NOTAS DE AULA - AULA 1

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1 Disciplina: Meteorologia Aplicada NOTAS DE AULA - AULA 1 Professora: Rita de Cássia Marques Alves 1 ESTAÇÕES METEOROLÓGICAS 1.1 DE SUPERFÍCIE CONVENCIONAL Observação dos fenômenos meteorológicos que ocorrem na troposfera ao nível da superfície terrestre. Pode ser feita por instrumentos com leitura direta ou através de instrumentos registradores. As leituras devem ser sistemáticas, ou seja, padronizadas no tempo; uniformes, ou seja, com pessoas treinadas e devem ser ininterruptas, ou seja, não falhar. No Brasil, na rede oficial as leituras são feitas às 9, 15 e 21 horas de Brasília que correspondem as 12,18 e 24 horas GMT Classificação das estações meteorológicas de superfície quanto à finalidade: Estação sinótica: objetiva a previsão do tempo. As medições realizadas são direção e velocidade do vento, temperatura do ar, umidade relativa do ar, chuva, pressão atmosférica, nuvens, geadas. As leituras são realizadas as às 9, 15 e 21 horas. Estação climatológica: tem por finalidade obter dados para determinar o clima de uma região, após um histórico de no mínimo 30 anos de observação. As medições realizadas são direção e velocidade do vento, temperatura do ar, umidade relativa do ar, chuva, pressão atmosférica, nuvens, geadas, temperatura do solo, evapotranspiração, orvalho, evaporação e radiação solar. As leituras são realizadas ás 9, 15 e 21 horas. Estação agroclimatológica: tem por finalidade fornecer informações para estudar a influencia do tempo (elementos meteorológicos) sobre as culturas, além de realizar observações que determinam o crescimento e desenvolvimento das culturas.

2 1.1.2 Instalação de uma estação meteorológica O Local onde é instalado convenientemente um conjunto de instrumentos que descrevem de maneira sucinta as condições meteorológicas ocorrentes no momento da observação. Escolha do local: Devem ser representativos da região. Tem abrangência de cerca 150 km 2 ao redor da estação. Requisitos da área: a) exposição aos ventos gerais da região, devendo-se para não instalar em fundo de vale; b) deve apresentar horizontes amplos, ou seja, não podem ter barreiras que impeçam a incidência da radiação solar ou que modifiquem o vento; c) distante de cursos d água, pois modificam o balanço de energia; d) o solo deve ser representativo da região, plano, que não acumulem água e deve ser gramada a fim de minimizar o efeitos das diferentes texturas. e) o acesso da estação deve ser voltado para o sul. Montagem: a área que os aparelhos devem ocupar deve ser tal que evite o sombreamento ou interfer6encia de um equipamento sobre outro. A estação deve ser cercada a fim de evitar animais na área. A tela deve ser de arame galvanizado com malha de 5cm e 1,5m de altura (OMM). O terreno deve ser plano, gramado e bem drenado. Junto a estação deve existir uma casa de alvenaria que tem por finalidade conter os instrumentos de medida de pressão, além do rádio amador. Localização dos instrumentos: a finalidade é que um instrumento não interfira na medição do outro. Na porção norte devem ficar os instrumentos que não podem ser sombreados como o heliógrafo, actinógrafo, geotermômetros, tanques de evaporação, pluviômetros e evapotranspirômetros. Na porção central deve ser instalado o abrigo meteorológico, o qual deve ter a porta voltada para o sul. Na porção sul devem ser instalados os aparelhos mais altos como, por exemplo, o anemômetro. Cuidados gerais: A grama deve ser cortada periodicamente a fim de se manter a 10 cm evitando-se o sombreamento de equipamentos. Os equipamentos devem ser calibrados periodicamente. Cercas e mourões devem ser pintados de branco e as portas da estação e do abrigo devem ser mantidas fechadas.

3 1.1.3 Instrumental Abrigo meteorológico: tem por finalidade manter os instrumentos secos, livres da precipitação e insolação. Descrição caixa de teto duplo, parede de venezianas com porta também de venezianas que deve estar na direção sul. Deve ser de madeira e pintado de branco. Instrumentos termômetro de máxima, mínima, evaporímetro de piche, psicrômetro, termohigrômetro Instalação: terreno plano, coberto de grama rasteira. A base deve ficara altura de 1,20m do solo. Deve ser nivelado sobre um cavalete ou pilar de alvenaria. Heliógrafo: mede o número de horas durante o dia que os raios solares atingem diretamente a superfície da terra num determinado local. Descrição compõem-se de uma perfeita esfera de cristal suspensa em suporte semicircular, tendo por baixo uma armação metálica em forma de concha, na qual existem seis ranhuras onde são colocadas as tiras de papelão. A tira curva comprida é utilizada da metade de outubro até o fim de fevereiro. A tira reta é utilizada do princípio de março até o meado de abril e do princípio de setembro até a metade de outubro. A tira curva curta é utilizada da metade de abril até o fim de agosto. Instalação pilar em alvenaria de 1,0 x 0,3 x 0,3m, rebocado e esboçado, devendo ser bem nivelado na sua base, as faces laterais devem ficar orientadas para o N,S,L,W. Os ajustes devem existir a fim da boa carbonização da fita, devendo estar em nível, ou seja, concentricidade, meridiano e latitude. Manejo a tira curta é colocada na ranhura mais curta do aparelho; a tira reta na ranhura do centro e a tira comprida mais próxima ao pólo inferior do aparelho. A tira deve ser substituída na leitura das 21 horas. Actinógrafo: determina a quantidade de energia que atinge a superfície na terra (cal cm 2 dia -1 ). É denominada de radiação solar global. Descrição: o elemento sensível a radiação é protegido por uma cúpula de vidro que aciona um sistema de alavancas que registra a energia sobre um papel colocado sobre um tambor acionado por meio de relojoaria. A radiação é recebida por três placas

4 bimetálicas uma enegrecida e duas brancas, que através de suas dilatações geram energia. Instalação: mesmo do heliógrafo. Utilização - uma caloria = energia necessária para elevar 1 grau centígrado a temperatura de um grama de água em qualquer instante do dia. A troca de fase de um grama de água a 20 o C, requer 585 Kcal, conhecida como calor latente de evaporação. Termômetro de máxima: mede a temperatura máxima do dia à sombra. Descrição o elemento sensível é um bulbo cheio de mercúrio ligado um tubo capilar que tem uma constrição nas proximidades da união com o bulbo. Aquecendo-se o mercúrio o capilar dilata-se. Resfriando-se tende a voltar, mas fica restrito no capilar. A leitura é dada pela dilatação que registra a temperatura. Instalação no abrigo meteorológico em posição horizontal, levemente inclinado, junto com o de mínima. Utilização temperaturas extremas interferem no crescimento e desenvolvimento de plantas. A leitura é realizada às 21 horas. Termômetro de mínima: mede a temperatura mínima do ar à sombra. Utilização elemento sensível é o álcool. Dentro do álcool há uma pequena peça de material em forma de halter que se movimenta quando a coluna retrocede em direção ao bulbo. O halter deve estar junto ao menisco que se forma com o álcool. Por isso deve ser movimentado nas horas mais quentes do dia. Leitura 9 horas. Termohigrógrafo: registrar continuamente a temperatura do ar e umidade relativa do ar à sombra. Descrição faixas de temperatura = -15 a +/- 40 o C, com resolução de 0,5 o C. Umidade relativa do ar: 0 100% com resolução de 3%, entre 20 e 80% nos extremos. Instalação Abrigo meteorológico Manejo calibração dos sensores, sendo cabelo humano para a umidade relativa e a temperatura do ar é medida por sistema bimetálico.

5 Psicrômetro: aparelho constituído de dois termômetros. Um fluxo de ar pode ser forçado a passar nos bulbos dos termômetros ventilação forçada. Um termômetro fornece a temperatura do ar (t). O segundo é coberto com uma gaze ou cadarço de algodão que é umedecido com água destilada (tw). O ar passa e retira a umidade. Instalação dentro do abrigo meteorológico em suporte próprio. Utilização Depressão psicrométrica = diferença entre (t tw). Evaporímetro de Piche: Considerações gerais: mede a evaporação potencial do ar a sombra. Descrição: tubo cilíndrico em vidro de 35 cm de comprimento e 1,5cm de diâmetro externo. Graduado em 30cm3 com divisões a cada 0,1cm 3. Apresenta uma extremidade fechada denominada olhal que tem por finalidade pendurar o instrumento. A outra extremidade, a inferior é aberta e dispõe de uma presilha para fechá-la por meio de um disco circular de papel absorvente com espessura de 30 mm e 0,5mm de diâmetro, fixado por capilaridade e mantido pela presilha. Instalação no abrigo meteorológico. Os dados coletados, ou seja, a evaporação medida não leva em consideração os valores de radiação solar. A evaporação é sensível a velocidade do vento e mantém relação inversa com a umidade relativa do ar e não apresenta nenhuma relação com a evapotranspiração. Tanque classe A: servem para determinar a capacidade evaporante da atmosfera a fim de medir a evaporação de uma superfície livre de água. Descrição diâmetro de 1,219m por 25,4cm de altura chapa galvanizada número 22. Assentado sobre caibros (estrado) nivelados com vãos cheios de terra. É constituído ainda por: Poço tranqüilizador: nivelado, onde se faz a leitura com aparelho chamado micrômetro de gancho assentado em cima do poço tranqüilizador. Em casos especiais deve-se colocar tela de arame hexagonal para evitar entrada de galhos, folhas e pássaros. Nesse caso deve-se fazer a correção da leitura. Outro tanque deve estar junto a fim de servir de depósito de água. No tanque principal deve-se ter um termômetro de máxima e mínima flutuando sobre a água do mesmo. Tornasse necessário um anemômetro para medir a velocidade do vento.

6 Manejo e operação enche-se o tanque até 5 cm da borda superior. O nível de medida permitida é 7,5cm a partir da borda superior, ou seja, a cada 25 mm de evaporação deve-se recolocar água no mesmo. O micrômetro tem precisão de 0,01 a 0,02mm. Horário da leitura 9 horas. Pluviômetro: determina a precipitação pluvial (mm). A altura de chuva é dada pela razão entre o volume inicial e a superfície em questão Descrição O mais comum é Ville de Paris. O recipiente é tronco cônico com área de captação e torneira na parte afunilada inferior. Instalação em suporte a 1,5m em nível. Manejo após a chuva coletar e medir em proveta. Pluviôgrafo: registrar a cada instante de tempo a precipitação pluvial, informando sobre o total de chuva e a intensidade (mm/h). Descrição boca de captação de 200cm 2 que vai descarregar a água em um depósito que possui uma bóia. A medida que o depósito se enche de água, a bóia se eleva, acionando uma pena que registra a precipitação num gráfico acoplado em um tambor. O tamanho do depósito é limitado em 10mm. Na extremidade inferior possui um sifão para escoar a precipitação captada. Manejo - dar corda no sistema, trocar o gráfico, esgotamento do reservatório, trocar a pena e observar a tinta da pena. Catavento: dar a direção e sentido do vento. Alguns podem dar a velocidade expedita do vento (m/s). Descrição metálico o qual tem em uma extremidade terminal em forma de cone que indica o sentido de onde vem o vento e na outra extremidade duas aletas separadas por um ângulo de 22 o. O conjunto é móvel juntamente com um ponteiro que indica sobre uma parte fixa a direção do vento. Na parte fixa estão os pontos cardeais e os números representativos da direção do vento. Instalação canto sul a 8 10m. Tipos: 1 Biruta = dá o sentido, a direção do vento e ainda uma idéia de velocidade.

7 2 Catavento tipo Wild = superfície metálica que sempre está perpendicular à direção do vento. A velocidade é dada pela deflexão da superfície. Anemômetro de concha ou caneca: três a quatro conchas, instaladas sobre um eixo vertical fixado a uma engrenagem que movimenta um mostrador. Os dados são acumulados e divididos pelo período. Anemôgrafo universal: registra continuamente a intensidade do vento bem como a direção e o sentido. Sensor dines = determina a velocidade instantânea do vento rajadas. Robinson = integrador da trajetória. Geotermômetro: determina a temperatura do solo. Descrição haste de vidro que apresenta uma saliência que é o ponto de referência que deve ficar na superfície da terra. É fixado em suporte específico. Apresenta um bulbo que deve ser enterrada no solo a profundidade desejada. As profundidades mais comuns são: 2,5; 10 e 20cm na disposição leste/oeste. A menor profundidade deve ser colocada no lado oeste. A extremidade superior da haste deve apontar para o norte. A variação da medição é de -13 a 60 o C, com subdivisões de 0,2 o C, podendo-se estimar até 0,1 o C. Lisímetros: determina a evapotranspiração real das culturas. Evapotranspirômetros: determina a evapotranspiração potencial 1.2 DE SUPERFÍCIE AUTOMÁTICA As Estações Meteorológicas Automáticas (EMA's) ou também conhecidas como Plataformas de Coleta de Dados (PCD's) surgiram da necessidade de inúmeras empresas e instituições em obter regularmente informações colhidas em lugares remotos ou espalhadas por uma região muito extensa. A seleção adequada do sítio de instalação para Estações Meteorológicas Automáticas é crítica para a obtenção de dados meteorológicos precisos. De modo geral, o local deverá representar a área de interesse e apresentar-se livre de agentes interferentes nas proximidades.

8 Como exemplos de agentes interferentes, citamos: Construções e árvores impedem a livre circulação de ventos, podendo interferir na mensuração da velocidade e direção deste. A temperatura e umidade relativa do ar também podem sofrer alterações devido à formação de microclima alterando de sobremaneira os valores. A radiação e precipitação atmosféricas poderão sofrer sombreamento ou elevada exposição em casos onde o instrumento estiver localizado próximo às barreiras ou áreas de reflexão. Áreas de solo desnudo ou impermeabilizadas afetam a medição de algumas variáveis meteorológicas, causando elevada amplitude térmica do ar, acarretando distúrbios também na medição da umidade relativa do ar. Inicialmente deve ser escolhido o local apropriado onde irá ser instalada a estação meteorológica. A qual deve ser montada em um local plano, longe de instalações elétricas que possam produzir interferências eletromagnéticas, como fios de alta tensão, motores elétricos, etc. A distância recomendada do obstáculo é de pelo menos 10 vezes a altura deste, ou seja, na hipótese de haver uma árvore com altura de 10 metros, a estação deverá ser montada a uma distância de 100 metros ou superior a este obstáculo. A área recomendada pela maioria das agências de monitoramento é de 100 metros quadrados (10 x 10 m) com o solo preferivelmente coberto por grama ou vegetação local de baixo porte. É desejável acesso restrito à área com instalação de cerca com alambreado na altura máxima de 1,5 m e único acesso à área pela face Sul. Selecionado o local da instalação da EMA, deve-se identificar e marcar a direção Norte (usar sempre o Norte Verdadeiro Geográfico). O método mais prático é determinar o Norte Magnético com o uso de uma bússola e descontar a declinação magnética do local. Normas de localização e padronização dos sensores: 1) Sensor de Temperatura e Umidade Relativa do Ar (Termohigrômetro): O Termohigrômetro é um instrumento que permite obter diretamente a Temperatura e a Umidade Relativa do ar, através de dois sensores conjugados. O conjunto sensor é protegido por um abrigo meteorológico que pode ser de plástico ou alumínio na cor branca. Esse abrigo evita a exposição direta dos elementos sensores aos raios solares e à chuva, além de garantir a livre circulação do ar permitindo um equilíbrio com a atmosfera a sua volta. Esse conjunto sensor deve ser instalado no lado oposto do sensor de radiação. Suas unidades de medida são:

9 Temperatura: ºC (Celsius); Umidade Relativa: % (Porcentagem); A medição poderá sofrer alterações em caso de: fortes fontes industriais de calor; proximidade à coberturas (ou telhados); lugares íngremes ou abrigados; vegetação alta ou ocorrência de aglomerações; locais mal drenados. A Organização Meteorológica Mundial (OMM), entidade internacional ligada à ONU, que coordena as atividades operacionais na área das Ciências Atmosféricas, estabelece normas e alturas padrões para instalação dos instrumentos meteorológicos, portanto, o conjunto sensor de temperatura e a umidade relativa do ar devem ser efetuados a uma altura entre 1,25 a 2,00 m acima do terreno. 2) Sensor de Velocidade e Direção do Vento (Anemômetro): É um instrumento que determina a direção e a velocidade horizontal do vento. Os sensores de vento deverão ser instalados em área livre acima do nível do terreno ao seu redor, com distância horizontal 10 vezes superior à altura do obstáculo. Em condições alguns casos a distância horizontal pode ser reduzida para 3 vezes sua altura, sendo que valores inferiores a estes inviabilizam por completo a representação do fenômeno. Suas unidades de medida são: Velocidade do vento: m/s Km/h; Direção do vento: (Graus); Altura de medição recomendadas e suas respectivas normas: 3,0 m ±0,1 m 2,0 m ± 0,1 m e 10,0 m ±0,5 m como opcional 10,0 m 3) Sensor de Radiação Solar Global (Piranômetro) Radiômetros são instrumentos utilizados para medir a radiação solar. Dependendo do tipo da componente da radiação medida, estes passam a ter nomes específicos, como exemplo, o aparelho para medição da radiação solar global recebe o nome de Piranômetro. A radiação solar incidente no topo da atmosfera terrestre varia basicamente com a latitude e o tempo, a qual, ao atravessar a atmosfera, interage com seus constituintes e parte dessa radiação que é espalhada em outras direções é especificada de radiação solar difusa, a outra parte chega diretamente à superfície do solo é denominada de radiação solar direta. Somando a radiação difusa com a direta obtém-se a radiação solar global. A radiação solar global é medida por um radiômetro específico denominado Piranômetro;

10 a radiação terrestre (ou radiação líquida) é medida por um radiômetro denominado Pirgeômetro e a radiação fotossinteticamente ativa por um Radiômetro PAR (Photosynthetically Active Radiation). Todos esses tipos de radiômetros são funcionalmente semelhantes e devem ser instalados em suportes que garantam seu perfeito nivelamento com a normal e em locais abertos sem a presença de sombras, obstáculos e áreas reflexivas. No Hemisfério Sul é recomendado à instalação do instrumento na face Norte, minimizando a possibilidade de sombras de sensores ou estruturas da estação meteorológica. Esta variável não é dependente da altura do instrumento, mas recomenda-se instalação entre 1,5 m e 2 metros de altura, dada a facilidade de acesso. Sua unidade de medida é: W/m² (Watts por metro quadrado). 4) Sensor de Precipitação (Pluviômetro): O sensor de precipitação ou pluviômetro é um instrumento destinado a medir a precipitação (chuva) num intervalo de tempo. A Organização Meteorológica Mundial (OMM) recomenda que o sensor de precipitação atmosférica mantenha-se em local livre em distância igual ou superior a quatro vezes a altura de eventuais obstáculos. A área de captação da precipitação deverá estar posicionada em plano horizontal a uma altura de 1,5 m. De modo genérico, no local de instalação de pluviômetros encontra-se recoberto por grama ou vegetação local de baixo porte. Salientamos que pelo princípio de funcionamento da maioria dos sensores de precipitação, é desejável o uso de suportes robustos como tubo de aço galvanizado. Sua unidade de medida é: mm/h (milímetros por hora). 5) Sensor de Pressão Atmosférica (Barômetro): Denomina-se pressão atmosférica ao peso exercido por uma coluna de ar, com secção reta de área unitária, que se encontra acima do observador, em um dado instante e local. Fisicamente, representa o peso que a atmosfera exerce por unidade de área. Pode ser instalado em qualquer orientação, vertical ou horizontal. Normalmente instala-se no interior da caixa selada da Estação Meteorológica, mas possuindo comunicação externa, onde é realizada a leitura da pressão atmosférica. Sua unidade de medida é: mb (Milibar) ou hpa (Hecto Pascal). 6) Sensor de temperatura do solo: A medição da temperatura do solo deverá ocorrer em área não superior a 1 m² e com a cobertura da superfície semelhante à de interesse. O local deverá estar nivelado com a área ao seu redor em um raio de 10 metros.

11 Profundidades de medição: 10,0 cm ±1,0 cm 5,0 cm, 10,0 cm, 50,0 cm, 100,0 cm (WMO) 1.3 Estações Meteorológicas de altitude As estações meteorológicas de altitude são equipadas com sistemas destinados a observar e a traçar o perfil vertical de temperatura, pressão, umidade, direção e velocidade do vento nas diversas camadas da atmosfera. As sondagens são executadas por meio de um balão, lançado na atmosfera, contendo gás hidrogênio, ao qual é presa uma sonda dotada de sensores, bem como de um sistema GPS para precisar os dados de vento em altitude. As informações colhidas por uma EMA são codificadas e transmitidas para emprego da Meteorologia Aeronáutica. São informações importantes para o Banco de Dados do Sistema de Vigilância Meteorológica Mundial da Organização Mundial de Meteorologia (OMM). A observação meteorológica da atmosfera, em altitude, utilizando métodos diretos é conhecida por observação aerológica. Na execução de uma observação aerológica são utilizados, em regra, balões meteorológicos de 600 gr (Figura 1), cheios de hélio e que transporta uma radiossonda instrumento equipado com sensores para medir grandezas meteorológicas (pressão atmosférica, temperatura e umidade relativa do ar e vento ao longo da atmosfera na vertical) e que está dotado com emissor rádio e um à superfície sistema de antenas (Figura 3) para transmissão de dados até ao receptor instalado na estação à superfície do globo. A informação obtida pela radiossonda é visualizada em tempo real em computador. No final, os dados são arquivados para estudos locais e regionais e codificados na forma de código TEMP, para disseminação nacional e internacional. Os dados resultantes desta forma de observação são de extrema importância: Inicialização de modelos numéricos de previsão do tempo; Previsão local/regional a partir da determinação da estabilidade da atmosfera e distribuição do conteúdo em vapor de água; Estudos de poluição atmosférica através da determinação da estabilidade da atmosfera e altura da camada de mistura;

12 Previsão dos efeitos da refração atmosférica na propagação de radiação eletromagnética ou de ondas sonoras; Segurança e economia das operações de navegação aérea; Precisão e alcance balístico das operações de artilharia por intermédio da densidade do ar calculada para uma dada pressão; Estudos do clima em altitude, sua variabilidade e eventuais alterações, utilizando registros de longa duração. As informações aqui presentes foram obtidas de diversos materiais técnicos, todos eles citando as publicações. Referências Bibliográficas The State Climatologist (1985). Publication of the American Association of State Climatologist: Heights and Exposure Stardarts for Sensor on Automated Weather Stations, V. 9, N 4, Outubro, EPA (1987). On-Site Meteorological Program Guidance for Regulatory Modeling Applications, EPA 450/ Office of Air Quality Palnning and Standarts, Research Triangle Parks, North Carolina WMO (1983). Guindace to Meteorological Instruments and Methods of Observation. World Meteorological Organization N 8, 5th edition, Geneva Switzerland.