AVALIAÇÃO DE SISTEMAS CONVECTIVOS DE MESOESCALA SOBRE O SUL DA AMÉRICA DO SUL UTILIZANDO O MODELO WRF

AVALIAÇÃO DE SISTEMAS CONVECTIVOS DE MESOESCALA SOBRE O SUL DA AMÉRICA DO SUL UTILIZANDO O MODELO WRF Luciana Cardoso Neta 1 Roseli Gueths Gomes 2 1, 2 Centro de Pesquisa e Previsões Meteorológicas - (CPPMet) Av. Engenheiro Ildefonso Simões Lopes, 2751 CEP: 96060-290 - Telefone: (53) 3277-6690 Pelotas - RS Brasil email: lcneta@gmail.com, rggomes@ufpel.edu.br Abstract: In January 2003, a number of Mesoscale Convective Systems (MCS) occurred in southern South America (SSA). The SCM has inner regions where rising air currents are more intense, called Convective Nuclei (CN). Both the SCM and the CN may undergo mergers and / or division. To identify the MOC images have been used geostationary satellite GOES-series are highlighted in the infrared channel, which were processed using a semi-automated method in the region between 20 S and 40⁰S and 40 W to 70 W. We identified 264 NC, according to certain criteria, observed in 14 sequences. Of these, two were selected because they present the NC with the largest areas in the maturation phase. The meteorological fields were obtained using the WRF model (version 2.2) with two nested grids (90km and 30km spatial resolution). The initial data and boundary with 1º resolution in latitude and longitude, were updated every 6 hours in simulations that started 12 hours before the time of formation of the first CN of each sequence, with hourly departures. The first case study took place on January 10, 2003 and the second, on January 20, 2003. For these cases were analyzed wind fields at low and high levels, the vertical shear of horizontal wind in the layer between the surface and 4 km in height, the indices K and Total-Totals and mixing ratio in the layer between the surface and 3 km height, as well as the existence of Low Level Jet (LLJ) east of the Andes. It was found that the thermodynamic characteristics were not sufficient to justify the formation of CN analyzed. On the other hand, the vertical wind shear appears to have been instrumental in the formation and maintenance of the convection observed in the study region. Resumo: No mês de janeiro de 2003, vários Sistemas Convectivos de Mesoescala (SCM) ocorreram no Sul da América do Sul (SAS). Os SCM têm regiões internas onde as correntes ascendentes de ar são mais intensas, chamadas de Núcleos Convectivos (NC). Tanto os SCM quanto os NC podem sofrer processos de fusão e/ou divisão. Para identificar os NC foram utilizadas imagens de satélite geoestacionário da série GOES, realçadas no canal infravermelho, que foram processadas utilizando um método semi-automático na região entre 20⁰S a 40⁰S e 40⁰W a 70⁰W. Foram identificados 264 NC, de acordo com determinados critérios, observados em 14 sequências. Destas, foram selecionadas duas, por apresentarem os NC com as maiores áreas na fase de maturação. Os campos meteorológicos foram obtidos utilizando o modelo WRF (versão 2.2) com duas grades aninhadas (90km e 30km de resolução espacial). Os dados iniciais e de contorno, com 1º de resolução em latitude e longitude, foram atualizados a cada 6 horas em simulações que iniciaram 12 horas antes do horário de formação do primeiro NC de cada sequência, com saídas horárias. O primeiro caso de estudo ocorreu no dia 10 de janeiro de 2003 e, o segundo, no dia 20 de janeiro de 2003. Para estes casos foram analisados os campos de vento em baixos e altos níveis, o cisalhamento vertical do vento horizontal na camada entre a superfície e 4km de altura, os índices K e Total-Totals e a razão de mistura na camada entre a superfície e 3km de altura, bem como a existência de Jato de Baixos Níveis (JBN) a leste da Cordilheira dos Andes. Foi encontrado que as características termodinâmicas não foram suficientes para justificar a formação dos NC analisados. Por outro lado, o cisalhamento vertical do vento parece ter sido fundamental na formação e manutenção da atividade convectiva observada na região de estudo. 1- Introdução Os Sistemas Convectivos de Mesoescala (SCM) tem sido um dos desafios para os pesquisadores nas últimas décadas, devido às características de tempo a eles associados, como precipitações intensas, fortes rajadas de vento, descargas elétricas e granizo, que causam danos à população. Estes sistemas ocorrem com maior frequência no Sul da América do Sul (SAS), nos meses mais quentes (verão e primavera). Os SCM são constituídos por aglomerados de nuvens Cumulonimbus (Cb), que produzem uma área de precipitação de, aproximadamente 100km ou mais em uma dimensão horizontal, com tempo de vida entre 6 e 12 horas (Cotton e Anthes 1989). Tais SCM apresentam regiões internas onde as correntes ascendentes de ar são mais intensas, chamadas de núcleos convectivos (NC).

O desenvolvimento dos SCM no SAS é favorecido pela ocorrência do Jato de Baixos Níveis (JBN), localizado a leste da Cordilheira dos Andes, conforme Salio et al (2007). Para identificar a ocorrência dos JBN, os autores utilizaram os critérios de classificação propostos por Bonner (1968). Este autor realizou um estudo sobre a climatologia e a cinemática de JBN na América do Norte, durante 2 anos, e definiu 3 critérios (JBN1, JBN2 e JBN3) de ocorrência, baseados na intensidade do vento máximo, que deveria estar localizado abaixo de 1,5km de altura e do cisalhamento vertical do vento entre o nível do vento máximo até 3 km de altura. Os critérios JBN1, JBN2 e JBN3 especificam que os perfis de velocidades do vento têm que apresentar um máximo de, pelo menos, 12, 16 e 20 m/s respectivamente abaixo de 1,5km de altura e que deve existir um decréscimo na velocidade do vento de, pelo menos, 6, 8 e 10 m/s, respectivamente, desde o nível onde se encontra o máximo de vento até o nível de 3km. Neste trabalho, casos de JBN foram identificados utilizando o critério JBN1. O JBN da América do Sul (AS) pode ser definido como um intenso escoamento de norte/nordeste que ocorre a leste da Cordilheira dos Andes entre as regiões tropicais e de latitudes médias e tem um papel importante no clima regional. Segundo Saulo et al. (2000), Marengo et al. (2004), o ar tropical, quente e úmido, transportado para latitudes médias pelo JBN, alimenta a convecção e precipitação na América do Sul tendo, como consequência, a formação e/ou intensificação de SCM (Marengo e Soares, 2002). Entretanto, a ocorrência do JBN não é condição necessária para tal formação, pois Salio et al.(2007) mostraram que pode haver formação de SCM no SAS sem a ocorrência deste máximo de vento em baixos níveis a leste dos Andes. Segundo estes autores, os Andes exercem um papel fundamental no estabelecimento do JBN na AS. Tão importante quanto conhecer as condições ambientais favoráveis ao desenvolvimento dos SCM, é conseguir prever a sua formação. Neste sentido inúmeros parâmetros convectivos, indicativos de instabilidade atmosférica, foram desenvolvidos por pesquisadores em todo o globo. Estes parâmetros são calculados a partir de perfis atmosféricos cinemáticos e/ou termodinâmicos, que podem ser obtidos através de radiossondagens ou simulações numéricas. A utilidade destes índices, é que permitem identificar regiões mais favoráveis ou desfavoráveis ao desenvolvimento dos SCM (Nascimento, 2005). Neste trabalho, foram identificados vários SCM que ocorreram no SAS, durante o mês de janeiro de 2003. Destes, dois casos foram selecionados porque apresentaram, durante a sua evolução, os maiores NC das sequências analisadas. Para estes casos serão analisados os campos de vento, em baixos e altos níveis da atmosfera, a razão de mistura da camada entre a superfície e 3km de altura e 3 parâmetros convectivos: os índices de instabilidade K (ºC) e Total- Totals (TT) (ºC) e o cisalhamento vertical do vento para investigar as condições ambientais de formação dos NC em estudo. O primeiro caso analisado foi observado no dia 10 de janeiro de 2003 e, o segundo, no dia 20 de janeiro de 2003. Além disso, foi realizada uma avaliação da existência de JBN a leste da Cordilheira dos Andes utilizando os critérios de Bonner (1968). 2- Materiais e Métodos Para a seleção dos NC, foram utilizadas imagens de satélite geoestacionário, realçadas no canal infravermelho, com frequência temporal de aproximadamente 30min. Os critérios utilizados foram: um único limiar de temperatura de brilho do topo das nuvens de -50⁰C e área mínima de 2.000km². Neste procedimento, foi utilizado um método semi-automático (Silveira et al., 2006), na região compreendida entre 20ºS-40ºS e 40ºW-70ºW. As condições ambientais associadas à ocorrência dos NC foram obtidas utilizando o modelo Weather Research and Forecasting (WRF), versão 2.2, com duas grades aninhadas (com 90km e 30km de resolução horizontal). Os dados iniciais e de contorno, com 1º de resolução em latitude e longitude, foram atualizados a cada 6 horas em simulações que iniciaram 12 horas antes do horário de formação do primeiro NC de cada sequência, com saídas horárias. Os campos analisados neste trabalho foram aqueles obtidos com a grade de 30km de espaçamento horizontal entre os pontos. Os parâmetros convectivos calculados foram: a) Índice K O índice K (⁰C) representa uma medida potencial de desenvolvimento de tempestades, baseada na taxa vertical de variação de temperatura, no conteúdo de umidade na baixa troposfera e na extensão vertical da camada úmida. O índice K é definido como (George, 1960): K= (T 850hPa -T 500hPa )+T d850hpa -(T 700hPa -T d700hpa ) [⁰C] (1)

onde T 850hPa é a temperatura do ar em 850hPa, T 500hPa é a temperatura do ar em 500hPa, T d850hpa é a temperatura do ponto de orvalho em 850hPa, T 700hPa é a temperatura do ponto de orvalho em 700hPa. Os valores críticos do índice K são: a) 20 a 25 formações de Cb isoladas; b) 25 a 30 formações de Cb muito esparsos; c) 30 a 35 formações de Cb esparsos e d) acima de 35 formações de Cb numerosas. Assim, valores acima de 30⁰C indicam alto potencial para ocorrência de tempestades. b) Índice Total Totals (TT) O índice TT (⁰C) foi desenvolvido por Miller (1972) e é dado pela soma de outros dois índices convectivos, o vertical Totals (VT) e o Cross Totals (CT): TT= CT + VT (2) CT expressa à combinação do teor de umidade em baixos níveis com as temperaturas superiores e VT expressa à variação vertical da temperatura entre os níveis 850 e 500hPa, dados por: Substituindo as equações (3) e (4) na (2), resulta: CT= T d850hpa T 500hPa (3) VT= T 850hPa T 500hPa (4) TT = T 850hPa + T d850hpa 2 ( T 500hPa ) (5) onde T 850hPa é a temperatura do ar em 850hPa, T d500hpa é a temperatura do ponto de orvalho em 500hPa. Valores abaixo de 43⁰C indicam tempo estável e acima ou igual a 56⁰C indicam tempestades numerosas e severas. Para Benetti e Silva Dias (1986), a maior limitação tanto do índice TT quanto do índice K é a dependência da umidade em 850hPa, pois maiores valores de umidade em baixos níveis podem estar localizados abaixo deste nível. Quando a massa de ar é quente e úmida, estes dois índices fornecem interpretações semelhantes. Entretanto, quando o ar é mais frio e seco o índice TT fornece melhores resultados por considerar a temperatura do ar em níveis médios. c) Cisalhamento Vertical do Vento Segundo Weisman e Klemp (1986), a estrutura vertical do cisalhamento do vento (que induz vorticidade horizontal) nos primeiros 5 km de altura tem forte influência no tipo de organização que uma tempestade assume. Estes autores mostraram que ambientes em que o cisalhamento vertical do vento tende a ser unidirecional são favoráveis a formação e evolução de tempestades com padrão multicelular, que podem inclusive tomar uma organização em forma de linhas de instabilidade. Por outro lado, eles também mostraram que ambientes em que o vetor cisalhamento possui uma grande rotação com a altura, favorecem o desenvolvimento de tempestades com padrão de supercélula. O cisalhamento vertical do vento horizontal foi calculado considerando a velocidade do vento entre a superfície e 4 km de altura. Valores superiores a 10m/s indicam a presença de tempestades multicelulares (Holton, 2004). 3- Resultados Dentre os 264 NC identificados nas 14 sequências distintas selecionadas no mês de janeiro de 2003 foram contabilizadas as áreas máximas, mostradas na Tabela 1. Nesta tabela os NC foram distribuídos em classes, com intervalo de 50km 2. Observa-se que mais da metade (60,07%) dos NC identificados apresentaram área máxima de até 50.000km². O restante foi distribuído entre 14,82 % (39 núcleos) e 0,76% (2 núcleos). Percebe-se que 11 núcleos apresentaram área máxima superior ou igual a 400.000km 2 (5%).

Tabela 1 Área Máxima dos NC em estudo. Classe Número de NC Porcentagem 00-50 158 60,07% 50-100 39 14,82% 100-150 22 8,36% 150-200 12 4,56% 200-250 10 3,80% 250-300 4 1,53% 300-350 4 1,53% 350-400 3 1,14% 400-450 1 0,38% 450-500 4 1,53% 500-550 2 0,76% 550-600 3 1,14% 600-650 1 0,38% Fonte: Cardoso Neta et al., 2010a Neste trabalho, ênfase especial será dada aos NC que atingiram área máxima superior a 500x10³km². Especificamente, serão analisados os NC ocorridos nos dias 10 e 20 de janeiro de 2003. (Cardoso Neta et al., 2010a, 2010b). a) Caso: 10 de janeiro de 2003 Os NC do dia 10 ocorreram entre 00 e 19 (Cardoso Neta et al. 2010a). O NC resultante das várias fusões entre aqueles observados atingiu área máxima às 13 (aproximadamente 613.000km 2 ). Nas cidades localizadas perto dos NC desta sequência, choveu aproximadamente metade do valor climatológico de todo o mês de janeiro. Na Figura 1 são mostrados os campos dos índices K (ºC, hachurado) e Total-Totals (ºC, linhas sólidas), cisalhamento vertical do vento horizontal, razão de mistura e vento horizontal em 850hPa e 200hPa nos horários de formação (01) e maturação (13) da sequência de NC do dia 10 de janeiro de 2003. Os círculos traçados nas figuras indicam as regiões de formação e maturação, nos respectivos horários. Nas Fig. 1a e 1b são mostrados os campos dos índices K (ºC, hachurado) e Total-Totals (ºC, linhas sólidas). Observa-se que, tanto na formação quanto na maturação, os valores de K estavam entre 20ºC e 30ºC, não indicando intensa convecção, de acordo com os valores críticos existentes na literatura. O índice K não apresentou alterações significativas nos dois momentos. O índice TT, com valores entre 45 ºC e 51 ºC indicou condições favoráveis à convecção, com valores também pouco diferentes nas fases de formação e de maturação. A Fig. 1c, mostra que o cisalhamento vertical do vento horizontal apresentou valores entre 18 e 6m/s e a razão de mistura entre 10 e 16 g/kg. A região de formação do núcleo do dia 10/01/2003 ocorreu em uma região com forte cisalhamento do vento. O cisalhamento vertical do vento horizontal (Figura 1d), para fase da maturação, apresentou valores entre 3 e 21m/s e na razão de mistura os valores estavam elevados, entre 10 e 16g/kg. Estes resultados sugerem que o cisalhamento vertical do vento teve um papel importante nas horas iniciais de desenvolvimento do caso em estudo. As Fig. 1e, 1f, 1g e 1h mostram os campos de vento em 850hPa e 200hPa, na hora de formação e maturação. Nota-se a existência de uma considerável variação nas configurações espaciais dos ventos em 850hPa tanto em relação à direção quanto na intensidade dos ventos. Velocidades maiores contribuem para iniciar e realçar a atividade convectiva. No dia 10/01/2003, observa-se a existência de um intenso escoamento em médios e baixos níveis. Os valores de velocidades superiores a 12m/s e demais requisitos, caracterizam este escoamento como sendo um JBN, segundo critério 1 de Bonner (1968).

a) 10/01/2003 01 b) 10/01/2003 13 c) 10/01/2003 01 d) 10/01/2003 13 e) 10/01/2003 01 f) 10/01/2003 13 Figura 1- Para o NC do dia 10/01/2003 (grade 2 30KM): (a,b) índice K (hachurado, ⁰ C) e índice TT (linhas sólidas, ⁰ C), (c,d) Cisalhamento vertical do vento (hachurado, m/s) e razão de mistura (linhas sólidas, 10-3 g/kg) (e,f) velocidade do vento em 850hPa (m/s) e (g,h) em 200hPa (m/s). Os círculos indicam região onde os NC se desenvolveram.

g) 10/01/2003 01 h) 10/01/2003 13 Figura 1- continuação b) Caso: 20 de janeiro de 2003 Os NC do dia 20 de janeiro de 2003 tiveram início às 00 e passaram por processos de fusão com outros núcleos durante a sua evolução até alcançar área máxima às 21 (555.450km 2 ). A Fig. 2 mostra os campos dos índices K (ºC, hachurado) e Total-Totals (ºC, linhas sólidas), cisalhamento vertical do vento horizontal, razão de mistura e campos de vento em 850hPa e 200hPa nos horários de formação (01) e maturação (21). Nas Fig. 2a e 2b observam-se os valores de K entre 20ºC e 30ºC, analogamente ao observado no caso anterior. O índice TT apresentou valores entre 40ºC e 50ºC. Considerando os valores críticos deste índice, pode-se dizer que a atmosfera estava apresentando condições não favoráveis ao desenvolvimento de nuvens convectivas. No entanto, houve a formação de vários NC na região. O cisalhamento vertical do vento (Fig. 2c) apresentou valores crescentes a partir da formação até a fase de maturação dos NC (Fig. 2d). Na fase de formação, os valores predominantes foram de até 6m/s enquanto que, na fase de maturação, em toda a região de ocorrência dos NC, o cisalhamento vertical atingiu valores de até 15m/s. Este aumento nos valores do cisalhamento vertical não foi observado na umidade da camada perto da superfície, pois os valores permaneceram elevados, com oscilação entre 10 e 16g/kg (Fig. 2c, 2d), analogamente ao caso anterior. Vê-se, portanto, que o aumento na atividade convectiva foi concomitante a um aumento no cisalhamento vertical do vento e não na umidade da camada entre a superfície e 900hPa e nos índices de instabilidade. Inclusive, os valores destes últimos foram inferiores ao existente na literatura especializada, necessários para indicar atividade convectiva intensa. Isto pode sugerir que, na região de estudo, os valores dos índices analisados não precisam ser tão elevados para indicar a possibilidade de desenvolvimento de tempestades. Os campos de vento em 850hPa e 200hPa nas fases de formação e de maturação podem ser vistos nas Fig. 2e-2h. Nota-se que, na fase de formação, existe um escoamento oriundo de latitudes tropicais que atinge o RS. Entretanto, a intensidade destes ventos não ultrapassa 10m/s. A circulação dos ventos sobre o RS vai mudando, gradativamente, de norte para de sul, em função da incursão, estado adentro, de um escoamento de sudoeste, localizado ao sul da Argentina. Definitivamente, neste caso não houve a existência de um JBN a leste dos Andes, que auxiliasse no desenvolvimento da convecção pelo aporte de calor e de umidade da região tropical em direção à região extratropical. Em altos níveis, na região de formação dos NC, o escoamento do ar atinge velocidades não superiores a 40m/s, aproximadamente. Na fase de maturação, os ventos atingem valores máximos próximos de 50m/s no oeste da Argentina. Comparando-se com o caso anterior, neste aqui também parece que o cisalhamento vertical dos ventos foi muito importante no desencadeamento da atividade convectiva observada na região de estudo.

a) 20/01/2003 01 b) 20/01/2003 21 c) 20/01/2003 01 d) 20/01/2003 21 e) 20/01/2003 01 f) 20/01/2003 21 Figura 2- Para o NC do dia 20/01/2003 (grade 2-30KM): (a, b) índice K (hachurado, ⁰ C) e índice TT (linhas sólidas, ⁰ C), (c, d) Cisalhamento vertical do vento (hachurado, m/s) e razão de mistura (linhas sólidas, g/kg) (e, f) velocidade do vento em 850hPa (m/s) e (g, h) em 200hPa (m/s). Os círculos indicam região onde os NC se desenvolveram.

g) 20/01/2003 01 h) 20/01/2003 21 Figura 2 - Continuação 5. Conclusões Neste trabalho foram analisados dois casos de estudo, observados no Sul da América do Sul nos dias 10 e 20 de janeiro de 2003. Os núcleos convectivos observados nestes dias passaram por vários processos de fusão com outros núcleos, resultando em uma extensa atividade convectiva sobre o estado do Rio Grande do Sul e intensa precipitação pluviométrica. Os NC resultantes dos processos de fusão apresentaram área superior a 500.000km². Nos dois casos, os valores dos índices de instabilidade K e TT foram inferiores aos apresentados na literatura, como sendo necessários para o desenvolvimento de atividade convectiva. Isto sugere que, talvez, os valores indicativos para potencial de formação de tempestades, na região de estudo, não precisem ser tão elevados. O cisalhamento vertical do vento parece ter sido de fundamental importância na organização e na manutenção da convecção observada, pois os dois casos se desenvolveram em um ambiente bastante úmido, mas somente um deles em situação de jato de baixos níveis a leste dos Andes. 6. Referências Bibliográficas Beneti, C. A.: M. A. F. Silva Dias. Análise da performance de índices de instabilidade como previsores de tempestades na região de São Paulo. In: IV CONGRESSO BRASILEIRO DE METEOROLOGIA, Brasília, DF, v.2, pp. 65-70, Anais...1986. Bonner, W. D. Climatology of the low level jet, Monthly Weather Review, v.96, n. 12, p.833-850, 1968. Cardoso Neta, L.; Gomes, R.G.; Alves, E.G.P. Estudos de Sistemas Convectivos de Mesoescala no Sul da América do Sul utilizando o Modelo WRF. In: XVI CONGRESSO BRASILEIRO DE METEOROLOGIA, Belém, PA, Anais do... 2010a. Cardoso Neta, L.; Gomes, R.G. Características Morfológicas de SCM que afetaram o Sul da América do Sul em janeiro de 2003. In: IX SIMPÓSIO BRASILEIRO DE CLIMATOLOGIA GEOGRÁFICA, Fortaleza, Anais do..., 2010b. Cotton, W. R.; Anthes, R. A. Storm and Clouds Dynamics. Academic Press, 881p, 1989. George, J. J. Weather Forecasting for Aeronautics. Academic Press, 673 pp., 1960.

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