INDICADORES DE TURBULÊNCIA A PARTIR DE PREVISÕES DO MODELO REGIONAL ETA. Andre de Arruda Lyra 1 Chou Sin Chan 2 Claudine Pereira Dereczynski 3

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1 INDICADORES DE TURBULÊNCIA A PARTIR DE PREVISÕES DO MODELO REGIONAL ETA Andre de Arruda Lyra 1 Chou Sin Chan 2 Claudine Pereira Dereczynski 3 Abstract The air turbulence during flights can cause discomfort for the crew and passengers, and even physical damages when its intensity is superior the moderate one. Turbulence is a phenomenon of small scale. The clear air turbulence (CAT) which is frequently observed near jet stream regions, usually in the layer between 10,000 and 12,000 m, has caused serious damages for aviation, reaching airplanes without warning. Numerical weather prediction models have been used as powerful tools for operational forecast of this phenomenon, using some indices in the determination of the turbulence areas. In this work, the Brown s and Ellrod indices, calculated with Eta model outputs, are used to detect turbulence. The verification was accomplished for the period 22 to 25 June 2003, based on SIGWX charts. The results show that both indices presented a good correlation with SIGWX charts. Resumo A turbulência durante vôos pode causar desconforto para a tripulação e passageiros, e até causar danos físicos quando sua intensidade é superior à moderada. A turbulência é um fenômeno 1e2 Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais Centro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos Av. Presidente Dutra, km 40, SP-RJ , Cachoeira Paulista, SP, Brasil Tel: (12) FAX: (12) s: lyra@cptec.inpe.br e chou@cptec.inpe.br 3 Universidade Federal do Rio de Janeiro Av. Brigadeiro Trompowski, s/n, Ilha do Fundão Centro de Ciências Matemáticas e da Natureza Instituto de Geociências Departamento de Meteorologia Rio de Janeiro, RJ, Brasil Tel: (21) FAX: (21) claudine@acd.ufrj.br

2 2 de escala sub-sinótica ou de micro-escala. A turbulência em ar claro que é freqüentemente observada próxima a correntes de jato, geralmente entre e 12000m de altura, tem causado sérios riscos para aviação pois muitas vezes atinge as aeronaves sem que os pilotos recebam qualquer tipo de previsão sobre o fenômeno. Os modelos de PNT têm sido de grande utilidade para previsão operacional desse fenômeno, utilizando-se de diversos índices na determinação das áreas de turbulência. Neste trabalho, foram utilizados os indicadores de turbulência Brown e o Ellrod. calculados a partir de previsões do modelo regional Eta. Uma avaliação dos indicadores para o período de 22 a 25 de junho de 2003 foi realizada, baseada nas cartas SIGWX. Os resultados mostram que ambos os indicadores de turbulência apresentam boa correlação com as cartas SIGWX. INTRODUÇÃO As necessidades da meteorologia aeronáutica têm sido gradualmente supridas com o desenvolvimento de instrumentos observacionais e modelos de previsão numérica de tempo (PNT). Informações de fenômenos tais como nevoeiros, tempestades, congelamento e turbulência em ar claro são indispensáveis para a aviação. Previsões acuradas desses fenômenos contribuem para a prevenção de acidentes catastróficos com aeronaves. A turbulência durante vôos pode causar desconforto para a tripulação e passageiros, ou causar danos físicos quando sua intensidade é superior a moderada. Segundo uma pesquisa feita pelo Departamento de Transporte dos Estados Unidos (U.S. Department of Transportation) em 1998, a turbulência em vôo foi a principal causa responsável por acidentes sem fatalidades para os passageiros e tripulação (Kaplan et al, 2000). A principal linha aérea dos Estados Unidos relatou no período de 1981 a 1996, 252 incidentes provocados por turbulência, resultando em 2 mortes, 63 passageiros seriamente feridos e 863 passageiros com ferimentos leves. Estudos têm demonstrado que a turbulência pode ocorrer próximo a convecção (Keller et al., 1983 e Pantley e Lester, 1990), montanhas (Lilly 1971) e jatos em altos níveis (Reiter e Nania 1964). Endlich (1964), Reiter e Nania (1964), Mancuso e Endlich (1966), Keller (1990), e Ellrod e Knapp (1991) estudaram possíveis relações entre frontogênese, corrente de jato, cisalhamento do vento, e a turbulência em ar claro.

3 3 A turbulência em ar claro (Clear Air Turbulence - CAT) é descrita como solavancos encontrados em vôos sobre céu claro (Reiter 1962). De acordo com o National Committee for Clear Air Turbulence (1966), a turbulência em ar claro é definida como qualquer turbulência na atmosfera livre, que afete as operações aeroespaciais, podendo localizar-se fora ou na adjacência de atividade convectiva visível, que inclui a turbulência encontrada em nuvens cirrus. As características físicas e dinâmicas da atmosfera nas regiões sujeitas à turbulência devem ser bem definidas para previsão subjetiva do distúrbio. Contudo, a turbulência é um fenômeno de escala sub-sinótica ou de micro-escala, enquanto que a rede de observação de ar superior, principalmente no hemisfério sul é deficiente, com poucas estações que em geral realizam apenas uma sondagem por dia. Desta forma, os modelos de PNT têm sido de grande utilidade para previsão operacional, utilizando-se de diversos índices na determinação das áreas de turbulência. Previsões de áreas de turbulência são feitas operacionalmente para a América do Norte pelo National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) usando os modelos do National Centers for Environmental Prediction (NCEP)/Global Forecasting System (GFS). Neste trabalho, foram utilizados dois indicadores de turbulência, calculados a partir das análises do NCEP e previsões do modelo regional Eta (CPTEC/INPE). O objetivo é realizar uma avaliação de tais indicadores de turbulência para o período de 22 a 25 de junho de 2003, confrontando-se análises e previsões do modelo Eta com cartas SIGWX. METODOLOGIA E DADOS Neste trabalho foram utilizadas as saídas do modelo regional Eta para o cálculo dos indicadores de turbulência. As localizações das regiões turbulentas geradas a partir de tais indicadores foram confrontadas com as previsões extraídas das cartas SIGWX. Imagens de satélite e mapas de totais pluviométricos diários foram também utilizados para apoiar a visão geral do quadro sinótico do caso em estudo. As mensagens AIREP e AMDAR foram consultadas para localização das áreas turbulentas, porém muito pouca informação foi encontrada para o período estudado, na região da América do Sul.

4 4 As análises do National Centers for Environmental Prediction (NCEP) do período de 22 a 25/06/ Z, e as previsões do modelo Eta para os dias 24 e 25/06/ Z elaboradas com 24, 48 e 72 horas de antecedência, obtidas no Centro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos (CPTEC), foram usadas para calcular os indicadores Brown e Ellrod (Brown 1973, Ellrod 1991). Além disso, foram confeccionadas cartas de pressão ao nível médio do mar, ventos e divergência do vento em 1000 hpa, e cartas de linhas de corrente e intensidade do vento ao nível de 250 hpa, a partir da análise deste modelo para o período em estudo. A versão do modelo Eta utilizada neste trabalho foi implementada no CPTEC em janeiro de 2000, com resolução horizontal de 40 km e 38 níveis na vertical (Black 1994, Mesinger et al 1988). As condições iniciais no modelo são provenientes do NCEP, enquanto que as condições de contorno lateral são provenientes das previsões do modelo global do CPTEC e atualizadas a cada seis horas. O domínio do modelo cobre a maior parte da América do Sul, desde aproximadamente 50 S a 12 N e 85 W e 28 W, e parte dos oceanos adjacentes. As cartas SIGWX para o nível FL250/FL630, ou seja, pés (7500 m)/63000 pés (18900m), do período de 22 a 25/06/ Z foram utilizadas para confrontar regiões previstas de ocorrência de turbulência com os resultados obtidos a partir dos indicadores calculados neste trabalho. Essas cartas foram obtidas da Rede de Meteorologia do Comando da Aeronáutica (no sítio seguir. Os indicadores de turbulência de Brown e Ellrod utilizados neste trabalho são descritos a O indicador de turbulência Brown (Φ m ) é uma simplificação da equação de tendência de Ri originalmente derivada por Roach (1970). Φ m = 2 v u v u u v 0,3 + f x y x y x y 2 2 onde u e v são, respectivamente as componentes zonal e meridional do vento e f é o parâmetro de Coriolis ( f (Ω=7,292x10-5 s -1 ). =2Ωsenϕ), sendo ϕ a latitude geográfica e Ω a velocidade angular da Terra

5 5 Os termos entre parênteses da esquerda para direita são, respectivamente: vorticidade absoluta, deformação por cisalhamento e deformação por estiramento. Quanto maior o indicador de turbulência Brown, maior a probabilidade de ocorrência de CAT. O indicador de turbulência Ellrod tem sido freqüentemente usado pela AWC (Aviation Weather Center) para detectar turbulência, esse indicador é calculado baseado no produto do cisalhamento vertical do vento (VWS) pela soma da deformação horizontal(def) e convergência horizontal (CVG). DEF v u = + x y 2 u v + + x y u v = + x y CVG VWS = ( V ) ( DEF CVG) Ellrod = VWS + Z RESULTADOS Análise sinótica As cartas de pressão ao nível médio do mar (NMM) e ventos (Fig. 1) mostram um sistema frontal (SF) com rápido deslocamento pelo Oceano Atlântico, atingindo o Rio Grande do Sul no dia 22 00Z e chegando no litoral entre o Rio de Janeiro e o Espírito Santo, 12 horas depois. Um ciclone com pressão central inferior a 996 hpa, associado a este SF pode ser observado no oceano,, em aproximadamente 40ºS/35ºW, no dia 23 00Z (Fig. 1 b). A partir desta data o ciclone deslocouse lentamente para sudeste; localizando-se a leste de 25ºW a partir do dia 24 00Z (Fig. 4.1 c). No dia 25, o continente passou a ser dominado por um sistema de alta pressão com valores acima de 1016 hpa.

6 6 (a) (b) (c) (d) Figura 1 Cartas de Pressão ao NMM (linhas pretas, intervalo: 4 hpa), divergência do vento em 1000 hpa (x10-6 )inferior a 5x10-6 s -1 (linhas vermelhas, intervalo: 25x10-6 s -1 ) e ventos (m/s) (setas azuis) ao nível de 1000 hpa, para os dias: (a) 22, (b), 23, (c) 24 e (d) 25/06/ Z. A Figura 2 apresenta o campo de linha de corrente e intensidade do vento ao nível de 250 hpa. Destaca-se na figura a presença de uma corrente de jato subtropical com núcleo superior a 60 ms -1, situado a aproximadamente 40 S/75 W no dia 22 e deslocando-se para leste nos dias posteriores, com expansão do núcleo de velocidade máxima. Pode-se observar também um cavado localizado sobre o Oceano Atlântico nos dias 22 e 23.

7 7 (a) 22/06/2003 (b)23/06/2003 (c) 24/06/2003 (d)24/06/2003 Figura 2 Linhas de corrente e intensidade do vento (m/s) ao nível de 250 hpa para os dias (a) 22, (b) 23, (c) 24 e (d) 25/06/ Z. As imagens de satélite apresentadas na Figura 3, mostram o deslocamento do sistema frontal pelo oceano, com pouca nebulosidade sobre o continente. Nos dias 22 e 23, observa-se sobre a Argentina, na altura de Bahia Blanca, a nebulosidade provocada provavelmente pelo jato nos altos níveis. Nota-se que nos dias 24 e 25 a nebulosidade diminui bastante no sul do continente estando presente apenas sobre o oceano e Amazônia.

8 8 (a) (b) 22/06/03 00Z 23/06/03 00Z (c) (d) 24/06/03 00Z 25/06/03 00Z Figura 3 Imagens do satélite GOES no canal infravermelho para os dias: (a) 22, (b) 23, (c) 24 e (d) 25/06/ Z. (Fonte: INPE/CPTEC). Avaliação dos indicadores No dia 22 verificam-se duas áreas de turbulência moderada (Figura 4a) no nível de pés (aproximadamente m) sobre o Oceano Atlântico, uma maior estendendo-se de aproximadamente 30 S a 55 S e outra de menor extensão entre 40 S e 48 S. O indicador de turbulência Brown para este dia (Figura 4b) mostra as duas regiões citadas anteriormente, com

9 9 valores de turbulência mais intensa associada a região frontal coincidindo com a área principal de turbulência no nível pés (aproximadamente 250 hpa) demarcada na carta SIGWX. O indicador de turbulência Ellrod (Figura 4c) também apresenta regiões de turbulência associadas aos sistemas, entretanto em menor extensão que o indicador de turbulência Brown. (a) (b) (c) Figura 4 (a) Carta SIGWX FL250/630 e indicadores de turbulência (b) Brown (10 5 x s -1 ) em 250 hpa e (c) Ellrod (10 7 x s -2 ) entre 300 e 200 hpa, para 22/06/ Z. No dia 24, a carta da Figura 5a mostra uma grande área com turbulência moderada até pés (aproximadamente metros) cruzando a parte central da Argentina de 95 W até 36 W, duas áreas menores de turbulência podem ser observadas no oceano Atlântico entre 15 S e 35 S. Para o campo do indicador de turbulência Brown observa-se uma região favorável a turbulência, sobre o sul da Bahia e Norte de Minas Gerais estendendo-se pelo oceano Atlântico, entretanto a carta SIGWX do mesmo dia reporta essa turbulência apenas sobre o oceano Atlântico. O indicador de turbulência Ellrod (Fig. 5b) apresenta apenas um pequena região sobre o sul do Tocantins e sudoeste da Bahia. Os dois indicadores representaram a turbulência associada a corrente de jato prevista na carta SIGWX.

10 10 (a) (b) (c) Figura 5 Idem Fig. 4 exceto que para o dia 24/06/ Z. No dia 25 continuam sendo previstas nas cartas SIGWX turbulências sobre a Argentina e sul do oceano Atlântico, entretanto as regiões de turbulência tem um pequeno deslocamento para sul como pode ser visto na Figura 6a. Os dois indicadores representaram o deslocamento das áreas de turbulência para o sul (Figuras 6b e 6c). (a) (b) (c) Figura 6 Idem Fig. 4 exceto que para o dia 25/06/ Z. As figuras 7 e 8 mostram as previsões do modelo regional Eta para os dias 24 e 25, respectivamente, elaboradas com 24, 48 e 72 horas de antecedência para o indicador de turbulência Brown. Para o dia 24 (Figura 7) o modelo detectou a região de turbulência associada com o sistema frontal em todas as previsões, contudo ela foi representada com maior extensão e intensidade nas previsões de 48 e 72 horas. A região turbulenta associada à corrente de jato foi bem representada em todas as previsões. No dia 25 (Figura 8) o modelo também apresentou a tendência de

11 11 intensificar a região turbulenta associada à frente fria, inclusive ondulando-a nas previsões de 48 e 72h. Com relação à região de turbulência associada a corrente de jato, nota-se que o modelo apresentou a região corretamente. (a) Análise (b) Previsão 24h (c) Previsão 48h (d) Previsão 72h Figura 7 Indicador de turbulência Brown (10-5 s -1 ) em 250 hpa calculado a partir das previsões do modelo Eta para o dia 24/06/ Z com (a) 00h (análise), (b) 24h, (c) 48h e (d) 72h de antecedência.

12 12 (a) Análise (b) Previsão 24h (c) Previsão 48h (d) Previsão 72h Figura 8 Idem Fig. 7, exceto que para o dia 25/06/ Z. As figuras 9 e 10 mostram as previsões do modelo regional Eta para os dias 24 e 25, elaboradas com 24, 48 e 72 horas de antecedência para o indicador de turbulência Ellrod. No dia 24, as áreas de turbulência foram bem representadas na previsão de 24 e 48 horas. Na previsão de 72 horas o modelo representou áreas de maior extensão tanto para a turbulência associada ao jato quanto para a associada ao sistema frontal. No dia 25 o modelo subestimou as áreas de turbulência associadas a corrente de jato nas previsões de 48 e 72 horas de antecedência.

13 13 (a) Análise (b) Previsão 24h (c) Previsão 48h (d) Previsão 72h Figura 9 Indicador de turbulência Ellrod (10-7 s -2 ) entre 300 e 200 hpa calculado a partir das previsões do modelo Eta para o dia 24/06/ Z com (a) 00h (análise), (b) 24h, (c) 48h e (d) 72h de antecedência.

14 14 (a) Análise (b) Previsão 24h (c) Previsão 48h (d) Previsão 72h Figura 10 Idem Fig. 9, exceto para o dia 25/06/ Z CONCLUSÃO No período estudado foi observado que o indicador de turbulência Brown representou melhor a turbulência do que o índice Ellrod. Entretanto o período estudado é pequeno para julgar qual dos indicadores realmente detecta melhor a turbulência em ar claro. Em algumas regiões próximas a corrente de jato, ambos os indicadores apresentaram bons resultados. Isto pode significar maior probabilidade de ocorrência de CAT em tais regiões. Os indicadores de turbulência estudados apresentaram boa correlação com as cartas SIGWX, entretanto essas cartas são previsões subjetivas elaboradas com 24 horas de antecedência. A eficiência dos indicadores poderia ser melhor avaliada se os resultados fossem confrontados com informações reportadas por pilotos de aeronaves a respeito de ocorrência de CAT durante o vôo.

15 15 Contudo, tais informações contidas nas mensagens PIREP, AIREP e AMDAR são pouco freqüentes sobre a América do sul. Apesar dos problemas encontrados neste estudo, tais como a falta de dados observacionais para melhor validação dos indicadores de turbulência, pretende-se a partir deste trabalho iniciar o desenvolvimento de um sistema operacional de previsão objetiva de turbulência em ar claro. Tais dados podem auxiliar os pilotos de aeronave no planejamento de rotas de vôo, ou nas tomadas de decisão sobre a utilização do uso do cinto de segurança. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BLACK T.L., 1994: NMC Notes: The New NMC mesoscale Eta model: Description and forecast examples. Weather and Forecasting, 9, BROWN, R., 1973: New indices to locate clear air turbulence. Meteorological Magazine, 102, ELLROD, G. P. e D. KNAP, 1991: An objective clear-air turbulence forecasting technique: verification and operational use. Weather and Forecasting, v. 7, ENDLICH, R. M., 1964: The mesoescale structure of some regions of clear air turbulence. J. Appl. Meteor., v.3, KAPLAN, M. L., Y. L. LIN, A. J. RIORDAN, K. M. LUX e A. W. HUFFMAN, 2000: Observacional and numerical simulation-derived factors that caracterize turbulence accident environments preprints. 9 th AMS Conference on Aerospace Range and Aeronautical Meteorology. Sep. 2000, KELLER J. L., 1990: Clear air turbulence as a response to meso- and synoptic-escale dynamic processes. Mon. Wea. Rev., 118, KELLER, T. L., L. J. EHERNBERGER, e M. G. WURTELE, 1983: Numerical Simulation of the atmosphere during a CAT encounter. Preprints, Ninth Conf. On Aerospace and Aeronautical Meteorology, Omaha, Nebraska, Amer. Soc., LILLY, D. K., 1971:Turbulence in troposphere and stratosphere. FAA Symposium on Turbulence, Washington, D. C. MANCUSO, R. L. e R. M. ENDLICH, 1966: Clear air turbulence frequency as a function of wind shear and deformation. Mon. Wea. Rev., 95,

16 16 MESINGER, F., Z. I. JANJIC, S. NICKOVIC, D. GAVRILOV, e D. G. DEAVEN, 1988: The step-mountain coordinate: Model description and performance for cases of Alpine lee cyclogenesis and for a case of Appalachian redevelopment. Monthly Weather Review, 116, NATINOAL COMMITTEE FOR CLEAR AIR TURBULENCE, 1966: Report to the dept. of commerce, Dec PANTLEY, K. C. e P.F. LESTER, 1990: Observations of severe turbulence near Thunderstorm tops. J. Appl. Meteor., v.29, REITER, E. R., 1962: On the nature of clear air turbulence (CAT). Aerospace Engineering, 21, REITER, E. R. e A. NANIA, 1964: Jet-stream structure and clear air turbulence. J. Appl. Meteor., v. 3, ROACH, W. T., 1970: On the influence of synoptic development on the production of high level turbulence. Quart. J. Meteor. Soc., 96,