MODELO WRF NA PREVISÃO DE UM EVENTO SEVERO NO RIO GRANDE DO SUL

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1 MODELO WRF NA PREVISÃO DE UM EVENTO SEVERO NO RIO GRANDE DO SUL Luana Ribeiro Macedo 1 Alice Franciéli Henkes² Yoshihiro Yamazaki 3 1,3 Faculdade de Meteorologia, Universidade Federal de Pelotas (UFPel) Av. Ildefonso Simões Lopes n 2751 Pelotas (RS), Brasil CEP luanamacedo-sls@hotmail.com 3 yamasaki@fis.ua.pt ² Departamento de Física, Universidade Federal de Santa Maria (UFSM) Av. Roraima nº Cidade Universitária Santa Maria (RS), Brasil CEP ² alicehenkes@gmail.com ABSTRACT: Severe events, which rarely occur with great intensity during the summer - with extremely intense winds, strong occurrences of heavy rainfall and hail - in certain regions of the state of Rio Grande do Sul have been quite peculiar during the second half of the year 2010 and early The occurrence of strong winds and hailstorms on January 9, 2011, near the Jaguarão city/rs (32 33'58 "S, 53 22'33" W) has been a quite intense weather event. This particular occurence is explored in the light of the analysis of conventional and no conventional observations, as well as, the processing results of the mesoscale model WRF. The results of numerical simulations has been carried out with horizontal spatial resolution of 6km, have been shown a relatively consistent and compatible results as compared with the observations namely, the occurrence of heavy rainfall and gusty winds observed along the highway BR-116. The meager conventional observational data available over the region under investigation makes difficult - to characterize the phenomena of intense and short-lived, with spatial scales of de order of 10 km to 5 km (meso gama) besides preventing a detailed comparison with the predictions of the numerical model fields. Nevertheless the results presented indicate that the mesoscale model is an essential tool for the prognosis of severe events, especially when processed with high spatial resolution RESUMO: Eventos severos, que raramente ocorriam com grandes intensidades durante o período de verão com ventos extremamente intensos, fortes ocorrências de granizos e intensas chuvas em certas regiões do estado do Rio Grande do Sul foi uma particularidade no ano de 2010 e início de A ocorrência de ventos intensos e queda de granizo no dia 09 de janeiro de 2011, nas proximidades da cidade de Jaguarão/RS (32º33'58 S, 53º22'33 O), foi uma das intensas manifestações atmosféricas. Esse evento é explorado à luz da análise das observações convencionais, não convencionais e processamento do modelo de mesoescala WRF. Os resultados das simulações numéricas realizadas com o modelo WRF, com resolução espacial de 6 km na horizontal, indicaram que o modelo apresenta resultados relativamente coerentes e compatíveis com as observações da ocorrência das fortes rajadas de ventos e precipitações observadas ao longo da estrada BR-116. Os poucos dados convencionais observados e disponíveis sobre a região analisada - para a caracterização de fenômenos de mesoescala intensos e de curta duração, com escalas espaciais da ordem de 5 ~10 km (meso ) ainda impede uma comparação detalhada com os campos prognósticos do modelo numérico. Não obstante os resultados apresentados indicam que o modelo de mesoescala é uma ferramenta essencial para o prognóstico de eventos severos, particularmente quando processados com grande resolução espacial. 1- INTRODUÇÃO O continuo aumento na capacidade de processamento dos computadores de alta performance, permite o emprego de modelos numéricos de previsão de tempo cada vez mais sofisticados. No que diz respeito a parametrizações de nuvens cumulus convectivas, por exemplo, é possível aplicar grades com espaçamento próximo a escala de resolução das nuvens. Não obstante, há ainda esquemas de parametrizações, dentre outros como o da microfísica das nuvens que ainda introduzem eventuais erros na previsão. Essa inabilidade de se incorporar

2 explicitamente, os fenômenos físicos que ainda são parametrizados nos modelos numéricos, demanda a contínua pesquisa na área das simulações e parametrizações numéricas. As Chuvas de verão, que já eram manifestações atmosféricas que comumente ocasionavam transtornos incomuns, em todas as atividades do setor produtivo e à sociedade em geral, foram foco de atenção especial no fenômeno La Linã do ano de Muito embora esse fenômeno já tenha ocorrido em anos anteriores, sob o ponto de vista da análise da intensidade do mesmo. Entretanto, a La Niña não deve ter sido a principal causa dos grandes prejuízos causados à sociedade econômica e social em diferentes regiões do globo. Esse fato demonstra claramente que ainda há muitos fenômenos que se manifestam, eventualmente como consequência da ocorrência da mesma e dos mecanismos físicos que respondem a ela quando associada a outros fatores ainda pouco conhecidos da atmosfera em certas regiões. A habilidade do modelo de previsão do tempo e de pesquisa WRF (Weather Research and Forecast) é empregada para reproduzir da melhor forma possível a estrutura termohidrodinâmica da atmosfera, para o evento severo ocorrido no Estado do Rio Grande do Sul (RS). As típicas chuvas de verão, causadas por células isoladas que se caracterizam por ventos fortes e queda de granizo atingiu a cidade de Jaguarão-RS, localizada no extremo sul do país e fronteiriço ao Uruguai (-32º33'58 S, 53º22'33 O) e parte da BR-116 no dia 9 de janeiro de 2011 por volta das 19h. Segundo as reportagens divulgadas pela mídia a chuva que durou aproximadamente 30 minutos, que concomitante a ventos de 100 km/h e queda de granizo, foi o suficiente para causar danos nas áreas urbana e rural. A cidade teve casas e escolas destelhadas, além dos postes de luz que caíram deixando a cidade sem energia elétrica por várias horas e causando os mais variados transtornos e prejuízos à sociedade em geral. 2- DADOS E METODOLOGIA Utilizou-se dados da estação automática da cidade de Jaguarão-RS, do INMET; imagens do canal infravermelho do satélite GOES-12, do dia 9 de janeiro de 2011, recebidos pelo DAS/INPE, bem como os resultados das simulações numéricas feitas com o modelo de mesoescala WRF (Skamarock, 2008) e os produtos gráficos gerados com os sistemas gráficos GrADS e o RIP4. O modelo de mesoescala WRF, não hidrostático, foi configurado com dois domínios aninhados, cobrindo as áreas apresentadas na Fig.1, e resoluções espaciais de 18 km, para o domínio D1, mais externo, e de 6 km, para o domínio D2 interno; e com 35 níveis sigma na vertical. A simulação foi feita para um período 48 horas, com início às 00 UTC do dia 09 de janeiro de O processamento foi feito com o armazenamento dos resultados em intervalos de 30 minutos para ambos domínios de integração.

3 Figura 1. Domínios do modelo WRF As parametrizações físicas configuradas para o processamento do modelo WRF estão representadas na tabela 1. A microfísica especialmente selecionada para caracterizar a formação de gelo nas nuvens nos dois domínios segundo descrito por Hong et al Como o domínio menor (D2) apresenta uma resolução espacial menor que 10 km, não foi empregada nenhuma parametrização de nuvens do tipo cumulus. Detalhes sobre o modelo WRF, bem como detalhes sobre as parametrizações são descritas, dentre outros, por Dudhia et al. 2008, Skamarock et al. 2008, Wang et al. 2008, Klemp et al. 2007, Kain et al Tabela 1 Parametrizações empregadas no WRF na simulação numérica. Parametrizações Domínio 1 Domínio 2 Microfísica WSM-6 WSM-6 Radiação OL RRTM RRTM Radiação OC Dudhia Dudhia CLP YSU YSU Cumulus Betts-Miller-Janjic Explícito 3- ANÁLISE E RESULTADOS A sequência de imagens espectrais do canal infravermelho do satélite geoestacionário GOES 12, apresentada na Fig. 2., mostra claramente a persistência de um sistema convectivo que se desenvolveu de forma mais ou menos isolada sobre a região próxima à cidade de Jaguarão (RS) - junto à fronteira com o Uruguai. No curto período de tempo, de 1,5 horas, a célula desenvolveu-se e deslocou em sentido NE passando sobre a região sobre a estrada BR-116

4 onde testemunhas (motoristas), bem como a imprensa, relataram a ocorrência de fortíssimos ventos e intensas precipitações de curta duração. (a) 20:30 UTC (b) 21:00 UTC (c) 21:15 UTC Figura 2. Imagens do dia 09/01/2011 do satélite GOES-12. Na Fig.3 são apresentados os campos do vento a 10 metros, simulados pelo modelo WRF (D2) para as 20:30 UTC, 21:00 UTC e 21:30 UTC. Elas revelam que, na região sul do litoral do RS, nos baixos níveis, o vento SE era dominante, com uma relativa intensificação durante o período em que são apresentados, e advectava a umidade do Atlântico Sul para a região continental do extremo sul do país. Essa característica dominante do vento persistiu praticamente durante o dia sobre essa região. (a) 20:30 UTC (b) 21:00 UTC (c) 21:30 UTC Figura 3. Direção e magnitude do vento a 10 metros simulados pelo WRF para o dia 09/01/2011. Na Fig. 4 são apresentados os campos da temperatura a 2 m, previstos pelo modelo WRF para o dia 09/01/2011. Na Fig. 4a, o campo da temperatura sobre a região próxima a Jaguarão apresenta valores próximos a 28ºC, com uma concordância relativamente boa com àquela observado pela estação automática, que registrou um valor um pouco superior (30ºC), tanto antes como durante a ocorrência do temporal. Essa temperatura relativamente bem elevada na região, associada à massa de ar fria que pode ser vista em hpa - oriunda da Uruguai ao longo do sentido SO-NE, contribui sobremaneira para a intensificação do sistema convectivo. A sequência - Fig. 4b e 4c - mostra que houve um rápido declínio da temperatura, passando de 25ºC para 22ºC no curto intervalo de tempo de uma hora.

5 (a) 20:30 UTC (b) 21:30 UTC (c)22:30 UTC Figura 4. Temperatura a 2 m, em (ºC), simulados pelo WRF para o dia 09/01/2011 Na Fig. 5 é apresentado o campo com formação de granizo, em 500 hpa, às 22:00 UTC e na Fig. 6 o campo da precipitação acumulada (em mm) até as 22 UTC, desde as 00UTC do dia 09/01/2011. O campo da precipitação acumulada mostra claramente que a região em que ocorreu a máxima precipitação não coincide com aquela que apresenta a máxima formação do granizo. Ressalta-se, entretanto que a Fig. 5 apresenta o valor válido para as 22:00 UTC, enquanto a do campo da precipitação se refere ao valor acumulado. Uma avaliação mais detalhada, avaliando-se sequências temporais de 30 em 30 minutos revelam, entretanto, que a precipitação não foi muito elevada nesse dia, mas que - sobre a região ao longo da BR-116 a ocorrência foi em curto período de tempo (1,5 horas) nesse dia. A simulação realizada com o WRF detectou a queda de granizo para a região, após a passagem do temporal, e uma precipitação acumulada que ficou em torno de 20 mm sobre cidade de Jaguarão. Entretanto, apenas em locais muito próximos da cidade de Jaguarão é que o modelo previu precipitações muito próximas àqueles valores medidos pela estação automática. Figura 5. Formação de Granizo, no nível de Figura 6.. Precipitação acumulada das hPa às 22:00 UTC do dia 09/01/2011. UTC às 22:00 UTC do dia 09/01/2011 O campo da refletividade em 500 hpa, das 21:00 UTC, apresentada na Fig. 7, mostra que ocorreu uma redução na intensidade da célula convectiva que se deslocou sobre a região de Jaguarão com o tempo - consequência da ocorrência da precipitação à medida que o sistema se deslocou para o NE Fig. 8.

6 Figura 7. Refletividade em 500 hpa as Figura 8. Refletividade em 500 hpa as 21:00 UTC do dia 09/01/ :00 UTC do dia 09/01/2011. Na Fig. 9 é apresentado o campo da topografia da região de integração do domínio D2 do modelo WRF. Nessa figura a linha cheia inclinada, de SO para NE, indica o local em que a secção vertical foi avaliada na análise. Na Fig. 10 a 12 são apresentados os campos da temperatura potencial (linhas cheias), a circulação do vento (vetores) e o campo da vorticidade potencial (indicada em escala de cinza na vertical à direta das figuras)- respectivamente para as 21:00 UTC, 21:30 UTC e 22:00 UTC de 09/01/2011. A intensificação da inversões térmicas no campo da temperatura potencial e as associadas intensificação da vorticidade potencial é bem caracterizado pelo WRF e bem visível do lado esquerdo do corte vertical. Há uma forte célula apresentando uma circulação com fortes ventos com uma componente vertical que se intensifica à medida que avança para o NE (Fig. 12). Intensas componentes verticais requerem convergência próxima à superfície e consequentemente um vento mais intenso que provavelmente deve ter causado os intensos ventos testemunhados. Figura 9. Campo da Topografia Figura 10. Temperatura potencial (K), vetor Domínio D2 e linha do corte da secção vertical. circulação do vento e vorticidade potencial para as 21:00 UTC -09/01/2011.

7 Figura 11. Temperatura potencial (K), vetor Figura 12. Temperatura potencial (K), vetor circulação do vento e vorticidade potencial circulação do vento e vorticidade potencial para as 21:30 UTC - 09/01/2011. para as 22:00 UTC - 09/01/ CONCLUSÕES O modelo WRF foi configurado com dois domínios aninhados (D1 e D2), cobrindo a região do Sul do Brasil. O domínio D2, com resolução espacial de 6 km, foi estabelecida sobre uma região próxima a cidade de Jaguarão- Estado do Rio Grande do Sul, para simular o evento dos fortes ventos e tempestades com precipitação intensa e de curta duração ocorridos ao longo da rodovia BR-116, testemunhada por viajantes no dia 09/01/2011 por volta das UTC. As simulações realizadas, com modelo WRF para o dia 09/01/2011, apresentaram resultados relativamente compatíveis com os registros observados pela estação automática do INMET instalada na cidade de Jagurão/RS. O modelo retratou com fidelidade a penetração da frente fria que passou sobre o Uruguai, e que afetou - com pouca intensidade a região próxima à cidade de Jaguarão/RS, caracterizadas pelas análises feitas com os resultados para o Domínio D1. As elevadas temperaturas sobre a região continental, mormente sobre a região de abrangência do domínio D2 configurado no modelo WRF; associados à circulação nos baixos níveis da atmosfera predominantemente com ventos de SE, advectava grande quantidade de umidade do oceano para a região continental - era o que principalmente caracterizava o mecanismo termo-hidrodinâmico da atmosfera. O bombeamento de umidade no sentido oceanocontinente, aliás típico durante a estação de verão nessa região, comumente penetra até mesmo sobre a região das proximidades da cidade de Jaguarão. Quando ocorre um mecanismo físico que intensifica os movimentos verticais da atmosfera, causa intensas precipitações, associados à intensificação dos complexos convectivos que se formam na região e posteriormente, avançam em direção NE sobre o continente. A penetração da massa de ar relativamente mais fria que adentrava à região de interesse ocasionou a intensificação de células convectivas, fortalecendo as ascendências verticais, conforme caracterizadas pela evolução temporal dos campos da vorticidade potencial apresentando concomitantemente núcleos convectivos com altos valores nos campos das refletividades e nos campos da formação de granizo - conforme apresentado nos resultados da simulação do WRF.. 5- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

8 Dudhia, J.; Hong, S-Y; and Lim, S., 2008: A new method for representing mixed-phase particle fall speeds in bulk microphysics parameterizations, J. Met. Soc. Japan, V 86A, pp Hong, S-Y. et al., 2010: Evaluation of the WRF Double-Moment 6-Class Microphysics Scheme for Precipitating Convection Adv. Meteorol. Vol (2010), Art. ID , 10pp - doi: /2010/ Kain, J.S. et al.,2006: Examination of convection-allowing configurations of the WRF model for the prediction of severe convective weather: the SPC/NSSL Spring Program Weather and Forecasting, vol. 21, no. 2, pp Klemp, J. B.; Skamarock, W.C. and Dudhia, J., 2007: Conservative split-explicit time integration methods for the compressible nonhydrostatic equations, Mon. Wea. Rev. 135, pp Skamarock, W.C.; et al., 2008: A Description of the Advanced Research WRF Version 3. NCAR/TN 475+STR Tech. Note, UCAR, AGRADECIMENTOS: A todas instituições pelo provimento dos dados, suporte e facilidades à condução da pesquisa desenvolvida: NCEP, CPTEC/INPE, UCAR, UFPEL, PET/UFPEL.