Utilização de sensoriamento remoto como auxílio em análise meteorológica de um sistema convectivo Flavio Tiago do Couto 1 Paulo Roberto Pelufo Foster 2 1 Universidade Federal de Pelotas UFPel Campus Universitário s/n Caixa Postal 354 CEP 96010-900 Pelotas/RS Acadêmico de Meteorologia e Bolsista de Iniciação Científica do CNPq. Faculdade de Meteorologia couto.ft@gmail.com 2 Universidade Federal de Pelotas UFPel Campus Universitário s/n Caixa Postal 354 CEP 96010-900 Pelotas/RS Prof. Doutor da Faculdade de Meteorologia. Bolsista CNPq. pfoster@ufpel.edu.br Resumo. Este trabalho objetiva analisar as condições atmosféricas associadas à passagem de um sistema convectivo sobre a região de Nhumirim-MS, destacando as principais características de sensoriamento remoto. Para tal, foram utilizados dados de estação meteorológica de superfície de Nhumirim, bem como dados aerológicos da cidade de Corumbá-MS e um conjunto de imagens de satélite, as mesmas informando temperatura de topo de nuvens. Foram analisadas também, imagens de estimativa de precipitação por satélite e imagens com detecção de descargas atmosféricas. Pela análise dos dados, evidenciou-se o comportamento das variáveis meteorológicas durante a passagem do sistema, sendo observada queda de temperatura e pressão decorrente da aproximação do mesmo, podendo destacar aumento da velocidade das rajadas de vento e uma precipitação de 29 mm, em uma hora. Pelo perfil termodinâmico da atmosfera, observou-se atmosfera úmida nos níveis mais baixos. A instabilidade atmosférica foi verificada por meio dos índices de instabilidade (SWEAT, Total Totals, K, Lifted, Showalter e CAPE) que indicaram uma atmosfera instável. Nas imagens de satélite o sistema convectivo esteve associado à nebulosidade com temperatura de topo de -60 C, identificando cumulunimbus (Cb). Pelas imagens de estimativa de precipitação, o sistema apresentou um núcleo com altos valores de precipitação estimada. O sistema, em geral, não esteve associado à intensa atividade elétrica, mantendo baixos valores de raios por pixel. Sendo assim, o presente trabalho destaca a importância do uso de ferramentas de sensoriamento para o acompanhamento e caracterização de sistemas meteorológicos, pois estes, quando severos, afetam diretamente as atividades socioeconômicas por onde passam. Palavras-chave: meteorologia, sistema convectivo, sensoriamento remoto. 131
Abstract. This paper aims at describing the atmospherics conditions associated to the passage of a convective system, in the region of Nhumirim-MS, detaching also the use of a remote sensing data. For the accomplishment of this study it was used data of meteorological automatic station located in Nhumirim, as well as aerologic data of the Corumbá city and a set of satellite images, which informing cloud top temperature. Images of precipitation estimative by satellite and images with lightning detection it was analyzed as well. By the analysis of the data, it was possible observed decrease of temperature and pressure in the approach of the system, with an increase of the speed of wind gusts and a precipitation of 29 mm, in one hour. For the thermodynamic profile of the atmosphere, it was observed humid in low levels and an unstable atmosphere which verified by the instability index (SWEAT, Total Totals, K, Lifted, Showalter and CAPE). In the satellite images, the convective system was located by cloudiness presenting cloud top temperature -60 C, identifying Cumulunimbus (Cb). For the images of precipitation estimative, it was observed that the system presented a nucleus with high values. The system, in general, did not presented intense electric activity associated, keeping low flashes of lightning for pixel. However, this study detaches the importance of the use of remote sensing tools for the accompaniment and characterization of meteorological systems, because, when severe, they affect directly the socioeconomic activities of the regions for where pass. Key-words: meteorology, convective system, remote sensing. 1. Introdução Este trabalho foi elaborado a partir do projeto LabMet desenvolvido na Universidade Federal de Pelotas (UFPEL). O objetivo deste projeto é o armazenamento de dados meteorológicos, principalmente, os derivados de sensoriamento remoto, que possam vir a auxiliar no estudo de sistemas precipitantes. Estes dados servem para analisar e identificar os sistemas meteorológicos causadores de tempo severo. Como descrito por Ferreira (2006), o sensoriamento remoto é um termo usado para descrever uma tecnologia que permite o estudo de algumas características físicas de um objeto, sem que, necessariamente, se estabeleça contato com o mesmo, resultando assim, na medição de propriedades físicas de um objeto à distância. Contudo, nos últimos anos, por fornecerem, em tempo quase real, as principais características associadas aos sistemas meteorológicos, as ferramentas de sensoriamento vêm auxiliando significativamente na observação e estudo dos mesmos. Como bem se conhece, existem três tipos básicos de precipitação quanto a sua origem: a orográfica, a frontal e a convectiva. Esta última, foco deste estudo, geralmente é observada em sistemas atmosféricos intensos, produzindo, por vezes, altos volumes de chuva num curto período de tempo. O aquecimento diferencial da superfície da Terra é um dos fatores essenciais para o disparo destes processos convectivos. De acordo com Giaiotti et. al. (2007), a convecção é um dos principais meios em que calor pode ser transferido, além claro, da radiação e da condução. Na atmosfera, o processo de transferência de calor por condução é realizado através de movimentos verticais. Esta transferência é observada em nuvens com forte desenvolvimento vertical, chamadas de Cumulonimbus (Cb). Geralmente, as Cb s estão associadas à formação de tempestades, podendo muitas vezes, ocasionar condições severas de tempo, como vendavais, descargas elétricas, granizo e, ocasionalmente tornados. Em conseqüência, é importante a necessidade de estudar tais sistemas, uma vez que seu desenvolvimento pode vir a causar prejuízos à sociedade. 2. Objetivo O presente trabalho tem como principal objetivo analisar as condições atmosféricas associadas à passagem de um sistema convectivo sobre a região de Nhumirim, Mato Grosso do Sul (MS), destacando as principais características obtidas através de sensoriamento remoto. 132
3. Materiais e Métodos Este estudo foi realizado para a região de Nhumirim (MS), onde a análise se deteve ao dia 27/05/09 no período compreendido entre as 03 UTC e 12 UTC. A observação das condições atmosféricas em superfície foi realizada com os dados de temperatura do ar, pressão atmosférica, rajadas de vento e precipitação coletados pela estação meteorológica automática de superfície localizada em Nhumirim (MS). Estes dados estão disponíveis no site do Instituto Nacional de Meteorologia (http://www.inmet.gov.br ). A análise sinótica das condições atmosféricas associadas ao evento extremo foi analisada através da carta sinótica de superfície elaborada pelo Departamento de Hidrografia e Navegação da Marinha (http://mar.mil.br/dhn/meteoro/). Os dados aerológicos obtidos em diferentes níveis de pressão atmosférica, observados pela radiossonda lançada a partir da estação meteorológica de altitude (EMA) nº 83.554, localizada em Corumbá (MS), foram utilizados para determinar os índices da instabilidade termodinâmica da atmosfera. Estes dados estão disponíveis no site do MASTER (Meteorologia Aplicada a sistemas de Tempo Regionais) da Universidade de São Paulo (www.master.usp). Um conjunto de imagens (realçadas no canal infravermelho) geradas pelo satélite meteorológico GOES-10 (Geostationary Operational Environmental Satellite) foram utilizadas para se verificar a intensidade do sistema a partir da temperatura de topo das nuvens. Saídas do Hidroestimador também foram analisadas, sendo que este consiste em um método automático que utiliza uma relação empírica exponencial entre a precipitação (estimada por radar) e a temperatura de brilho do topo das nuvens (extraídas do canal infravermelho do satélite GOES-12), gerando taxas de precipitação em tempo real. Estes dados juntamente com as imagens do satélite GOES-12 com detecção de descargas elétricas, são distribuídas pelo Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (CPTEC/INPE) (http://www.cptec.inpe.br/). Os sensores de detecção de descargas elétricas em superfície são pertencentes ao sistema da Rede Integrada Nacional de Detecção de Descargas Atmosféricas (RINDAT). A identificação do grau de atividade convectiva associada ao sistema seguiu o mesmo critério proposto por Machado et. al. (1993). De acordo com estes pesquisadores, foi utilizado uma temperatura do topo de nuvem (TC) menor ou igual à 215 K. 4. Resultados e Discussão A análise da carta sinótica de superfície das 12 UTC do dia 27 de maio de 2009 (Figura 1) permite observar que a região central do Brasil se encontra sob a influência de um sistema de baixa pressão. Esse tipo de circulação contribui para movimentos ascendentes de ar, facilitando a formação de nuvens com grande desenvolvimento vertical. A aproximação desse centro de baixa pressão pode ser observada pela variação temporal da temperatura do ar, da pressão atmosférica, das rajadas de vento e precipitação através dos coletados pela estação meteorológica automática, entre 3 e 12 UTC. 133
Figura 1. Carta sinótica de superfície do dia 27 de maio de 2009, às 12 UTC. Observa-se que a temperatura do ar decresce à medida que o sistema se aproxima da região, atingindo 21,1 C às 09 UTC (Figura 2a). A aproximação do sistema influenciou no campo de pressão atmosférica (Figura 2b), pois, por estar associado a correntes ascendentes de ar nota-se uma diminuição de pressão a superfície, apresentando um valor de 1001,5 hpa neste mesmo horário (9 UTC). Observa-se um aumento da velocidade das rajadas de vento antes da passagem, aumento este, que persistiu até por volta das 10 UTC (Figura 2c). A precipitação associada ao sistema foi verificada às 09 UTC, apresentando um acumulado de 29 mm em uma hora (Figura 2d). A Figura 3 apresenta o perfil termodinâmico da atmosfera para a cidade de Corumbá/MS (83554) a partir do diagrama termodinâmico Skew T- log P do dia 27 de maio de 2009, às 12 UTC. A proximidade entre as curvas de temperatura do ambiente (T) e a temperatura do ponto de orvalho (T d ), serve de indicativo para identificação de camadas úmidas. Silva Dias (2000) mostra que a possibilidade de formação de tempestades severas pode ser observada a partir de diferentes índices de instabilidade, tais como: Severe WEAther Threat (SWEAT), Total Totals (TT), Lifted Index (LI), Showalter (SW) ou, o índice K (K). Esta possibilidade aumenta para valores de SWEAT > 270, TT > 50, K > 24, LI e SW inferiores a zero. Pelo diagrama verifica-se que existiam condições favoráveis para o desenvolvimento de tempestade visto que: K = 39, LI = -2.3, SWEAT = 220, SW = -2.2 e TT = 48. A energia potencial disponível para a convecção (Convective Available Potential Energy - CAPE), com um valor de 1687, identifica uma atmosfera moderadamente instável. 134
(a) (b) Temperatura do ar Pressão Atmosférica Temperatura ( C) 26 25 24 23 22 21 20 19 18 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Pressão (hpa) 1002,1 1001,9 1001,7 1001,5 1001,3 1001,1 1000,9 1000,7 1000,5 1000,3 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 HORA (UTC) HORA (UTC) (c) (d) Rajadas de Vento Precipitação Rajadas de Vento (m/s) 16 14 12 10 8 6 4 2 0 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 HORA (UTC) 35 30 25 20 15 10 5 0 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 HORA (UTC) Figura 2. Gráficos referentes ao comportamento das variáveis meteorológicas (a) temperatura do ar (Cº), (b) pressão atmosférica (hpa) (c) rajadas de vento (m/s) e (d) precipitação (mm), para o dia 27/05/09 no período compreendido entre as 03 UTC e 12 UTC. Precipitação (mm) De acordo com as imagens de satélite (Figura 4), observa-se que o sistema, indicado na Figura 4a, já se encontrava sobre a região em estudo, estando associado a uma forte convecção representada por nuvens do tipo Cb, apresentando uma grande área de nebulosidade com temperatura de topo inferior a -60 C (213 K). A fase de desintensificação do sistema é possível observar a partir da imagem das 09:00 UTC (Figura 4b), onde verifica-se uma diminuição nebulosidade com temperatura de topo inferior a -60 C, essa diminuição de área também é verificada nas imagens seguintes (Figuras 4c e 4d). 135
Figura 3. Diagrama termodinâmico Skew T Log P para a estação de Corumbá (83.554) do dia 27/05/09 às 12 UTC. 136
(a) 27/05/2009-08:45 UTC (b) 27/05/2009-09:00 UTC (c) 27/05/2009-09:15 UTC (d) 27/05/2009-09:30 UTC Figura 4. Fragmentos das imagens do satélite GOES-10, representando temperatura do topo de nuvens para os momentos em que o sistema se fez mais evidente. A partir da Figura 5, referente à estimativa de precipitação por satélite, identifica-se a célula convectiva pela área de máximo de 47 mm/h (Figura 5a), inserido em uma região de 30 mm/h. Esta área se mostra menos desenvolvida nas imagens seguintes (Figura 5b, 5c e 5d), decorrente da desintensificação do sistema. Através das imagens de descargas elétricas (Figura 6), é possível observar um ponto apresentando 20 raios por pixel (Figura 6a), mas essa característica não prevalece na imagem seguinte (Figura 6b), indicando fraca atividade elétrica, ficando em torno de 4 a 6 raios por pixel. Esses baixos valores foram observados na maioria do tempo de vida do sistema, observado na seqüência completa de imagens (não mostrada), indicando assim, que apesar de um núcleo com significativo valor de descargas elétricas, o sistema apresentou durante seu ciclo de vida, em geral, fraca atividade elétrica associada. 137
(a) 27/05/2009-08:45 UTC (b) 27/05/2009-09:00 UTC (c) 27/05/2009-09:15 UTC (d) 27/05/2009-09:30 UTC Figura 5. Imagens do Hidroestimador - estimativa de precipitação por satélite. (a) 27/05/2009-09:00 UTC (b) 27/05/2009-09:15 UTC Figura 6. Fragmentos das imagens do satélite GOES-12, representando o numero de descargas elétricas por pixel para os momentos em que o sistema se fez mais evidente: (a) 09:00 UTC e (b) 09:15 UTC. 138
5. Conclusões e Sugestões Pela análise descrita na seção anterior é possível caracterizar o sistema meteorológico como um sistema convectivo desenvolvido numa região de baixa pressão. Os dados de superfície representaram bem a aproximação e passagem do sistema sobre a região em estudo, onde as condições de instabilidade verificadas favoreceram o desenvolvimento da nuvem convectiva. No que se refere às ferramentas de sensoriamento remoto, estas responderam de forma satisfatória aos propósitos do trabalho, sendo possível caracterizar a célula convectiva como uma região de nebulosidade grande desenvolvimento vertical, resultado das intensas correntes de ar ascendente, que ao transportarem grande quantidade de umidade favorecem a grande quantidade de água condensada, implicando muitas vezes, em altos volumes de precipitação num curto período de tempo. Além disso, foi possível observar a atividade elétrica associada a essa região. Contudo, com a finalidade de melhorar e aperfeiçoar futuramente este trabalho sugere-se que o estudo seja expandido para diversas regiões do Pantanal, iniciando pelo aumento do número de casos analisados, bem como do intervalo de tempo de estudo. Assim, abrangendo não somente um único evento torna-se cabível a identificação de uma possível tendência de ocorrência desses sistemas sobre a região do Pantanal. 6. Agradecimentos Este trabalho foi realizado com o apoio do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), Brasil. 7. Referências Ferreira, A. G., Meteorologia Prática, São Paulo: Oficina de Textos, 2006, 188p. Giaiotti, D. B. Steinacker, R. Stel, F. Atmosferic convection: research and operational forecasting aspects, CISM Courses and lectures-nº 475, Springer Wien New York, 2007, 227p. Machado, L. A. T., Bossow, W. B., Structural Characteristics and Radiative Properties of Tropical Cloud Clusters. Monthly Weather Review, vol. 121, pp. 3234-3260, Dec. 1993. Silva Dias, M. A. F. Índices de instabilidade para previsão de chuva e tempestades severas. Universidade de São Paulo, SP, 2000. Disponível em:<htttp://mater.iag.usp.br/ensino>. 139