MONITORAMENTO DA PRECIPITAÇÃO E DE EVENTOS DE TEMPO SEVERO COM RADAR METEOROLÓGICO NO ESTADO DO PARANÁ

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1 MONITORAMENTO DA PRECIPITAÇÃO E DE EVENTOS DE TEMPO SEVERO COM RADAR METEOROLÓGICO NO ESTADO DO PARANÁ Cesar Beneti, Itsumi Nozu e Ernandes A. Saraiva SIMEPAR Sistema Meteorológico do Paraná COPEL Companhia Paranaense de Energia C. Postal 318 Curitiba PR Tel: /r.6350 Fax: ABSTRACT SIMEPAR operates the first meteorological radar for weather surveillance and precipitation monitoring in Parana State. The qualitative coverage area comprehends the States of Parana, Santa Catarina, north of Rio Grande do Sul and south of Sao Paulo. For the monitoring of precipitation systems affecting the radar coverage area, operational tasks were defined, as described in this paper, allowing for an assessment with high spatial resolution and in real time of wind and precipitation measurements. Together with a lightning detection and location system and a network of automatic surface meteorological stations, also operated through SIMEPAR, the available weather radar information allows for a better performance on severe weather surveillance and short-term precipitation forecast. An example of meteorological surveillance of a severe weather event on the west of Parana State is also presented. 1. INTRODUÇÃO O SIMEPAR opera o primeiro radar meteorológico com a finalidade de monitoramento da precipitação e vigilância do tempo no Estado do Paraná. A área de cobertura qualitativa (raio de 480km ao redor do radar) compreende todo o Paraná, Santa Catarina, norte do Rio Grande do Sul e sul de São Paulo. Juntamente com o sistema de detecção de descargas atmosféricas e a rede de estações meteorológicas automáticas de superfície, também operados pelo SIMEPAR, as informações disponibilizadas pelo radar meteorológico possibilitam um melhor desempenho na vigilância de eventos severos e previsão a curto prazo da precipitação. Na Figura 1 estão representadas as localizações das estações meteorológicas, hidrológicas, sensores de descargas atmosféricas, e radar meteorológico no Estado do Paraná. 2. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS E OPERAÇÃO DO RADAR O radar DWSR-95S/EDGE é um radar meteorológico Banda-S Doppler, com polarização dual, cujo gerenciamento da aquisição, processamento e visualização das informações do radar é feito através do software EDGE - Enterprise Doppler Graphics Envionment (EEC - Enterprise Electronic Corporation). As características técnicas do radar estão apresentadas na Tabela 1. A antena do radar DWSR-95S, de 8,2m de diâmetro, gera um feixe de ondas eletromagnéticas com aproximadamente 0,9 o de abertura, e monitora continuamente a atmosfera com uma sequência préprogramada de varreduras azimutais em 360 o. Um volume de varredura corresponde a uma sequência completa de várias varreduras azimutais com elevações diferentes da antena. O sistema de processamento dos sinais do DWSR-95S gera três quantidades (ou momentos) básicas em Meteorologia com Radar: Refletividade, Velocidade Radial Média e Largura Espectral, que

2 é uma medida da variabilidade da velocidade radial no volume amostrado. Com a inclusão da polarização dual também são geradas medidas de refletividade diferencial (ZDR). Figura 1: Localização do radar meteorológico do SIMEPAR, das estações meteorológicas e hidrológicas e também dos sensores do sistema de detecção de descargas atmosféricas. (Ao redor do radar, estão representados os seguintes raios de alcance: 30, 60, 120 e 240km) Tabela 1: Características técnicas do radar DWSR-93S/EDGE operado pelo SIMEPAR. Frequência de Operação 2,7 a 2,9GHz Potência de Pico (mínimo) 850kW Largura de Pulso 0,8 e 2,0 µs Freq. de Repetição de Pulso 250Hz a 934Hz Polarização Linear horizontal (possib. dual) Ganho da Antena 45dB nominal Largura do feixe 0,9 o Lóbulos secundários 23db abaixo do lóbulo principal MDS Mínimo Sinal Detectável -111dBm Através do sistema de informação EDGE, a aquisição dos dados pode ser configurada de diversas formas. Para cada volume de varredura seleciona-se o tipo de processamento que deve ser feito enquanto se realiza a tarefa, quais os filtros a serem utilizados nas medidas de velocidade Doppler, a resolução temporal e espacial dos dados, a frequência de repetição do pulso eletromagnético e a amostragem dos dados, entre outros parâmetros. Foram definidas rotinas de coleta de dados que permitem uma avaliação de alta resolução espacial e temporal das medidas de precipitação e ventos, denominadas por: MODO CHUVA e MODO AR CLARO, com um resumo esquemático apresentado na Figura 2. Nos dois modos mantém-se em operação uma tarefa básica denominada VIGILÂNCIA, para o acompanhamento dos sistemas de chuva na área de alcance do radar (raio de 480km, qualitativa). Os dados são coletados nas elevações de 0,0 o e 0,3 o e os ecos de terreno ( ground clutter ) são tratados apenas com as rotinas do próprio EDGE (filtro Doppler e mapa de ecos). Usa-se uma Frequência de Repetição do Pulso (PRF Pulse Repetition Frequency ) de 250Hz, associada a uma velocidade radial média não-ambígua de 6,6m/s. Na elevação mais baixa (0,0 o ), metade do feixe eletromagnético é interceptado pelo solo, interferindo com a medida quantitativa da refletividade e velocidade Doppler, permitindo-se apenas o monitoramento da precipitação qualitativa da precipitação num raio de 480km. A segunda elevação da antena de 0,3 o vai permitir uma avaliação dos padrões de refletividade próximo

3 à superfície terrestre, porém com os efeitos da interceptação do feixe no solo em menor extensão, podendo-se utilizar também as medidas Doppler próximo ao radar (raio de 240km), conforme apresentado por Smith (1998). Ao se registrar a ocorrência de precipitação entrando na área de cobertura do radar à partir de informações meteorológicas adicionais tais como fotos de satélite e o sistema de localização de descargas atmosféricas, utiliza-se o conjunto de tarefas do MODO CHUVA. Na área do radar com quantificação Doppler (240km), diversos produtos podem ser utilizados na melhor caracterização dos sistemas de tempo atuantes, com análise da estrutura e evolução das tempestades para o apoio na previsão do tempo em pequena escala, de 0 a 6 horas, por exemplo. A escolha da tarefa volumétrica levou em consideração vários parâmetros a serem ajustados no radar: número de elevações, incremento entre elevações consecutivas, número de amostras, largura do pulso, e PRF, entre outros, que determinam a área a ser coberta pelas medidas Doppler, a velocidade radial média não-ambígua e o tempo mínimo entre as tarefas. O impacto deste conjunto de parâmetros nas medidas de radar e no monitoramento do ciclo de vida das tempestades que atuam nesta área ainda será estudado pois, de acordo com Howard et al. (1997), deve-se tomar precauções ao se utilizar alguns produtos de radar (mapa de topo dos ecos, altura da refletividade máxima, altura da base da nuvem erefletividade integrada na vertical, entre outros) tanto para fins operacionais quanto de pesquisa, devido às incertezas nas medidas e na forma de coleta das mesmas. Procurou-se definir uma tarefa de coleta de dados com o compromisso de varrer uma área com 240km de raio, em menor tempo possível e com velocidades radiais médias que apresentassem um mínimo de ambiguidade ou dobramento ( velocity folding ). Assim, optou-se por uma tarefa com tempo de duração médio de 9minutos, 14 elevações da antena, e PRF de 620Hz, correspondendo a uma velocidade não-ambígua de 16,6m/s. As elevações da antena estão no intervalo de 0,5 o a 23 o, o que mantém uma boa cobertura em níveis médios da atmosfera, porém, apresenta uma área cega (formato de cone) ao redor do radar próximo de 15km, onde o feixe mais alto se encontra a 7km de altura, aproximadamente. No caso dos campos de velocidade apresentarem dobramentos ( velocity folding ), quando o vento radial extrapola o intervalo de velocidade não-ambígua (16,6m/s), optou-se por uma técnica de PRF-dual, aumentando a resolução da velocidade sem prejuízo da integração em distância. Esta tarefa é utilizada para o monitoramento de eventos severos, sendo coletados os dados em apenas 4 elevações, com PRF dual na taxa de 3:2, com PRF alta de 620Hz e baixa de 413Hz, correspondendo a uma velocidade não-ambígua de 33m/s. Quanto não há registro de precipitação na área, utiliza-se o MODO AR CLARO, com PRF alta de 934Hz (velocidade não-ambígua de 25m/s), de alta resolução espacial (250m ao longo do feixe e duração do pulso de 0,8µs) numa área de cobertura do radar menor (120km). Este tipo de rotina tem-se mostrado bastante útil como indicativo de eventos de precipitação intensa (Calheiros e Lemon 1996). O sistema EDGE disponibiliza diversos produtos obtidos à partir de volumes de dados com várias elevações, tais como: PPI (Plan Position Indicator, um mapeamento dos dados em coordenadas polares), CAPPI (Constant Altitude PPI, um corte horizontal dos dados), VIL (basicamente, o campo de refletividade integrado na vertical, um forte indicador de tempesdes severas), VAD (perfil vertical do), mapas de topo de ecos, base de núvens, cisalhamento radial do vento, entre outros. Também estão disponíveis alguns produtos derivados dos momentos de refletividade e velocidade Doppler para estimativa da chuva acumulada em bacias hidrográficas e também para previsão de deslocamento de tempestades baseado no sistema TITAN (Dixon e Wiener 1993). 3. VIGILÂNCIA METEOROLÓGICA Com estas rotinas de operação do radar pretende-se monitorar os sistemas de tempo que afetam constantemente o Estado do Paraná, principalmente relacionados a eventos de precipitação e ventos intensos. Um exemplo de evento severo monitorado com o radar meteorológico do SIMEPAR foi o ocorrido no dia 07/05/98, associado à entrada de um sistema frontal pelo oeste do Estado durante à

4 noite e madrugada. A Figura 3 apresenta as imagens do radar às 23:00h local do dia 06/05 (02:00GMT de 07/05) e 01:30h local do dia 07/05 (04:30GMT de 07/05), como também uma imagem dos sistema de detecção de descargas atmosféricas das 22:52h local do dia 06/05 (01:52GMT de 07/05). Figura 2: Representação dos modos operacionais do sistema de radar do SIMEPAR, com os respectivos alcances dos dados. Os dados de velocidade radial Doppler estão disponíveis somente até o raio de 240km. O alargamento do feixe de 0,9 o com a distância e a altura do feixe na elevação de 0,5 o estão também representados. Este sistema ocasionou a queda de 7 torres de transmissão de energia a cerca de 240km a oeste do radar durante a passagem de uma intensa linha de precipitação com valores de refletividade superiores a 50dBZ, com uma extensão aproximada de 400km no sentido noroeste-sudeste, e deslocamento médio de 70km/h. (ver imagem das 04:30GMT) O sistema de detecção de descargas atmosféricas registrava uma grande densidade de descargas associada a esta linha de precipitação, como apresentada na Figura 3. As estações meteorológicas de superfície registravam rajadas de vento superiores a 16m/s durante a passagem do sistema, com valores próximos de 19m/s durante a passagem da linha de precipitação na observação das 01:30h local do dia 07 (04:30GMT). O sistema de detecção de descargas atmosféricas permite um bom acompanhamento das tempestades eletricamente ativas em uma área de cobertura maior que a do radar meteorológico do SIMEPAR, porém não permite uma avaliação quantitativa da evolução temporal e espacial da tempestade com relação ao deslocamento e estágio de vida das tempestades isoladas. As estações meteorológicas da rede telemétrica do SIMEPAR também não representam em tempo real e resolução espacial fina as informações necessárias para um bom monitoramento da precipitação e de ventos severos na região. O radar Doppler permite um melhor acompanhamento dos sistemas que atuam na área de cobertura com melhor resolução espacial e temporal, podendo ser utilizado também na previsão de muito curto-prazo (0 a 3 horas de previsão) quando acoplado a modelos numéricos de mesoescala, ou mesmo a partir da extrapolação de seus campos de refletividade e vento. 4. PLANOS FUTUROS A médio prazo procurar-se-á fazer uma avaliação dos produtos disponíveis pelo sistema EDGE como identificadores de tempestades severas e previsores do deslocamento dos mesmos nessa região do Brasil, a exemplo dos estudos de Beneti e Calheiros (1992) e Amorin et al. (1997) para os radares do Estado de São Paulo. Também nesse prazo será avaliada a utilização deste radar na estimativa da precipitação em superfície, principalmente na Bacia do Rio Iguaçu, envolvendo estudos para correção dos ecos de terreno e propagação anômala do feixe eletromagnético (Saraiva et al. 1998), e estimativas da relação entre refletividade e taxa de precipitação.

5 A longo prazo, serão avaliados ambientes interativos para a análise e visualização de dados e novos produtos de radar não disponíveis no atual sistema (EDGE), bem como a integração de outras informações meteorológicas, para o aprimoramento da previsão do tempo e estimativa da precipitação no Estado do Paraná. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Amorim, W. C. M., O. Massambani e I. Zawadzki, 1997: An evaluation of the predicted pulse-type thunderstorm gusts using horizontal divergence field from Doppler radar data. Preprints 28 th. Conf. Radar Meteor., AMS. Beneti, C. A. A. e R. V. Calheiros, 1992: Análise do conteúdo de água líquida integrado verticalmente para a previsão imediata do tempo. Anais VII Cong. Bras. de Meteorologia, SBMet. pp Calheiros R. V. e L. R. Lemon, 1996: Clear air detection with weather radars: potential for flood forecasting. Anais IX Cong. Bras. de Meteorologia, SBMet. pp Dixon, M., and G. Wiener, 1993: TITAN: thunderstorm identification, tracking, analysis and nowcasting a radar based methodology. J. Atmos. Oceanic Technol., 10, pp Howard, K. W., J.J. Gourley and R. A. Maddox, 1997: Uncertainties in WSR-88D measurements and their impacts on monitoring life cycles. Weather and Forecasting; 12, pp Saraiva, E. A., I. Nozu e C. Beneti, 1998: Correção dos efeitos dos lóbulos laterais na precipitação. X Cong. Bras. de Meteorologia, VIII Cong. FLISMET. Submetido. Smith, P. L., 1998: On the minimum useful elevation angle for weather surveillance radar scans. J. Atmos. Ocean. Techn., 15, pp Figura 3: Evento de precipitação registrado pelo radar no dia 07/04/98, às 02:00GMT e 04:30GMT, e pelo sistema de detecção de descargas atmosféricas às 01:52GMT no Estado do Paraná em 07/04/98.

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