Simulação da Precipitação Acumulada com o BRAMS: A Questão da Relaxação

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1 Simulação da Precipitação Acumulada com o BRAMS: A Questão da Relaxação Everson Dal Piva, Vagner Anabor, Ernani L. Nascimento Universidade Federal de Santa Maria UFSM Av. Roraima, 1000 sala 1055 Santa Maria Rio Grande do Sul RS Brasil, everson.bento@gmail.com ABSTRACT: The atmospheric models usually have a very versatile code where the user must determine various parameters and schemes. Some these parameters refer to analysis nudging. When activated at the center of domain the nudging tie the simulated data do the external data. In this work the daily rainfall for 10 days was simulated with 14 experiments. The results showed that the rainfall field is close to the observed only when the analysis nudging at the center of domain is activated. Palavras-chave: precipitação, relaxação, BRAMS 1 INTRODUÇÃO Os modelos numéricos da atmosfera costumam ter um código em que o usuário tenha que fazer várias opções quanto à (Panetta et al, 2002): esquemas de parametrização convectiva, parametrização radiativa, inclusão ou não de dados observacionais, espaçamento horizontal e vertical, número de níveis verticais, relaxação (nudging em inglês), etc. Cada um deles tem sua importância, alguns mais outros menos dependendo do fenômeno de interesse. A relaxação é um esquema numérico que faz uma média (ou suavização) entre a informação gerada pelo modelo e a informação fornecida externamente (por um modelo global, ou por análises de outros modelos, etc.). Como a relaxação amarra a simulação/previsão do modelo regional com a informação externa, ela deve ser analisada com cuidado, pois dependendo de como ela é estabelecida, pode comprometer completamente estudos que objetivem analisar a sensibilidade de um parâmetro, formulação, ou processo físico do modelo. No BRAMS a relaxação pode ser aplicada nos contornos laterais, no topo e no centro do domínio. Cada região destas pode ter um valor diferente de relaxação (indicando ser forte ou fraca). Além disso, tem-se a opção de diminuir a relaxação nas grades aninhadas de forma independente. Este trabalho apresenta os resultados obtidos com o BRAMS após várias simulações que objetivaram reproduzir a precipitação acumulada observada entre os dias 2 e 11 de novembro de MATERIAL E MÉTODOS Neste artigo foram utilizados dados de precipitação diária do CPC/NOAA com resolução horizontal de 1 o de latitude x 1 o de longitude e do programa TRMM/NASA (Huffman et al, 1997), algoritmo 3B-42v6, com resolução horizontal de 0,25 o de latitude x 0,25 o de longitude. Dados de umidade do solo obtidos junto ao CPTEC/INPE (Gevaerd e Freitas 2006). E dados de análise do NCEP ( FNL Operational Global Analysis) com 1 o de latitude x 1 o de longitude. Algumas configurações do modelo, as quais foram utilizadas em todos os experimentos, são: 36 níveis na vertical, espaçamento vertical inicial de 120 m, com razão de esticamento de 1,1 e máximo espaçamento fixado em 800 m; duas grades, sendo a maior com 36 km de resolução horizontal; condição de contorno do tipo Klemp-Wilhelmson; esquema de radiação tipo Mahrer-Pielke; coeficientes de diffusão calculados pelo esquema de Smagorinsky.

2 Um total de 14 experimentos foram realizados. Em cada experimento foi alterado algum parâmetro da configuração do modelo. A Tabela 1 mostra os valores dos parâmetros no experimento 4 (EXP04), sendo estes os parâmetros alterados nos demais experimentos. Tabela 1 Especificação dos parâmetros do experimento EXP04. Parâmetro valor significado TNUDLAT TNUDTOP 0. ZNUDTOP 0. TNUDCENT 0. Relaxação somente nos contornos laterais IF_ADAP 1 Coordenada shaved-eta SOIL_MOIST a Umidade do solo heterogênea NSTRATX NSTRATY 1,4 1,4 Segunda grade com resolução de 9 km LSFLG 0 Gradiente das variáveis de grande escala nulo nos contornos laterais CLOSURE_TYPE EN Fechamento ensemble para a parametrização convectiva WT_NUDGE_GRID 1.0, 0.0 Relaxação nula na grade 2 A Tabela 2 mostra os experimentos apresentados neste artigo e o respectivo parâmetro que foi alterado. Tabela 2 Experimentos e o parâmetro alterado. Experimento Configuração e parâmetro alterado EXP07 Como EXP04, mas com NSTRATX e NSTRATY = 1,3 EXP08 Como EXP04, mas com TNUDTOP = e ZNUDTOP = EXP11 Como EXP08, mas com CLOSURE_TYPE = MC EXP12 Como EXP11, mas com TNUDCENT = EXP13 Como EXP12, mas com WT_NUDGE_GRID = 1.0, 1.0 As simulações iniciaram as 0000 UTC e terminaram as 1200 UTC do dia subsequente, totalizando 36 h de integração. Descartaram-se as primeiras 12 h de simulação e as 24 h restantes forneceram a precipitação diária acumulada. Esta previsão de 36 h foi feita para 10 dias do mês de novembro de Sendo assim, cada experimento fornece a precipitação diária acumulada entre os dias 2 e 11 de novembro de O mês de novembro de 2009 foi escolhido por apresentar uma grande anomalia positiva de precipitação mensal. A Figura 1 mostra o domínio das duas grades utilizadas na maioria dos experimentos. A grade 1 (G1) com 36 km de resolução horizontal tem 66 pontos em x e 70 em y, enquanto a grade 2 (G2) com resolução horizontal de 9 km tem 82 pontos em x e 62 pontos em y.

3 Figura 1 Domínio das duas grades (G1 e G2) utilizadas nas simulações e o campo de topografia do modelo. 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO A Figura 2 mostra o campo de precipitação acumulada (em mm) para 10 dias do mês de novembro de Observa-se que há uma faixa de precipitação superior a 150 mm que se estende ao longo da fronteira Brasil-Argentina-Uruguai (Figura 2a). No campo de maior resolução (Figura 2b), picos de precipitação de 200 mm que se estendem do oeste de Santa Catarina ao norte da Argentina, passando pelo Paraguai, não aparecem explicitamente no campo de menor resolução. Embora com maior resolução, os dados TRMM são uma estimativa da precipitação, enquanto os dados CPC são dados realmente observados, mas interpolado em uma grade de baixa resolução. Figura 2 Precipitação diária acumulada para 10 dias do mês de novembro de 2009 para o CPC (a) e para o TRMM (b). A Figura 3 mostra a precipitação diária acumulada para 10 dias do mês de novembro de 2009 para alguns dos experimentos realizados. O EXP04 se caracteriza pela presença da relaxação somente no contorno lateral, ou seja, no topo e no centro do domínio a relaxação é nula. Este experimento representa a forma em que o modelo fica mais livre possível, ou seja, as variáveis meteorológicas são determinadas somente pelo modelo e apenas no contorno

4 lateral é que o modelo recebe informação atmosférica externa. Neste experimento, observa-se que o modelo simula a faixa de precipitação que se estende do oeste de Santa Catarina para o norte da Argentina, com completa ausência de precipitação na fronteira entre Brasil- Argentina-Uruguai (Figura 3a). O EXP07 é como o EXP04, mas com a segunda grade de 12 km, sendo que a área coberta por esta grade é praticamente a mesma do que a área da segunda grade no EXP04. Este experimento serve para mostrar o impacto da resolução horizontal e também para mostrar que o EXP04 não apresenta problemas aparentes quanto a zona cinza (problema que surge nos modelos quando a resolução horizontal está entre 5 e 10 km, pois neste intervalo há conflito entre precipitação resolvida e parametrizada Molinari e Dudek, 1992). A resolução horizontal só mostrou impacto quantitativo, ou seja, a distribuição da precipitação praticamente não se alterou (Figura 3b). O EXP08 é como o EXP04, mas com relaxação no topo do domínio (dentro da estratosfera) para evitar reflexão de ondas para baixo. A banda de precipitação na fronteira Brasil-Argentina-Uruguai continua ausente (Figura 3c). Figura 3 Precipitação diária acumulada para 10 dias do mês de novembro de 2009 para os experimentos: EXP04 (a), EXP07 (b), EXP08 (c), EXP11 (d), EXP12 (e) e EXP13 (f). O EXP11 é como o EXP08, mas com o fechamento da parametrização convectiva feita pela convergência de umidade (opção MC). Este experimento, como esperado, mostra a grande importância deste parâmetro no campo de precipitação e foi idealizado com base no conhecimento prévio dos autores quanto a superioridade desta opção perante EN. Observa-e que esta alteração aumenta a precipitação entre o oeste de Santa Catarina e o norte da Argentina, mas ainda permanece a ausência de precipitação na fronteira Brasil-Argentina- Uruguai (Figura 3d). O EXP12 é como o EXP11, mas com relaxação no centro do domínio. Este experimento amarra o modelo com os dados externos fornecidos pelo FNL-analysis e reduz bastante a liberdade do modelo em evoluir as variáveis meteorológicas. A relaxação é aplicada somente na grade 1, enquanto na grade 2 a relaxação ainda está ausente no centro do domínio. Este experimento melhora consideravelmente os resultados, principalmente na fronteira Brasil-Argentina-Uruguai (Figura 3e). O EXP13 é como o EXP12, mas com relaxação no centro da grade 2. Este experimento amarra ainda mais os dados simulados

5 com os dados externos fornecidos pelo FNL-analysis. A melhora deste experimento com o anterior pode ser observado pelo fato de que houve redução de precipitação na divisa do Rio Grande do Sul e Santa Catarina (Figura 3f). A simulação não consegue reproduzir a precipitação que se estende do oeste de Santa Catarina ao norte da Argentina. 4 CONCLUSÕES Os resultados permitem extrair várias conclusões, mas a principal e a mais importante é que o BRAMS consegue reproduzir um campo de precipitação acumulada próximo ao observado somente com a presença da relaxação no centro do domínio, ou seja, a dinâmica e a física do BRAMS não são capazes de reproduzir o campo observado de precipitação a não ser que a evolução das variáveis seja amarrada a análise. 5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS GEVARD, R; FREITAS, S. R. Estimativa operacional da umidade do solo para iniciação de modelos de previsão numérica da atmosfera. Parte I: Descrição da metodologia e validação. Revista Brasileira de Meteorologia, v. 21, n. 3, p , HUFFMAN, G. J.; ADLER, R. F.; ARKIN, P.; CHANG, A.; FERRARO, A.; GRUBER, A.; JANOWIAK, J.; MCNAB, A.; RUDOLPH, B.; SCHNEIDER, U.: The Global Precipitation Climatology Project (GPCP) Combined Precipitation D ataset, Bulletin of the American Meteorological Society, v. 78, p. 5-20, MOLINARI, J.; DUDEK, M. Parameteriztion of convective precipitation in mesoscale numerical models: a critial review. Montlhly Weather Review, v. 120, p , PANETTA, J.; SAULO, F.; FAZENDA, A. L. RAMS Regional Atmospheric Modeling System Version 5.0: Model input namelist parameters. 2 nd edition p.