XII Congresso Brasileiro de Meteorologia, Foz de Iguaçu-PR, 2002

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1 EVOLUÇÃO TEMPORAL DA RELAÇÃO Z-R EM SISTEMAS PRECIPITANTES DURANTE O EXPERIMENTO WETAMC/LBA & TRMM/LBA Rachel Ifanger Albrecht e Augusto José Pereira Filho Departamento de Ciências Atmosféricas, IAG USP Rua do Matão, 1226 Cidade Universitária CEP São Paulo rachel@master.iag.usp.br ABSTRACT This work is concerned with the time evolution of the ZR relationship of precipitating events during the WET AMC and TRMM-LBA experiment in Rondônia, Brazil carried out between January and February Particularly, five squall lines were analyzed. The results indicate that most events are characterized by three distinct ZR relationships during the life cycle of such systems. Disdrometer estimations and weather radar measurements of the reflectivity factor show good agreement for convective rainfall and poor correlation for the stratiform type. Since the later is responsible for nearly 50% of the total rainfall volume, one might be careful while using radar derived rainfall accumulations. 1 - INTRODUÇÃO O experimento WET-AMC/LBA (Silva Dias 1997) & TRMM/LBA tem como objetivo gerar novos conhecimentos necessários à compreensão do meio ambiente amazônico. Dentre os muitos objetivos deste projeto temático pretendese estudar a distribuição espaço-temporal da água na atmosfera e superfície dessa região. Neste sentido, este trabalho trata da quantificação e evolução da precipitação de sistemas precipitantes, com diferentes sensores (radares, disdrômetro, pluviômetro, perfiladores) utilizados durante o experimento. Particularmente, as linhas de instabilidade (LI) são sistemas convectivos muito comuns na Amazônia. Houze (1993) enfatiza os seguintes estágios: 1) Formação; 2) Desenvolvimento; 3) Maturação e; 4) Dissipação. Durante as primeiras horas, praticamente toda a precipitação é de origem convectiva, correspondendo à fase de formação. Após este período, a proporção de precipitação estratiforme aumenta e se equipara à convectiva. Embora a taxa de precipitação estratiforme seja muito menor que a convectiva, sua área de cobertura é muito maior. Assim, o total de água de origem estratiforme é maior. Tipicamente, a precipitação estratiforme corresponde de 25 a 50% da chuva integrada ao longo de todo o desenvolvimento do sistema convectivo de mesoescala (Houze 1993). Rickenbach et al. (2000a) analisaram séries temporais de fração de cobertura de precipitação monitorada pelo radar TOGA na região do experimento WET-AMC/LBA & TRMM/LBA discriminando-as em precipitação intensa (Z > 40 dbz) e fraca (Z < 10 dbz). Verificou-se dois máximos de precipitação convectiva sobre Rondônia, de períodos de 7 e 10 dias, centrados em 23 de janeiro e 15 de fevereiro, e que são denominados pelos autores de interrupção. Entre os períodos de interrupção, ocorre o período denominado pelos mesmos de monção, durante o qual há uma redução da precipitação convectiva e conseqüente aumento de região de precipitação estratiforme. Ainda, Rickenbach et al. (2000b) ressaltaram que os períodos em que há um aumento na fração de precipitação convectiva corresponde a períodos em que o vento na superfície (850 hpa) é predominantemente de leste (interrupção), ao passo que os períodos de precipitação estratiforme mais intensos estão associados ao escoamento de oeste em baixos níveis (monção). Rickenbach et al. (2000c) verificaram que, durante os regimes de oeste, os ventos em baixos níveis vêm de leste pela região da Amazônia setentrional e se tornam de noroeste no sopé dos Andes. Nos eventos de ventos de leste em baixos níveis, observaram que este escoamento pode atingir até os 15 S. Também verificaram que a precipitação é cerca de 50% maior durante os regimes de leste, o que está relacionado com aumento da precipitação convectiva. Em compensação, a região coberta por nuvens precipitantes durante regimes de leste é cerca de metade da área coberta durante períodos de escoamento de oeste. 1528

2 O objetivo deste trabalho é estudar a evolução temporal da relação Z-R em cinco LIs, ocorridas no estado de Rondônia durante o experimento WETAMC/LBA & TRMM/LBA, discriminando a precipitação em convectiva, de transição e estratiforme, e utilizando dados de um disdrômetro Joss-Waldvogel e o radar S-POL, ambos instalados nessa região durante o experimento. 2- METODOLOGIA O fator de refletividade do radar (Z) foi estimado de medidas disdrométricas pela equação (Rinehart, 1997): z = N( D). D 6. dd (1) 0 onde, N(D) é o espectro de gotas. A taxa de precipitação R (mm.h -1 ) é dada por (Rinehart 1997): π = 3 R. D. N( D). wt ( D). dd (2) 6 0 onde, w T (D) é a velocidade terminal das gotas ( = exp( 0,6. D), D em mm). w T Há uma relação entre o fator de refletividade Z e a taxa de precipitação R por meio da distribuição do tamanho de gotas. Distribuições individuais do tamanho de gotas podem variar consideravelmente devido aos diferentes processos físicos de formação das mesmas, tais como agregação, coalescência e quebra durante desenvolvimento. Logo, relações entre o fator de refletividade Z (Equação 1) e a taxa de precipitação R (Equação 2) são chamadas de relação Z-R e são obtidas através da distribuição de gotas e são do tipo: Z a. R b = (3) onde, Z é a refletividade (mm 6.m -3 ) e R é a taxa de precipitação (mm.h -1 ) e os parâmetros a e b são determinados por meio da distribuição de gotas. As diferenças entre as relações e incertezas envolvidas em aplicar as relações Z-R em situações particulares têm sido atribuídas à variabilidade natural da distribuição do tamanho das gotas e uma grande incerteza na taxa de precipitação (Joss e Waldvogel, 1990). Atlas et al. (1999) estudaram a relação Z-R para 4 eventos de LI em Kapingamarangi Atol, Oceano Atlântico, identificando diferenças significativas nas relações Z-R nas áreas de convecção, transição (entre convectiva e estratiforme) e estratiforme fraca e forte. As LIs de 26 de janeiro, 07, 13, 18 e 24 de fevereiro de 1999 foram analisadas. Estes eventos foram escolhidos com base nas características sinóticas de regimes de ventos e distribuição espaço-temporal da precipitação na região de Rondônia (Rickenbach et al a, b, c). Obteve-se a evolução temporal da relação Z-R a partir de uma análise objetiva da distribuição temporal do tamanho das gotas para identificar o tipo de precipitação do período: convectivo, estratiforme, ou transição entre esses dois períodos. A discriminação de períodos se baseia em Atlas et al. (1999). Após a identificação realizou-se o cálculo da relação Z-R da porção convectiva, estratiforme e transição para cada evento, utilizando-se os dados do disdrômetro Joss-Waldvogel instalado no aeroporto da cidade de Ji-Paraná (Silva Dias 2002) a partir das Equações 1 e 2. Para obter uma análise das taxas de precipitação e refletividades obtidas através do disdrômetro, estas foram comparadas com as refletividades medidas pelo radar S-POL sobre o disdrômetro em sua primeira elevação e mesmo instante de tempo. 1529

3 3- RESULTADOS XII Congresso Brasileiro de Meteorologia, Foz de Iguaçu-PR, Evento de 26 de janeiro de A LI do dia 26 de janeiro se deslocou de nordeste para sudoeste (Figura 1). Rickenbach et al. (2000 a, b, c) classificaram como escoamento de leste ou interrupção. A precipitação sobre o disdrômetro teve início em torno das 2040 UTC estendendo-se até 2215 UTC (Figura 2). Figura 1 Imagens do canal 4 do satélite GOES-8 do dia 26 de janeiro de 1999 para respectivos horários indicados em hora UTC. O quadrado em vermelho representa a área do experimento, S radar S-POL, T radar TOGA e P radar de apontamento vertical. Figura 2 Evolução do espectro de gotas no dia 26 de janeiro de Isolinhas indicam número total de gotas. A Figura 2 mostra a evolução temporal do espectro de gotas. Observa-se que o início da precipitação é caracterizado por gotas de diâmetro elevado, com concentração de gotas de diâmetro médio de 2 mm e algumas gotas com diâmetro superior a 4 mm. Esse espectro se mantém até a chuva convectiva se igualar a estratiforme (Houze 1993) associada à região de transição que antecede a região de chuva estratiforme. A região de transição é aquela onde obtém-se um espectro bimodal de chuva, com suas modas representando as regiões convectiva e estratiforme (Tokay e Short, 1996). Calculando as relações Z-R para cada tipo de precipitação estão na Figura 3 e Tabela 1. Figura 3 Relações Z-R para o dia 26 de janeiro de 1999 de acordo com a classificação da Tabela

4 Tabela 1 Tipo de precipitação e relações Z-R para cada tipo de precipitação da LI do dia 26 de janeiro de Evento de 07 de fevereiro de Início Término Tipo de Índice de Relação Z-R (UTC) precipitação correlação (r 2 ) convectivo Z = 997. R 1,17 0, transição Z = 294. R 1,65 0, estratiforme Z = 215. R 1,53 0, conv.+trans.+estr. Z = 284. R 1,53 0,97 O sistema do dia 07 de fevereiro se deslocou, com baixa velocidade, de nordeste para sudoeste na área do experimento (Figura 4). Rickenbach et al. (2000 a, b, c) classificam-no também como escoamento de leste ou interrupção. A precipitação sobre o disdrômetro começou em torno das 1630 UTC e foi até 1830 UTC (Figura 5). Figura 4 Imagens do canal 4 do satélite GOES-8 do dia 07 de fevereiro de 1999 para respectivos horários indicados em hora UTC. O quadrado em vermelho representa a área do experimento, S radar S-POL, T radar TOGA e P radar de apontamento vertical. Figura 5 Evolução no espectro de gotas no dia 07 de fevereiro de Isolinhas indicam número total de gotas Observa-se que as gotas possuem diâmetro médio em torno de 1 mm entre 1630 UTC e 1710 UTC (Figura 5). A partir de 1710 UTC as gotas aumentam de tamanho. Essa distribuição corresponde a uma região estratiforme no primeiro período e transição no segundo. A região de transição sucedeu a região estratiforme. De qualquer forma, será denominada de transição, pois pode ter havido precipitação convectiva antes de chegar ao disdrômetro, como sugere a Figura 4. As relações Z-R estão na Figura 6 e Tabela

5 Figura 6 Relações Z-R para o dia 07 de fevereiro de 1999 de acordo com a classificação da Tabela 4. Tabela 2 Tipo de precipitação e relações Z-R para cada tipo de precipitação da LI do dia 07 de fevereiro de Evento de 13 de fevereiro de Início Término Tipo de Índice de Relação Z-R (UTC) precipitação correlação (r 2 ) transição Z = 151. R 1,35 0, estratiforme Z = 518. R 1,26 0, trans.+estr. Z = 171. R 1,50 0,91 Este evento se deslocou de nordeste para sudoeste na área do experimento, com baixa velocidade (Figura 7). Rickenbach et al. (2000 a, b, c) classificam-no como escoamento de leste ou interrupção. A precipitação no disdrômetro começou em torno das 1800 UTC indo até 1900 UTC (Figura 8). Figura 7 Imagens do canal 4 do satélite GOES-8 do dia 13 de fevereiro de 1999 para respectivos horários indicados em hora UTC. O quadrado em vermelho representa a área do experimento, S radar S-POL, T radar TOGA e P radar de apontamento vertical. Figura 8 - Evolução no espectro de gotas no dia 13 de fevereiro de Isolinhas indicam número total de gotas. 1532

6 As gotas possuem diâmetro médio em torno de 1 mm entre 1800 UTC e 1900 UTC, com algumas gotas maiores no início da precipitação sobre o disdrômetro. Pode ser uma região de transição como sugere a Figura 7. As relações Z-R estão na Figura 9 e Tabela 3. Figura 9 Relação Z-R para o dia 13 de fevereiro de Tabela 3 Tipo de precipitação e relações Z-R para cada tipo de precipitação da LI do dia 13 de fevereiro de Evento de 18 de fevereiro de Início Término Tipo de Índice de Relação Z-R (UTC) precipitação correlação (r 2 ) estratiforme Z = 203. R 1,50 0,96 O sistema do dia 18 de fevereiro se deslocou rapidamente de leste para oeste na área do experimento (Figura 10). Este foi classificado como escoamento de leste ou interrupção. A precipitação no disdrômetro se ininciou em torno das 0430 UTC indo até 0900 UTC (Figura 11). Figura 10 Imagens do canal 4 do satélite GOES-8 do dia 18 de fevereiro de 1999 para respectivos horários indicados em hora UTC. O quadrado em vermelho representa a área do experimento, S radar S-POL, T radar TOGA e P radar de apontamento vertical. Figura 11 - Evolução no espectro de gotas no dia 18 de fevereiro de Isolinhas indicam número total de gotas. 1533

7 Observa-se na Figura 11 que as gotas possuem diâmetro médio em torno de 1,5 mm durante o início da precipitação entre 0430 UTC e 1530 UTC. A precipitação que se sucede é estratiforme até o fim do evento. As relações Z-R estão na Figura 12 e Tabela 4. Figura 12 Relações Z-R para o dia 18 de fevereiro de Tabela 4 Tipo de precipitação e relações Z-R para cada tipo de precipitação da LI do dia 18 de fevereiro de Início Término Tipo de Índice de Relação Z-R (UTC) precipitação correlação (r 2 ) transição Z = 170. R 1,37 0, estratiforme Z = 289. R 1,47 0, trans.+estr. Z = 270. R 1,38 0, Evento de 24 de fevereiro de O evento do dia 24 de fevereiro teve um deslocamento de oeste para leste na área do experimento, como pode ser observado na Figura 13, e segundo Rickenbach et al. (2000 a, b, c) corresponde ao período de escoamento de oeste(ou monção). A precipitação no disdrômetro teve início em torno das 1130 UTC estendendo-se até 1600 UTC (Figura 14). Figura 13 Imagens do canal 4 do satélite GOES-8 do dia 24 de fevereiro de 1999 para respectivos horários indicados em hora UTC. O quadrado em vermelho representa a área do experimento, S radar S-POL, T radar TOGA e P radar de apontamento vertical. 1534

8 Figura 14 Evolução no espectro de gotas no dia 24 de fevereiro de Isolinhas indicam número total de gotas. A Figura 14 mostra que as gotas possuem diâmetro médio em torno de 0.75 mm durante todo o período de precipitação tendo um perfil estritamente estratiforme, com chuva fraca no começo e intensificando-se em torno de 1330 UTC. As relações Z-R estão na Figura 15 e Tabela 5. Figura 15 Relações Z-R para o dia 24 de fevereiro de Tabela 5 Tipo de precipitação e relações Z-R para cada tipo de precipitação da LI do dia 24 de fevereiro de Início Término Tipo de Índice de Relação Z-R (UTC) precipitação correlação (r 2 ) estratiforme Z = 263. R 1,63 0, Comparação entre as refletividades do radar S-Pol e as refletividades a partir do disdrômetro Os dados de refletividade calculados a partir dos dados disdrométricos foram comparados com os dados de refletividade medido pelo radar S-Pol sobre o disdrômetro em sua primeira elevação e mesmo instatante de tempo. Tais comparações estão nas Figuras 16, 17 e

9 Figura 16 - Gráfico de espalhamento entre as refletividade do radar S-Pol e do disdrômetro para o dia 26 de janeiro de Figura 17- Gráfico de espalhamento entre as refletividade do radar S-Pol e do disdrômetro para o dia 18 de fevereiro de Figura 18 - Gráfico de espalhamento entre as refletividade do radar S-Pol e do disdrômetro para o dia 24 de fevereiro de Os únicos dias considerados para essa comparação foram os dias 26 de janeiro, 18 e 24 de fevereiro pois somente nesses dias haviam dados suficientes para uma análise mais detalhada. O dia 26 janeiro possui uma parte convectiva intensa, 18 de fevereiro possui uma parte de transição bem definida e 24 de fevereiro é composto somente de precipitação estratiforme. Nota-se que as refletividades são bem correlacionadas para regiões de convecção ou transição, sendo a primeira a melhor. Quando a precipitação é estratiforme (e. g., dia 24 de janeiro de 1999 Figura 14) não há correlação entre as refletividades do radar e a calculada pelo disdrômetro. 4 CONCLUSÕES Os espectros de gotas dos eventos estudados ressaltaram as características dos escoamentos de leste e oeste, no qual temos, respectivamente, aumento da precipitação convectiva com diminuição da precipitação estratiforme e aumento da precipitação estratiforme com diminuição da precipitação convectiva (Rickenbach et. al a, b, c). Através da LI do dia 26 de janeiro de 1999, foi verificado a distribuição temporal dos tipos de precipitação dada por Houze (1993), Figura 1: neste dia, tivemos um grande período de precipitação convectiva seguido por um período de transição (quando a precipitação convectiva iguala-se a precipitação estratiforme) que antecede o período estratiforme. Foi encontrado grandes valores para os coeficientes a das relações Z-R. Isso deve-se às gotas grandes e conseqüentes altos valores de refletividade e taxa de precipitação. Nos dias 26 de janeiro de 1999 e 18 de fevereiro de 1999 houve precipitação com características convectivas (apesar do dia 18 ter sido registrado pelo disdrômetro somente a parte de transição), onde foram observados gotas grandes levando a um aumento do coeficiente a de suas relações Z-R. Tal 1536

10 aumento neste coeficiente devido a gotas grandes também foi relatado por Atlas et. al. (1999) que sugeriu que tal aumento no número dessas gotas é devido à evaporação das gotas pequenas. Há uma sensível diferença entre os coeficientes das relações Z-R quando a precipitação é discriminada em convectiva, transição e estratiforme. Tal discriminação resultou em aumentos sistemáticos das relações Z-R convectivas e estratiformes, também observado por Atlas et. al. (1999). A correlação entre as refletividades do radar S-Pol e refletividades do disdrômetro foi ótima para o caso onde há precipitação convectiva (26 de janeiro de 1999 Figura 33), razoável onde há precipitação em transição (18 de fevereiro de 1999 Figura 34) e péssima onde há precipitação essencialmente estratiforme (24 de fevereiro de 1999 Figura 35). Este fato deve ser melhor estudado. Resumidamente temos as seguintes conclusões: a) A discriminação da chuva convectiva e estratiforme está fundamentada no comportamento do espectro de gotas e taxas de precipitação; b) o espalhamento em torno das relações Z-R nas regiões convectivas e estratiformes não são aleatórias, mas refletem mudanças no tipo de chuva e condições ambientais; c) as variações sistemáticas das relações Z-R com o tipo de precipitação e com tempo e espaço resultam em erros de estimativas da precipitação local quando apenas uma simples relação Z-R é utilizada para as porções estratiforme e convectiva; d) há uma relação de inversão entre os coeficientes a e b que que não foi tão evidente nas LI estudas; e) medidas polarimétricas de radar podem ajudar na estimativa de Z e tipo de gota produzindo médias para a identificação do tipo de precipitação e medições mais acuradas das mesmas, evitando erros nas estimativas de precipitação utilizando-se apenas da refletividade. AGRADECIMENTOS: Este trabalho é resultado da pesquisa de iniciação científica da primeira autora, que foi financiado pela FAPESP, processo n o 99/ Agradecemos ao Dr. Ali Tokay (GSFC/NASA) pelos dados de disdrômetro e discussões sobre os resultados, e ao senhor Marcelo Belentani de Bianchi pelo auxílio computacional. O segundo autor também agradece o suporte do CNPq, processo n o / REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ATLAS, D., ULBRICH, C.W., MARKS, R.D.Jr., AMITAI, E., WILLIAMS, C.R., 1999, Systematic variation of drop size and radar-rainfall relations, Journal of Geophysical Research, 104, D6, ; HOUZE, R. A. Jr., 1993, Cloud dynamics, Academic Press, San Diego, 573pp.; RICKENBACH, T.M., CIFELLI, R. C., HALVERSON J.B., KUCERA, P.A., THIELE, O.W., 2000a, Convective systems in contrasting regimes during TRMM-LBA in Rondônia, Brazil, 15 th AMS Conference on Hydrology, Long Beach, E.U.A.; RICKENBACH, T.M., FERREIRA, R.N., HALVERSON, J.B., CIFELLI, R.C., 2000b, Evolution of mesoscale convective systems in contrasting large scale regimes from radar and infrared satellite data during the TRMM-LBA field campaign in Rondônia, Brazil, AMS 24 th Conference on Hurricanes and Tropical Meteorology, Ft. Lauderdale, EE.UU; RICKENBACH, T.M., FERREIRA, R.N., HALVERSON, J.B., 2000c, Relationship between mesoscale properties of convection and large-scale regimes during TRMM-LBA in Rondônia, Brazil, AMS 6 th Conference on Southern Hemisphere Meteorology and Oceanography, Santiago, Chile; RINEHART, R. E., 1997; Radar for meteorologists. Rinehart Publications. 428 pp. Third edition; SILVA DIAS, M.A..F., RUTLEDGE, S., KABAT, P., SILVA DIAS, P. L., NOBRE, C., FISCH, G., DOLMAN, A. J., ZIPSER, E., GARSTANG, M., MANZI, A., FUENTES, J. D., ROCHA, H., MARENGO, J., PLANA-FATTORI, A., SÁ, L., AVALÁ, R., ANDREAE, M. O., ARTAXO, P., GIELOW, R., GATTI, L. (2002): Interação biosferaatmosfera em mesoescala na Amazônia. Projeto Temático FAPESP 97/9926-9, 45 pp.; TOKAY, A. e SHORT, 1996: Evidence from tropical raindrop spectra of the origin of rain from stratiform and convective clouds. Journal of Applied Meteorology, 35,