio e junho 2009) no sítio experimental do SIRTA em Palaiseau, França (48.7 N; 2.2 E; 170m. Haeffelin et al., 2005). As medidas de R-UV foram realizadas pelo seguinte conjunto de instrumentos: a) Espectrômetro Bentham, para medidas espectrais de radiação entre 290 e 650 nm; b) Piranômetro Yesdas UVB-1, medidas de R-UVB integradas entre 280 e 320 nm; c) Radiômetro UVS-AE-T Kipp & Zonen que mede radiação na banda UVA ( nm) e UV biologicamente ativa (UVE), ponderada pela resposta espectral da pele humana; e, d) Biômetro UVB501, para medidas radiação UVE. Um segundo conjunto instrumental forneceu as informações de outros aspectos pertinentes às condições atmosféricas. As profundidades ópticas de aerossois e nuvens foram derivadas de um Lidar ( e um fotômetro Cimel/Aeronet ( aeronet.gsfc.nasa.gov), respectivamente. O conteúdo total de ozônio foi avaliado por sensoriamento remoto, por meio do Ozone Monitoring Instrument OMI/Aura ( e por medidas de superfície realizadas com um Microtops II Ozonometer. Foram selecionadas como informações reais, as medidas realizadas sob duas condições: céu claro (sem nuvens) e céu estratificado coberto com nuvens cirrus. As simulações numéricas foram feitas com o modelo Tropospheric Ultraviolet-Visible Model (TUV) (Madronich et al., 2002) que roda um modelo de espalhamento múltiplo por ordenadas discretas (8-stream). Um perfil atmosférico padrão para latitudes médias (Ellingson et al., 1991) e refletância média da superfície de 3% foram consideradas. Para as simulações sob céu claro, as espessuras ópticas de aerossóis (AOT) foram inferidas a partir de dados Aeronet. Devido ao fato que as propriedades ópticas de nuvens, principalmente as do tipo cirrus, não serem bem conhecidas, optamos por efetuar um tratamento simplista para implementação das mesmas no modelo TUV. Os cálculos foram realizados em duas etapas, uma para radiação difusa, outra para radiação direta. Esta estratégia foi uma tentativa de se obter melhores resultados ao utilizar valores de COT fornecidos por instrumentos com arquitetura distinta. Por ser um instrumento direcionado para o zênite e que, portanto, não depende somente do fluxo direto de radiação solar, o Lidar forneceu valores de COT para os cálculos da parte difusa da radiação incidente (COT Difusa ). No caso da radiação direta, optouse por adaptar os dados brutos (nível 1.0) do Cimel/Aeronet para inferência da COT. Para tanto, os valores de COT Direta, foram calculados a partir da relação: COT = k(aot α ) (1)

3 Onde k = 2,15, para este estudo, é um fator de correção obtido do ajuste entre as inferências do Lidar (COT) e ao Aeronet (AOT) (Dupont, 2008); e, α = 0,1, é o valor médio climatológico de AOT medido na base de operações do SIRTA. Mantivemos os valores típicos da literatura para o parâmetro de assimetria (0,8500) e albedo simples (0,9999) observados em nuvens cirrus (Takano e Liou, 1989). 3. RESULTADOS Neste trabalho é mostrada a comparação entre medidas reais e simulações de IUV para o dia 17 de setembro de A figura 1a (à esquerda) mostra os valores de COT inferidos das medidas do Lidar (COT difusa ) e Aeronet (COT direta ), enquanto a figura 1b (à direita) mostra a cobertura de nuvens e aerossois obtidas dos dados Lidar em 1064nm. Figura 1a Espessura óptica de nuvens cirrus; Figura 1b Imagem Lidar da cobertura de nuvens e aerossois. Observações realizadas no sítio experimental do SIRTA, Palaiseau, França 17/09/2008 Da figura 1b é possível observar uma espessa camada de nuvens entre 7 e 12 km de altitude, durante toda a jornada. Uma camada mais tênue, porém não menos constante, de aerossois atmosféricos é observada da superfície a 2 km de altitude. O valor médio do conteúdo integrado de ozônio para este dia foi de 286 DU (unidades Dobson). A figura 2 mostra os resultados das comparações entre os valores de IUV medidos e aqueles simulados para condições de céu claro (sem nuvens e considerando uma cobertura de aerossois com AOD = 0,1) e na presença de nuvens do tipo cirrus, enquanto a figura 3 apresenta as diferenças relativas observadas entre as medidas e simulações sob presença de cirrus. Um aspecto interessante a ser observado na figura 2 é o incremento momentâneo ao IUV causado pelas nuvens. Em diversas medidas é possível observar valores de IUV superiores àqueles que seriam teoricamente observados para uma condição de céu claro e, por este motivo, algumas situações de nebulosidade não podem ser vistas como um fator de proteção às exposições à R-UV. Conforme mostra a figura 3, na maior parte das medidas, as diferenças observadas entre valores simulados e reais são inferiores a 10%, o que implica em diferenças em torno de 0,15 IUV. Considerando valores absolutos as diferenças médias ficaram em torno de 5,2% com um desvio padrão de ± 5,6%. Esses resultados são muito positivos, uma vez que tais diferenças são semelhantes aos erros instrumentais envolvidos em medidas desta natureza.

4 Figura 2 Comparação entre medidas (linha verde) e simulações de IUV para condições de presença de cirrus (linha vermelha). A linha azul mostra uma simulação em condições de céu claro. Observações realizadas no sítio experimental do SIRTA, Palaiseau, França 17/09/2008 Figura 3 Diferenças relativas entre a simulação de IUV para condições de nebulosidade e as medidas realizadas no sítio experimental do SIRTA, Palaiseau, França 17/09/2008

5 4. CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS Este estudo apresentou uma técnica simplista para a consideração da presença de nuvens cirrus em modelos numéricos para cálculo do IUV. Os resultados mostraram uma boa correlação entre medidas e simulações, com diferenças inferiores aos erros instrumentais e de inferências normalmente acumulados em cálculos desta natureza. Outro aspecto interessante das medidas é a observação de situações de incremento da R-UV disponível em superfície em situações de presença de nebulosidade. Comumente observado em presença de cumulus de bom tempo, o aumento do IUV na presença de nuvens geralmente não é considerado em presença de nuvens do cirrus. O modelo numérico permitiu mostrar numericamente a situação testando-a contra simulações realizadas para céu claro. A análise completa dos dados coletados no experimento RISC-UV está sendo analisada de modo a se obter uma avaliação mais consistente do modelo sugerido neste trabalho. O estudo compreende medidas em situação de IUV mais elevado, assim como na presença de camadas de nuvens cirrus com diferentes profundidades. AGRADECIMENTOS: Este trabalho foi realizado no âmbito do projeto RISC-UV, financiado pelo Climate-Environment-Society Consortium (GIS/CES, France). Agradecemos ao suporte técnico das equipes do SIRTA, Palaiseau e do LOA,Lille. O primeiro autor gostaria de agradecer ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e à Fundação de Amparo à Pesquisa de Minas Gerais (Fapemig). REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BODEKER, G.E. E R.L. MCKENZIE. An algorithm for inferring surface UV irradiance including cloud effects. J. Appl. Climatol., 25, , DUPONT, J.C. Impact radiatif des nuages de haute altitude sur le bilan radiatif à la surface de la Terre. Quantification expérimentale et analyse. Thèse de doctorat (tese de doutorado). Laboratoire de Météorologie Dynamique, Ecole Polytechnique, Palaiseau, França. 206p FOYO-MORENO, I., I. ALADOS, F.J. OLMO, J. VIDA E L. ALADOS-ARBOLEDAS. On the use of a cloud modification factor for solar UV ( nm) spectral range. Theor. Appl. Climatol., 68, 41-50, ELLINGSON, R.G., ELLIS, J.; FELS, S The Intercomparison of Radiation Codes used in Climate Models: long wave results. Journal of Geophysical Research, 96(D5): FREDERICK, J.E. E H.D. STEELE. The transmission of sunlight through cloudy skies: an analysis based on standart meteorological information. J. Appl. Meteor., 34, , HAEFFELIN, M. et al. SIRTA, a ground-based atmospheric observatory for cloud and aerosol research. Ann. Geophys., 23, , 2005 MADRONICH, S., S. FLOCKE, J. ZENG, I. PETROPAVLOVSKIKH, J. LEE-TAYLOR. TUV Manual "Tropospheric Ultraviolet-Visible Model (TUV)" version 4.1. Available at TAKANO, Y.; K. N. LIOU. Solar radiative transfer in cirrus clouds. Part I: Single-scattering and optical properties of hexagonal ice crystals. J. Atmos. Sci., 46, 3-19, WHO (2002) Global Solar UV Index: A Practical Guide. World Health Organisation (WHO), World Meteorological Organisation (WMO), United Nations Environment Program (UNEP), and International Commission on Non-Ionising Radiation Protection (ICNRP), Geneva, 18 p.