Caracterização Climática e Avaliação das Reanálises do NCEP/NCAR e ERA-INTERIM para a Região da Bacia de Campos (RJ)

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1 Caracterização Climática e Avaliação das Reanálises do NCEP/NCAR e ERA-INTERIM para a Região da Bacia de Campos (RJ) Wanderson Luiz Silva 1, Letícia Torres 1, Claudine Dereczynski 1, Renato Martins 2, Gilmara Furtado 2 1 Universidade Federal do Rio de Janeiro 2 Petrobras s: wanderweather@gmail.com, lelemendel@gmail.com, claudine@acd.ufrj.br, renatopm@petrobras.com.br, gilmara.applied_science@petrobras.com.br RESUMO: Neste trabalho é feita uma caracterização climática da região da Bacia de Campos (RJ) utilizando-se dados observacionais horários de pressão atmosférica ao nível médio do mar (PNMM), temperatura e umidade relativa do ar (UR) à superfície e direção e velocidade do vento a 10 m provenientes de 6 estações meteorológicas situadas em diferentes plataformas petrolíferas. Os ciclos anuais para todas as estações e para as Reanálises do NCEP/NCAR e ERA-INTERIM e os ciclos diurnos na estação P-40 (com 4 anos e 10 meses de dados) de cada variável foram construídos. Os resultados indicam que a PNMM oscila entre 1013 hpa no verão e 1021 hpa no inverno, exibindo 2 máximos (mínimos) diários, nos horários de 1 e 13 Z (entre 6 e 7 Z e entre 18 e 19 Z) nas quatro estações do ano. A temperatura do ar à superfície exibe um máximo (mínimo) de 27ºC (23ºC) em fevereiro/março (agosto/setembro), com máximos (mínimos) diários às 15 Z (entre 7 e 9 Z). A UR oscila muito pouco ao longo do ano, entre 83% no verão e 77% no inverno, e ao longo do dia os valores são máximos na noite e madrugada e atingem um mínimo no horário de maior aquecimento (15 Z). Os ventos na Bacia de Campos sopram predominantemente de Nordeste (29,20%) e Norte (23,96%), com velocidade média entre 6 e 7 m/s, sendo mais intensos na primavera e verão do que no inverno. Ressalta-se que os ventos de Norte na Bacia de Campos, gerados pela presença do Anticiclone Subtropical do Atlântico Sul, apresentam velocidades médias (8,01 m/s) maiores do que os fortes ventos de SO (6,02 m/s) associados à passagem de sistemas transientes pela região. Numa segunda etapa do trabalho foi feita uma avaliação das séries temporais extraídas nos pontos de grade das Reanálises do NCEP/NCAR e ERA-INTERIM mais próximas à Bacia de Campos, contra os dados observacionais coletados na plataforma P-40. A correlação temporal, erro médio e raiz do erro quadrático médio foram calculados e os resultados indicam que a Reanálise ERA- INTERIM representa melhor o clima na região estudada do que a Reanálise do NCEP/NCAR. ABSTRACT: This paper gives a climate characterization of the region of Campos Basin (RJ) using hourly observational data of atmospheric pressure at mean sea level (SLP), air temperature, relative humidity (RH), and wind direction and speed at 10 m from 6 meteorological stations situated in different oil rigs. The annual cycles for all stations and for the NCEP/NCAR and ERA-INTERIM Reanalysis and diurnal cycles in the station P-40 (4 years and 10 months of data) of each variable were constructed. The results indicate that the SLP

2 oscillates between 1013 hpa in summer and 1021 hpa in winter, showing two daily maxima (minima) at 1 and 13 Z (between 6 and 7 Z and between 18 and 19 Z) in the four seasons. The air temperature exhibits a maximum (minimum) of 27ºC (23 C) in February/March (August/September), with daily maximum (minimum) at 15 Z (between 7 and 9 Z). The relative humidity oscillates very little over the year, between 83% in summer and 77% in winter, and throughout the day, the values are maximum at night and early morning and reach a minimum at the time of greatest heating (15 Z). The winds blow in the Campos Basin predominantly from Northeast (29.20%) and North (23.96%), with an average speed between 6 and 7 m/s, being more intense in spring and summer than in winter. We also emphasize that the North winds in the Campos Basin, generated by the presence of the South Atlantic Subtropical Anticyclone, have higher average speeds (8.01 m/s) than the strong SW winds (6.02 m/s) caused by the passage of transient systems in the region. In a second step of this study, the extracted temporal series of grid points of NCEP/NCAR and ERA-INTERIM Reanalysis closer to the Campos Basin were evaluated against the observational data collected in the P-40 oil rig. The temporal correlation, mean error and root mean square error were calculated and the results indicate that the ERA-INTERIM Reanalysis represents better than the NCEP/NCAR the climate in the studied region. Palavras-chave: Climatologia; Reanálises; NCEP/NCAR; ERA-INTERIM; Bacia de Campos; Plataforma. 1 INTRODUÇÃO A caracterização do clima em regiões oceânicas onde é feita a exploração de petróleo é fundamental para a elaboração de projetos de engenharia, para o planejamento de operações offshore e para o atendimento a emergências em casos de acidentes no mar, além de subsidiar projetos de gestão ambiental e planos de contingência (Petrobras, 2010). Neste trabalho é feito um levantamento das condições climáticas da região da Bacia de Campos (RJ) utilizando-se dados observacionais horários coletados em seis estações na Bacia de Campos. Além disso, as Reanálises do NCEP/NCAR (Kalnay et al., 1996) e ERA-INTERIM (Dee et al., 2011) são confrontadas com os dados observacionais coletados na plataforma P-40 para um período de 4 anos e 10 meses, com objetivo de determinar qual das fontes melhor representa o clima na área em estudo, considerando-se seus erros sistemáticos e suas limitações. 2 MATERIAL E MÉTODOS Para caracterizar o clima na Bacia de Campos foram construídos ciclos anuais e diurnos dos dados observacionais horários pertencentes à Petrobras e dados das Reanálises do NCEP/NCAR e ERA-INTERIM para o ponto de grade mais próximo à região da Bacia de

3 Campos. As localizações referentes a cada uma das estações meteorológicas utilizadas e também aos pontos de grade das Reanálises são apresentadas na Figura 2.1. As séries temporais horárias estendem-se por um período de aproximadamente 5 anos para FPSO-BR, P-40, PCE-1, PPG-1A; 16 anos em SBEC e 12 anos em SBGP, porém nestas duas últimas apenas no período entre 9 e 21 Z. As variáveis utilizadas foram: PNMM (hpa), temperatura do ar (ºC) à superfície, UR (%) à superfície, velocidade (m/s) e direção (graus) do vento referenciados a uma altura de 10 m. As correlações (CORRs), Erros Médios (EMs) e Raízes dos Erros Quadráticos Médios (REQMs) para todas as variáveis de ambas as Reanálises, com relação à P-40 foram calculados. Os valores de desvio padrão (DP) das variáveis observadas em P-40 também foram obtidos. Figura 2.1 Mapa da Região da Bacia de Campos com a localização das estações meteorológicas e com os pontos de grade das Reanálises NCEP/NCAR e ERA-INTERIM, de onde foram extraídos os dados utilizados neste trabalho. 3 RESULTADOS A Figura 3.1 apresenta os ciclos anuais da PNMM, temperatura do ar, UR e velocidade do vento a 10 m construídos utilizando-se apenas as médias das variáveis no horário de 12Z. Os ciclos diurnos das mesmas variáveis foram construídos para P-40 para as 24 horas do dia (de 0 a 23 Z), contudo tais ciclos não são apresentados. Como a PNMM não varia fortemente nas regiões tropicais (Riehl, 1965), nota-se que apesar das médias terem sido calculadas em distintos períodos para diferentes pontos da Bacia de Campos, seu ciclo anual é bem comportado (Figura 3.1a), com pequena variação de uma localidade para outra e exibindo máximos no período de inverno (entre 1020 e 1023 hpa) e mínimos no verão (entre 1013 e 1015 hpa). Seu ciclo diurno (não apresentado) exibe 2 máximos (mínimos) diários, nos horários de 1 e 13 Z (entre 6 e 7 Z e entre 18 e 19 Z) nas quatro estações do ano. Analisando-se a temperatura do ar (Figura 3.1b), as curvas mostram, como esperado, que o máximo em torno de 27ºC (mínimo em torno de 23ºC) ocorre nos meses de verão (inverno) e seu ciclo diurno (não apresentado) apresenta máximos (mínimos) diários às 15 Z (entre 7 e 9 Z). As amplitudes térmicas anuais, representadas pelas diferenças entre as temperaturas do mês mais quente e do mês mais frio, são baixas (no máximo 5ºC), devido à localização das estações sobre o oceano. Nota-se que a UR (Figura 3.1c) varia muito pouco ao longo do ano, com máximos na estação

4 chuvosa (verão) e valores ligeiramente inferiores nos demais meses do ano. A grande variabilidade da UR de uma localidade para outra está relacionada com os distintos métodos utilizados para obter tais valores. O ciclo diurno da UR em P-40 (não apresentado) mostra que os valores são máximos na noite e madrugada e atingem um mínimo no horário de maior aquecimento (15 Z). Com relação aos ventos (Figura 3.1d), nota-se que apesar da grande dispersão entre as curvas de diferentes localidades na Bacia de Campos, observa-se, em média, uma intensificação nos ventos a partir do outono, atingindo um máximo em setembro, com valores elevados até janeiro. No mês de abril ocorrem os ventos mais fracos. As rosas dos ventos da plataforma P-40 (figuras não apresentadas), indicam predominância de ventos NNE ao longo do ano, com exceção da primavera, quando ocorrem com maior frequência ventos de ENE. A intensidade mais frequente dos ventos fica entre 6 e 7 m/s, exceto na primavera, quando a maior frequência ocorre entre 7 e 8 m/s. É muito importante ressaltar que os ventos médios de N (8,01 m/s) e NE (7,27 m/s) na Bacia de Campos, gerados pela presença do Anticiclone Subtropical do Atlântico Sul (ASAS), são mais intensos do que os fortes ventos de SO (6,02 m/s) provocados pela passagem de sistemas transientes pela região. (a) (b) (c) (d) Figura 3.1 Valores médios mensais da (a) pressão atmosférica (hpa) ao nível médio do mar, (b) temperatura do ar (ºC) à superfície, (c) umidade relativa do ar (%) à superfície e (d) intensidade do vento (m/s), convertidos para uma altura de 10 m, no horário de 12 Z. Nos gráficos da Figura 3.1, nota-se que a Reanálise do ERA-INTERIM consegue, em geral, representar melhor os dados observacionais da Bacia de Campos do que a Reanálise do

5 NCEP/NCAR. Uma avaliação mais detalhada das Reanálises foi elaborada levando-se em conta os dados horários (00, 06, 12 e 18 Z) no período de 25/09/2004 a 30/06/2009, construindo-se as séries temporais das variáveis com dados extraídos dos pontos de grade das duas Reanálises contra dados coletados na P-40. A Tabela 3.1 apresenta os valores de CORR, EM e REQM entre as Reanálises e a P-40 e também os valores de DP das variáveis em P-40. Analisando tal tabela, observa-se que as variáveis atmosféricas estão melhores correlacionadas com a Reanálise ERA-INTERIM do que com a Reanálise do NCEP/NCAR e, além disso, seus valores de EM e REQM são menores, exceto para PNMM. Tabela 3.1 Índices de CORR, EM e REQM entre as Reanálises do NCEP/NCAR e ERA- INTERIM e P-40 e desvio padrão da P-40 para as variáveis PNMM, temperatura do ar, UR e velocidade do vento. PNMM Temp. UR Vel. Vento Desvio Padrão 4,61 hpa 1,94 o C 9,75 % 3,47 m/s CORR NCEP/NCAR 95,72 % 75,31 % 48,55 % 70,81 % CORR ERA-INTERIM 97,77 % 83,50 % 73,48 % 83,60 % EM NCEP/NCAR 0,08 hpa -0,81 o C 11,44 % -1,59 m/s EM ERA-INTERIM -1,51 hpa -0,31 o C 6,78 % -1,80 m/s REQM NCEP/NCAR 1,34 hpa 1,65 o C 14,48 % 2,95 m/s REQM ERA-INTERIM 1,79 hpa 1,15 o C 9,47 % 2,65 m/s 4 CONCLUSÕES Neste trabalho foi feita uma caracterização climática para a região da Bacia de Campos, utilizando-se dados observacionais e, em seguida, foi elaborada uma avaliação das Reanálises do NCEP/NCAR e ERA-INTERIM na região em estudo. Com a análise dos dados observacionais, constata-se que a PNMM oscila entre 1013 hpa no verão e 1021 hpa no inverno, exibindo 2 máximos (mínimos) diários, nos horários de 1 e 13 Z (entre 6 e 7 Z e entre 18 e 19 Z) nas quatro estações do ano. A temperatura do ar apresenta um máximo (mínimo) em torno de 27ºC (em torno de 23ºC) no verão (inverno), com máximos (mínimos) diários às 15 Z (entre 7 e 9 Z). A UR fica por volta de 73% no mês de maio e 78% em janeiro com máximos de noite e na madrugada, atingindo um mínimo no horário de maior aquecimento (15 Z). Os ventos são mais fracos em abril, atingindo máxima intensidade em setembro. Os ventos ao longo do ano sopram predominantemente de NE, com intensidade moderada (entre 6 e 7 m/s). Ressalta-se que os ventos de Norte na Bacia de Campos, gerados pelo ASAS, apresentam velocidades médias (8,01 m/s) maiores do que os fortes ventos de SO (6,02 m/s) provocados pela passagem de sistemas transientes pela região. A Reanálise que melhor representa a climatologia da região da Bacia de Campos é a do ERA-INTERIM, pois apresenta maiores valores de CORR e menores valores de EM e REQM, exceto para a PNMM.

6 Futuramente será feita uma avaliação mais criteriosa da Reanálise ERA-INTERIM, analisando-se o comportamento das variáveis atmosféricas para eventos isolados que atingem a região da Bacia de Campos, tais como sistemas frontais, ciclones extratropicais, sistemas tipo nuvem vírgula invertida e outros. 5 AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Petrobras pela disponibilidade dos dados utilizados no trabalho. 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Dee, D. P. et al., 2011: The ERA-Interim Reanalysis: Configuration and Performance of the Data Assimilation System. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. Q. J. R. Meteorol. Soc., v. 137, p ; Kalnay, E. et al., 1996: The NCEP/NCAR 40 Year Reanalysis Project. Bulletin of the Meteorological Society, v. 77, p ; Petrobras, 2010: Sistema Piloto de Produção para Teste de Longa Duração no Reservatório Quissamã, Concessão BM-C-36, Bloco Exploratório Aruanã, Bacia de Campos. Diagnóstico Ambiental, p ; Riehl, H., 1965: Meteorologia Tropical. Tradução Aurélio Augusto da Rocha. Missão Norte-Americana de Cooperação Econômica e Técnica no Brasil, p. 426, Rio de Janeiro.