PRECIPITAÇÃO CARLOS ROGÉRIO DE MELLO DEG/UFLA

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1 PRECIPITAÇÃO CARLOS ROGÉRIO DE MELLO DEG/UFLA

2 1. Ciclo Hidrológico

3 2. A atmosfera da Terra a) AR SECO (CONSTITUIÇÃO FIXA, EM %): - Nitrogênio (N2): 78,084% - Oxigênio (O2): 20,948% - Argônio (Ar): 0,934% - Neônio (Ne): 1,8x10-3 % - Hélio (He): 5,2x10-4 % - Metano (CH4): 2x Criptônio (Ko): 1,14x10-4 % - Hidrogênio (H2): 5x10-5 % - Xenônio (Xe): 8,7x10-6 % B) GÁS CARBÔNICO (CO2): 0,033% C) VAPOR D ÁGUA (H2O): 0 7% d) OZÔNIO (O3): 0 0,01% e) DIÓXIDO DE ENXOFRE (SO2): % F) DIÓXIDO DE NITROGÊNIO (NO2): % G) AEROSSÓIS: PARTÍCULAS SÓLIDAS EM SUSPENSÃO DE ORIGEM ORGÂNICA E INORGÂNICA.

4 TERMOSFERA MESOSFERA km ESTRATOSFERA km Camada de Ozônio 9 km TROPOPAUSA TROPOSFERA 18 km PLANETA TERRA

5 TERMOFESRA 80 Km MESOSFERA 50 Km ESTRATOSFERA 18 Km TROPOSFERA

6 Circulação geral da atmosfera

7 Circulação de massas de ar no Brasil Massas de ar predominantes: Massa Continental Equatorial : ce; Massa Marítima Equatorial: me; Massa Tropical Marítima: mt; Massa Polar Marítima: mp; Massa Polar Continental: cp; Massa Continental Tropical: ct;

8 Circulação de massas de ar no verão no Hemisfério Sul Fonte: Vianello & Alves (1991)

9 Circulação de massas de ar no inverno no Hemisfério Sul Fonte: Vianello & Alves (1991)

10 Regimes de precipitação que atuam no Brasil Importância da região Amazônica; Importância da região Antártida; Importância das regiões montanhosas; Importância do Oceano Atlântico; Importância dos fenômenos cíclicos El-Niño e La-Niña;

11 SUDESTE DO BRASIL Verão chuvoso: Aumento da radiação solar e maior atividade fotossintética e da evaporação; Enfraquecimento do Anticiclone do Atlântico Sul; Frentes Frias: 56% dos eventos de chuva ao longo de todo o ano; Zona de Convergência do Atlântico Sul (ZCAS); Eventos convectivos; Ciclones tropicais e extra-tropicais; Totais anuais variando de 800 a 2000 mm; Bloqueios atmosféricos;

12 Fonte: Nunes et al., s/data Clima da região Sudeste do Brasil

13 SUL DO BRASIL Chuvas bem distribuídas ao longo do ano; Predomínio de Frentes Frias; Zona de Convergência do Atlântico Sul (ZCAS): indiretamente; Eventos convectivos; Ciclones tropicais e extra-tropicais; Totais anuais em torno de 1400 mm; Bloqueios atmosféricos;

14 CENTRO-OESTE DO BRASIL Verão chuvoso, com muito alta concentração de chuvas; Predomínio da Zona de Convergência do Atlântico Sul (ZCAS); Eventos convectivos; Frentes frias pouco frequentes; Período seco muito forte; Totais anuais entre 1200 e 2500 mm; Bloqueios atmosféricos;

15 NORDESTE DO BRASIL Litoral chuvoso com influência importante do Oceano Atlântico: eventos convectivos Interior semi-árido: Célula de Hadley; Frentes Frias: apenas no sul da região e com intensidade fraca e poucos eventos; Zona de Convergência Intertropical: norte da região; Eventos convectivos esporádicos; Totais entre 500 e 1400 mm;

16 NORTE DO BRASIL Zona de Convergência Intertropical; Zona de Convergência do Atlântico Sul; Frentes Frias: muito esporádicas; Eventos convectivos intensos devido à alta concentração de umidade; Influência importante dos fenômenos El-Niño e La-Niña; Totais entre 1500 e 3500 mm;

17 Precipitação anual Precipitação máxima diária anual

18 Algumas considerações sobre a umidade atmosférica Umidade relativa: UR(%) = (e t /es t )*100 Ponto de orvalho Ponto de condensação Algumas características da umidade atmosférica Decresce com aumento da latitude; Máxima nos oceanos; Decresce com a altitude; Máxima no verão e mínima no inverno; Variação diária: mínima ao nascer do sol e máxima a tarde

19 Curva de Saturação do Vapor d água

20 Transporte de energia na atmosfera Radiação solar; Condução: vapor d água e CO 2 ; Convecção: Redução da densidade do ar com aquecimento; O ar torna-se mais leve próximo à superfície com aumento da temperatura; Superfícies irregulares: aquecimento desigual; Forças ascendentes: elevação do ar mais quente; Com ascensão: expansão e resfriamento

21 Distribuição vertical de temperatura Gradiente de temperatura na troposfera: 6,5 o C/km; Na estratosfera: não há gradiente (transformações isotérmicas); Transformações adiabáticas na troposfera: Adiabática seca: decréscimo de temperatura de uma partícula insaturada (1 o C/100 m); Adiabática saturada: condensação de vapor d água; Calor latente de vaporização; Taxa de resfriamento de 0,5 o C/100 m nas camadas inferiores da atmosfera Produto da condensação permanece no sistema

22 4. Formação das chuvas Elemento primordial: umidade atmosférica Outros requisitos fundamentais: Mecanismo de resfriamento do ar/ascensão da massa de vapor d água; Presença de núcleos higroscópicos; Partículas presentes na atmosfera em suspensão: sais, argilas, oriundas de processos industriais, fuligem, cristais de gelo, etc. Mecanismo de crescimento das gotas;

23 No interior das nuvens: crescimento das gotas por coalescência e difusão do ar Peso da gota > resistência do ar Precipitação Formação das nuvens por pequenas gotículas presença de núcleos higroscópicos Saturação do vapor d água por resfriamento Ascensão adiabática Aquecimento das camadas inferiores por condução do calor proveniente da radiação solar Vapor d água aquecido: < densidade do ar Superfície do solo

24 Núcleos Higroscópicos

25 Processo de Coalescência Gotículas: 0,01 0,03 mm Gotas de chuva: 0,5 2,0 mm

26 3. Algumas características físicas das chuvas Tipo Intensidade Diâmetro (mm) Velocidade de queda (m/s) Nevoeiro 0,25 0,20 - Chuva leve 1 5 0,45 2,0 Chuva forte ,50 5,5 Tempestade 100 3,0 8,0

27 Algumas chuvas históricas Duração Lâmina (mm) Fonte (Local e data) 1 minuto 38 Barot, Guadeloupe 26/11/ minutos 198 Plumb Point, Jamaica 12/05/ minutos 280 Sikeshugou, Hebei, China 03/07/ minutos 401 Shangdi, Mongólia, China 03/07/ hs 1400 Muduocaidang, Mongólia, China 01/08/ hs 1825 Foc Foc, Ilhas Reunião 07 e 08/01/ meses Cherrapunji, Índia Ago. de 1860 a Jul. de 1861

28 Tipos de chuvas a) Chuvas Ciclônicas (frentes): Movimentos de massa de ar de zonas de alta pressão para zonas com baixa pressão atmosférica; Classificação: Sistema Não-Frontal: convergência horizontal de massas de ar para regiões de baixa pressão; Sistema Frontal: ascensão de ar quente sobre ar frio na zona contato das duas massas.

29 Sistema Frontal Sistema Não Frontal

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39 b) Orográficas

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41 Chuva na vertente NE Chuva na vertente SE

42 c) Convectiva

43 Cumulus Cumulunimbus

44 4. Medição e monitoramento da chuva Em solo: Estações meteorológicas compactas e convencionais; Pluviômetros e pluviógrafos; Radar Meteorológico; Do espaço: Satélites Meteorológicos;

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48 Medidor de Neve mm/metro de neve 10% do total precipitado em forma de neve convertido para lâmina de chuva; 30 50% do total nevado para neve compactada

49 Radar Meteorológico de São Paulo

50 Principais Radares disponíveis no Brasil

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52 Algumas características do Radar Princípio de Funcionamento: sistema de navegação dos morcegos. : Sons de alta de freqüência; No radar: ondas eletromagnéticas de alta freqüência; Ressonância em gotas no interior da nuvem e retorno do sinal ao radar; A quantidade de gotas no interior da nuvem caracteriza a intensidade do sinal de retorno; Limite inferior de leitura: 1 mm/h a 190 km; Refração: informações distorcidas pelo radar, reduzindo sua precisão Ex.: Precipitações a baixas altitudes; ventos laterais; ecos do terreno, propagação anômala (curvamento do feixe);

53 Vantagens do radar: Leituras em tempo praticamente real; Extremamente útil na previsão de enchentes em áreas urbanas; Além da quantidade de chuva, é possível monitorar a trajetória do evento; Melhora de forma considerável o desempenho de modelos hidrológicos pela melhor caracterização da precipitação média espacial na bacia;

54 Imagens de Satélites Meteorológicos

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56 GRANDEZAS CARACTERÍSTICAS ASSOCIADAS À PRECIPITAÇÃO E ANÁLISE DE UM PLUVIOGRAMA Altura Pluviométrica; Tempo de duração; Intensidade da precipitação; Freqüência de ocorrência; Do pluviograma a seguir, calcule: Total precipitado; Duração da chuva; Intensidade média; Intensidade máxima associada aos intervalos de 10, 30, 60, 120, 240

57 Análise de um Pluviograma

58 Complete a tabela t (min) Altura máxima de chuva Imédia máxima Intervalo de Ocorrência (mm) (mm/h)

59 Causas: Preenchimento de Falhas em Séries Históricas de Precipitação Problemas técnicos de funcionamento dos equipamentos; Problemas vinculados ao funcioanário; Problemas técnicos de transmissão de dados; Aplicabilidade das técnicas: Séries históricas de totais (decendiais, quinzenais, mensais, anual); Para chuvas diárias não é recomendável; Por quê?

60 Técnicas de regressão: Regressão linear; Regressão múltipla; Médias; Aritmética; Ponderada; Técnicas mais aplicadas Vetor de ponderação regional; Vetor de ponderação regional com base em regressões; Espacial; Geoestatística; Inverso da Quadrado da Distância; Séries temporais;

61 Regressão linear entre dois postos: Posto X com série completa; Posto Y com série incompleta que precisa ser preenchida; Y a b X Regressão múltipla: Postos vizinhos com dados correspondentes à falha de Y; Regressão múltipla linear: Y a X a X... a X n n C Regressão múltipla não linear: Y a o X a 1 1 X a 2 2 X a X a n n

62 Média aritmética entre postos vizinhos: Vetor de ponderação regional: Exemplo para 3 postos vizinhos A, B, C; NA, NB, NC = valor médio da precipitação que se deseja preencher em Px e que é conhecida nos postos A, B e C; NX = precipitação média do posto X; PA, PB, PC = precipitações correspondentes aos postos A, B e C n P P n 1 i i x C C x B B x A A x x P N N P N N P N N 3 1 P

63 Exemplo: preencher a falha de uma série histórica de precipitação mensal de janeiro, correspondente ao ano 2001, de um posto meteorológico P, com base em 3 postos vizinhos (A, B, C), que apresentam os seguintes dados: Média da precipitação de janeiro do posto P (Nx) = 161 mm; Média da precipitação mensal de janeiro do posto A (NA) = 135 mm; Média da precipitação mensal de janeiro do posto B (NB) = 180 mm; Média da precipitação mensal de janeiro do posto C (NC) = 156 mm; Valor da precipitação de janeiro, do ano 2001, para o posto A (PA) = 120 mm; Valor da precipitação de janeiro, do ano 2001, para o posto B (PB) = 154 mm; Valor da precipitação de janeiro, do ano 2001, para o posto C (PC) = 142 mm;

64 Estação 1 (10;50) Estação 2 (30;40) Estação 3 (41;65) 9 Estação 4 Estação 5 (22;26) (50;25)

65 Preencher falha na série histórica de precipitação mensal de setembro, relativo ao ano 2000 para a Estação 2, sabendo-se que: Estação 1: 25 mm; Estação 3: 31 mm; Estação 4: 29,5 mm; Estação 5: 26,8 mm; Cálculo das distâncias euclidianas entre as estação com dados e a estação que precisa de preenchimento (estação 2): D1-2 = [(30-10) 2 + (40-50) 2 ] 0,5 = 22,4 m; D3-2 = [(41-30) 2 + (65-40) 2 ] 0,5 = 27,3 m; D4-2 = [(22-30) 2 + (26-40) 2 ] 0,5 = 16,1 m; D5-2 = [(50-30) 2 + (25-40) 2 ] 0,5 = 25 m;

66 Cálculo dos pesos de cada estação: P 1-2 = 1/(22,4) 2 = 1,993x10-3 P 3-2 = 1/(27,3) 2 = 1,342x10-3 P 4-2 = 1/(16,1) 2 = 3,858x10-3 P 5-2 = 1/(25) 2 = 1,6x10-3 Cálculo da falha: Pp2 = [(P 1-2 x 25)+(P 3-2 x 31)+(P 4-2 x 29,5)+(P 5-2 x 26,8)]/(P P P P 5-2 ) Pp2 = 28,2 mm

67 Exercício Preencher a falha na série histórica mensal de abril do ano de 2005 para o posto 3 (dados da tabela abaixo) com base nos métodos Vetor de Ponderação Regional e Inverso do Quadrado da Distância. Posto Latitude Longitude Precipitação média do mês de Abril (mm) Precipitação de Abril de 2005 (mm) ??

68 Estime os valores de precipitação mensal relativa ao mês de janeiro na Tabela abaixo (destacados em cinza e negrito com grifo), aplicando os métodos de regressão linear simples, regressão múltipla, inverso do quadrado da distância, vetor de ponderação regional e ponderação regional com base em regressões lineares. Os valores observados estão nas referidas células. Analise também, com base numa estatística de precisão, qual (is) métodos produziram os melhores resultados. Ano P (mm)-cambuquira Caxambú Cristina Itumirim M.D.Minas Guaxupé Latitude Longitude

69 Chuvas Intensas Precipitações médias máximas associadas a uma duração e recorrência; td (min) Intensidade média (mm h -1 ) ,7

70 Precipitação que possui uma característica fundamental associada à probabilidade de ocorrência; Podem não ser medidos diretamente; Seus valores são estimados a partir da aplicação de uma distribuição de probabilidades de valores extremos; Séries históricas de valores máximos de precipitação associados a uma determinada duração;

71 Aplicações: Caracterização de uma chuva de projeto; Cálculo da vazão de projeto a ser aplicada; Depende das estrutura a ser dimensionada: Cheia: terraços ; barragens; bueiros, drenagem urbana; Drenagem subterrânea: dimensionamento de drenos/canais para condução do excedente, dispondo de um tempo maior para isto; bacias de contenção;

72 Equação de Chuvas Intensas: I m,m C TR t o t m d n h b a1 a2 td a3 h 60,2 t a lntr d,tr Curvas I-D-F Mapeamento da chuva intensa;

73 Ajuste da Equação de Chuvas Intensas: Estimar os parâmetros C, m, n, to da equação; Valor local; Obtenção dos dados: Via pluviograma; Via precipitação máxima diária anual (desagregação de chuvas); Ajuste Regressões Lineares; Regressão Múltipla não linear: Gauss-Newton;

74 Via Pluviograma: Estruturação de uma série histórica, com pelos menos 15 anos, de valores máximos associados a uma duração específica, que normalmente é de 10; 30; 60; 120; 360; 720; 1440 minutos; Com a série histórica, ajusta-se uma distribuição de probabilidades mais adequada para este fim e estima-se: Td (min) TR (anos)

75 Análise de um pluviograma:

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78 Via Desagregação de Chuvas: Série histórica de precipitação máxima diária anual; Ajuste da Distribuição de Probabilidades; Cálculo da precipitação máxima associada a uma recorrência; Estimativa da precipitação máxima associada a cada duração via desagregação; Estruturação da base de dados; (h t1 /h t2 ) h 24 /h dia h 12 /h 24 h 10 /h 24 h 8 /h 24 h 6 /h 24 h 1 /h 24 h 0,5 /h 1 h 25 /h 30 * h 20 /h 30 h 15 /h 30 h 10 /h 30 h 5 /h 30 K 1,14 0,85 0,82 0,78 0,72 0,42 0,74 0,91 0,81 0,70 0,54 0,34

79 Mapeamento da chuva intensa:

80 Mapa de precipitação média máxima diária anual do Brasil