SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO CICLO DE VIDA DE UMA CÉLULA CONVECTIVA PROFUNDA E A PARAMETRIZAÇÃO DE MICROFÍSICA DE NUVENS DE LIN NO MODELO ARPS

SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO CICLO DE VIDA DE UMA CÉLULA CONVECTIVA PROFUNDA E A PARAMETRIZAÇÃO DE MICROFÍSICA DE NUVENS DE LIN NO MODELO ARPS Ricardo Hallak 1 Augusto José Pereira Filho 1 Adilson Wagner Gandú 1 RESUMO - O modelo atmosférico regional ARPS (Advanced Regional Prediction System) é utilizado com alta resolução espaço-temporal para simular tridimensionalmente uma tempestade isolada num estado básico inicial da atmosfera controlado. O objetivo do trabalho é verificar a capacidade do modelo em simular o ciclo de vida de um cumulonimbus explicitamente com a utilização da parametrização microfísica de nuvens frias de Lin et al. (1983). Os resultados mostram a viabilidade do procedimento. As principais características físicas da célula convectiva profunda foram reproduzidas. Destacam-se entre estas os campos de razão de mistura de água de nuvem, cristais de gelo, neve, chuva e granizo, bem como as correntes verticais associadas à tempestade simulada. ABSTRACT - The Advanced Regional Prediction System (ARPS) model is used with high spatial and temporal resolutions to simulate a 3D thunderstorm in a controlled initial atmospheric basic state. The main goal of this work is to assess the model ability to simulate the lifecycle of this conceptual cumulonimbus cloud using the cold cloud microphysics parameterization proposed by Lin et al. (1983). The results show the ARPS was able to reproduce the main physical characteristics of the deep convective cell, especially so for the water vapor, cloud ice, snow, rain and hail mixing ratios as well as associated updrafts. Palavras-Chave: convecção profunda; parametrização de microfísica de nuvens; modelo ARPS. 1 Departamento de Ciências Atmosféricas Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas Universidade de São Paulo hallak@model.iag.usp.br apereira@model.iag.usp.br, adwgandu@model.iag.usp.br 1

INTRODUÇÃO - Os processos físicos que levam ao desenvolvimento de células convectivas profundas sobre os continentes podem ser gerados pelas soluções numéricas das equações da dinâmica dos fluídos, que constituem o núcleo de um modelo numérico apropriado para simulações da atmosfera em alta resolução espacial. A simulação explícita de células convectivas profundas, entretanto, é extremamente dependente das parametrizações físicas incluídas no código do modelo. A parametrização da microfísica de nuvens exerce papel fundamental quando o modelo é rodado no modo de alta resolução espacial. Esta parametrização é responsável pela geração de nuvens e, em condições adequadas, precipitação à superfície a partir das informações dinâmicas e termodinâmicas contidas nos campos de massa e movimento. Por outro lado, a parametrização de microfísica altera o meio ambiente no qual ocorrem os processos dinâmicos e termodinâmicos de várias maneiras, uma vez que as equações da hidrodinâmica formam um conjunto fechado cujas variáveis dependentes são inter-relacionadas. O experimento numérico exposto neste artigo foi elaborado com o intuito de verificar e avaliar os processos da parametrização de microfísica de nuvens de Lin et al. (1983), denominada "parametrização de Lin" no restante deste artigo, implementado no modelo regional ARPS [Advanced Regional Prediction System - Xue et al. (2001)]. METODOLOGIA - A parametrização de Lin difere das demais opções de parametrização de microfísica no ARPS ao oferecer um tratamento completo da física envolvida na evolução dos campos das várias formas que a água pode possuir na atmosfera, incluindo seis espécies de água, a saber: vapor d'água, água de nuvem e cristais de gelo (espécies não-precipitantes) ; água de chuva, granizo/graupel e neve (espécies precipitantes). Os resultados da simulação, cuja duração foi de 5400 s, foram obtidos com iniciação homogênea no plano horizontal com uma sondagem assimilada no passo inicial de integração (Fig. 1). O campo tridimensional do vento inicial é nulo. A instabilidade termodinâmica inicial é conseqüência de um aquecimento diferencial de 1.6 K no primeiro passo de tempo de integração, produzido por uma elipsóide localizada entre 1500 e 3000 m de altitude, com 15 km 2 de base e posicionada no centro do domínio simulado. As características básicas desta simulação foram escolhidas de forma a garantir o desenvolvimento de uma célula cúmulo-nimbo vigorosa com o mínimo possível de influência dinâmica externa ao sistema. Desta forma, a origem da célula convectiva se deve em princípio somente à instabilidade termodinâmica inicial. Discrimina-se a seguir as principais características físicas e numéricas do experimento: 1) Domínio da grade numérica: a) número de pontos: 99 x 99 na horizontal e 72 na vertical; b) resolução espacial horizontal: 1000 m na direção leste-oeste e 1000 m na direção norte-sul; c) resolução espacial vertical: 300 m em média e 50 m nos 8 primeiros níveis do modelo a fim de 2

melhor representar a estrutura vertical da camada limite planetária; d) domínio total: 100 km x 100 km na horizontal com topo a 21 km da superfície. Fig. 1: Diagrama termodinâmico da sondagem de 20 de maio de 1977 [Oklahoma (EUA)]. Linha contínua preta à esquerda corresponde ao perfil de Td e, à direita, T. Linha tracejada verde corresponde à curva seguida por uma parcela de ar elevada a partir de seu nível de condensação. 2) As principais opções numéricas, fisiográficas e de parametrizações físicas para a simulação são: a) domínio sem topografia; b) termo de flutuação incluído na equação do momento vertical; c) condições laterais radiativas; d) condições de fronteira no topo e superfície do tipo gradiente zero; d) termos de coriolis desativados; e) parametrização de microfísica de nuvens quentes e frias incluídas; f) parametrização de cúmulos desativada; g) parametrização de radiação desativada; h) parametrização de física de superfície desativada; i) modelo de solo desativado. Nota-se, pelo exposto nas opções utilizadas, que se trata de uma simulação idealizada e com simplificações físicas e numéricas significativas. Além disso, não há cisalhamento vertical no estado básico e os ventos zonal e meridional são ambos nulos no tempo inicial. RESULTADOS - A seqüência temporal dos eventos mais importantes é descrita a seguir. Em t = 0 min, todas as variáveis têm distribuição homogênea na horizontal, com as isolinhas de T = 0 o C em z 3.800 m e T = -40 o C em z 9.500 m. Em t = 1 min, a perturbação termodinâmica de 1.6 K no campo tridimensional de temperatura potencial dá origem a duas circulações térmicas diretas simétricas observadas em baixos níveis. Aos 8 minutos de simulação, as circulações térmicas diretas estão em estágio de intensificação. Os primeiros sinais de cúmulos rasos aparecem aos 11 minutos de simulação (Fig. 2a), abaixo da linha de 0º C, aproximadamente a 3.000 m da superfície. 3

Aos 20 minutos (Fig. 2b), o cúmulo em desenvolvimento vertical atinge a linha de 0º C a 4.000 m da superfície. Abaixo do nível de T = 0 ºC, atuam somente os processos de microfísica de nuvens associados às nuvens quentes. Em t = 29 minutos (Fig. 2c), a nuvem em desenvolvimento, identificada como do tipo cúmulos congestos, atinge a altura de T = -40 o C. Há um domínio do processo clássico de Bergeron entre as isotermas de 0º C e -40º C onde a coexistência da água super-resfriada e cristais de gelo privilegia o aumento deste último em detrimento do primeiro. Entre t = 30 min e t = 35 min (Fig. 2d), os processos microfísicos de nuvens frias atuam eficientemente no sentido de intensificar rapidamente a corrente ascendente principal no interior do cúmulo-nimbo. O topo da nuvem atinge os 14.000 m de altura e o acúmulo de massa em altos níveis dá origem ao estabelecimento da divergência de massa naqueles níveis. Os campos de massa e momento ainda são claramente bastante simétricos. A componente bidimensional (u, w) do vetor velocidade vertical tem magnitude máxima acima de 40 m s -1. O aumento da estabilidade estática na tropopausa produz convergência vertical e divergência horizontal. Esta última força o espalhamento da nuvem que forma uma bigorna simétrica em relação ao centro do domínio de integração (Fig. 2d). Esta parte da nuvem é formada por cristais de gelo em camadas de nuvens cirrus. Entre t = 36 min e t = 49 min (Fig. 2e) a tempestade atinge seu máximo desenvolvimento e inicia seu decaimento. Os processos mais intensos ocorrem, agora, no topo da nuvem, como a intensificação da divergência de massa na região da bigorna. A parametrização de microfísica de Lin permite que o entranhamento atue na evaporação das gotículas de nuvem e cristais de gelo, como pode ser observado nas bordas do topo da nuvem por volta dos 7.000 m de altura na Fig. 2e. A alta umidade proveniente do estado básico inicial permite que novos pulsos de corrente ascendente em níveis médios realimentem o cúmulo-nimbo, prolongando seu ciclo de vida no estágio maduro. As isotermas de T = -40 ºC e T = 0 ºC indicam a ação de ondas de gravidade pela oscilação das mesmas de curto comprimento de onda. O estágio de decaimento da tempestade se inicia pela evaporação da nuvem em baixos níveis (Fig. 2e). O topo do cúmulo-nimbo atinge um diâmetro de 30 km. Em t = 90 min, verifica-se que novas células convectivas surgem a 10 km de distância do centro da célula convectiva primária, porém com menor intensidade, pela dispersão de energia mecânica e termodinâmica nas fronteiras radiativas do domínio numérico. Adicionalmente, nota-se na Fig. 2f uma intensificação da divergência logo abaixo do topo da nuvem. Sugere-se que este resulte do colapso da camada de nuvem acima resfriada pela evaporação devido ao entranhamento do ar ambiente. Ao mesmo tempo, verificam-se novas correntes ascendentes na média troposfera. O aumento de densidade na região do topo da nuvem gera subsidência que, combinada às correntes ascendentes abaixo, resulta em forte divergência horizontal na região da bigorna colapsada por este processo. 4

(a) (b) (c) (d) (e) (f) Fig. 2: Cortes verticais dos campos de razão de mistura (g kg -1 ) de água de nuvem e cristais de gelo em (a) t = 11 min; (b) t = 20 min; (c) t = 29 min; (d) t = 35 min; (e) t = 49 min; (f) t = 90 min de simulação. Há indícios da formação de granizo aos 27 min de simulação. Os vários processos de formação de granizo na parametrização de Lin ocorrem somente abaixo de 0º C. O granizo possui alta velocidade terminal que desloca o centro de massa do campo de razão de mistura do mesmo para baixo (Fig. 3). Isto intensifica as correntes descendentes no estágio maduro do sistema. 5

Fig. 3: Razão de mistura de granizo (g kg -1 ) aos 35 minutos de simulação. CONCLUSÕES - De um modo geral, a simulação apresentada neste manuscrito mostra que as 3 fases do ciclo de vida conceitual de uma tempestade convectiva foram apropriadamente reproduzidas, quais sejam: 1-Estágio cúmulo, com desenvolvimento até 6 km de altura com o ar dentro das nuvens dominado por fortes correntes ascendentes; 2-Estágio maduro, com correntes ascendentes e descendentes intensas e precipitação em superfície, O topo da célula atinge 14 km de altura com "overshooting top" (Fig. 2e). Houve queda de granizo no solo; 3-Estágio de dissipação, quando as correntes descendentes predominam no interior da nuvem com chuva leve e ventos fracos mais persistentes, o que concorda com as observações. AGRADECIMENTOS O primeiro autor agradece à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) e, o segundo, ao CNPq, pelo suporte ao desenvolvimento da pesquisa da qual faz parte este artigo. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Lin, N.-T, Farley, R. D., Orville, H. D., 1983: Bulk parameterization of the snow field in a cloud model. J. Clim. Appl. Meteor., 22, 1065-1092. Xue, M., Droegemeier, K. K., Wong, V., Shapiro A., Brewster, K., Carr, F., Weber, D., Liu, Y., Wang, D.-H., 2001: The Advanced Regional Prediction System (ARPS) - A multi-scale nonhydrostatic atmospheric simulation and prediction model. Part II: Model physics and applications. Meteor. Atmos. Phys., 76, 143-165. 6