SISTEMA AVALIADOR AUTOMÁTICO DAS PREVISÕES NUMÉRICAS REGIONAIS DO MODELO ATMOSFÉRICO RAMS Ricardo Hallak Laboratório MASTER Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas Universidade de São Paulo hallak@master.iag.usp.br Marcos Toledo Massari Márcio Custódio Madruga Somar Meteorologia somar@met.com.br Pedro Leite da Silva Dias Maria Assunção Faus da Silva Dias Departamento de Ciências Atmosféricas - DCA Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas - IAG Universidade de São Paulo - USP pldsdias@master.iag.usp.br mafdsdia@usp.br ABSTRACT The Sistema Avaliador Automático SAA, is an operational tool to calculate statistical errors and cross correlation coefficients between variables from numerical models and observational data. In this work, SAA package compare meteorological variables like zonal and meridional components of wind, air temperature and dew point temperature. The results here presented, from the third nested operational RAMS model grid, to August/2001 and December/2001, at the Congonhas Airport station data, show that there is a systematic error of simulated air temperatures, almost always colder than real data, and of simulated dew point temperatures, almost always higher than METAR measurements. 1 Introdução O Sistema Avaliador Automático (SAA) é um pacote de programas computacionais escritos em diversas linguagens, planejado para avaliar as previsões numéricas provenientes do modelo regional RAMS (Pielke et al, 1992) de forma automática. O SAA roda em sistemas operacionais LINUX e UNIX. O principal módulo do pacote é o programa avaliador propriamente dito, escrito em linguagem FORTRAN 77, que gerencia os dados a serem comparados, efetua os cálculos estatísticos e constrói arquivos de saída em formato texto, bem como em formato binário para uso direto no software de visualização gráfica GrADS (The Grid Analisys and Display System). A automação do sistema é obtida com a utilização de um shell script, que gerencia todos os passos da avaliação. O RAMS roda operacionalmente no Laboratório MASTER, em duas inicializações diárias e com condições iniciais e de contorno provenientes do modelo de circulação geral da atmosfera do CPTEC/COLA, conforme descrito em Hallak e Silva Dias (1996). Resumidamente, as simulações são efetuadas com três grades com resoluções de 80, 20 e 5 km, todas com 29 níveis na vertical, com espaçamento de 250 metros no primeiro nível e crescendo com um fator 1.2 nos níveis acima. A Tabela 1 traz as principais características horizontais dessas grades. Tabela 1: Características horizontais das grades aninhadas para a previsão de tempo regional no Laboratório MASTER GRADE RESOLUÇÃO Km NÚMERO DE PONTOS ÁREA Km 2 CENTO (Lat./Lon.) 1 80 50 x 36 4.000 x 2.800 25.6 ºS/58.5 ºW 2 20 86 x 66 1.700 x 1.300 24.2 ºS/49.7 ºW 3 5 42 x 42 200 x 200 23.5 ºS/46.0 ºW 3931
O desenvolvimento do SAA foi subdividido em três Fases distintas. A Fase I trata das comparações e estatísticas entre as variáveis meteorológicas observadas em estações METAR e aquelas extraídas das previsões RAMS. Nas fases posteriores, pretende-se estender o domínio das comparações para dados SYNOP (incluindo-se então a avaliação da precipitação) e, na seqüência, radiossondagens. Nesta primeira Fase do projeto, criou-se duas Frentes de Trabalho. A Frente de Trabalho 1 trata do treinamento de estagiários e do tratamento dos dados METAR e a Frente de Trabalho 2 trata do desenvolvimento do programa avaliador e do programa gerenciador. O objetivo da Frente de Trabalho 1 é o desenvolvimento dos procedimentos automáticos de aquisição e tratamento dos dados meteorológicos de superfície METAR. Estes procedimentos de adaptação incluem o recebimento dos dados em formato codificado via Internet, a decodificação dos dados brutos, o tratamento dos mesmos em relação a possíveis erros com a inclusão de filtros computacionais e a formatação final dos arquivos de dados. O produto final é a geração automática de arquivos em formato texto, numa base periódica diária. Se eventualmente houver dados nos intervalos intermediários de meia hora, estes também são incluídos no arquivo final. O objetivo da Frente de trabalho 2 é o desenvolvimento do software avaliador e do shell script de gerenciamento de automação. O SAA poderá ser utilizado também para avaliação das simulações RAMS em outros projetos do Laboratório Master, como as assimilações de dados de superfície e altitude através do Ciclo de Assimilação sumariamente descrito em Hallak e Silva Dias (1996) e nas previsões climáticas regionais rodadas mensalmente no Laboratório Master. O SAA poderá ser particularmente útil durante os testes das modificações e inovações introduzidas nos códigos do RAMS, hora em andamento no DCA/IAG/USP. 2 Material e Métodos Inicialmente, são quatro as variáveis avaliadas na Fase I do projeto. As variáveis são medidas, em geral, em intervalos de 1 hora, em diversas estações de superfície METAR localizadas em aeroportos do Brasil. São elas:componente zonal do vento u (ms -1 ), componente meridional do vento v (ms -1 ), temperatura do ar T (ºC) e temperatura do ponto de orvalho Td (ºC). Após executados os cálculos estatísticos para o arquivo RAMS de uma dada previsão operacional, o programa avaliador gera arquivos binários que são lidos pelo software de visualização gráfica GrADS, produzindo automaticamente figuras dos resultados obtidos em formato GIF. Os tipos de saídas atualmente implementadas mostram o comportamento do modelo para a análise (horário zero da simulação) e para cada uma das saídas das previsões entre 03 e 48 horas, para cada cidade analisada. São elas: diferenças simples (gráficos que mostram o comportamento da diferença entre o valor de cada uma das variáveis meteorológicas obtidas pela observação METAR e pela simulação RAMS, para cada um dos horários simulados, ao longo do tempo, ou erros em valores reais); diferenças absolutas (gráficos que mostram o comportamento da diferença entre o valor de cada uma das variáveis meteorológicas obtidas pela observação METAR e pela simulação RAMS, para cada um dos horários simulados, ao longo do tempo, mas em valores absolutos, ou erros absolutos) e coeficientes de correlação entre as variáveis comparadas. O SAA confecciona tais figuras a cada execução, sempre apresentando os resultados da seqüência de execuções dos últimos 30 dias. Ao final de cada mês, automaticamente são salvos em disco os gráficos correspondentes ao mês em vigor. Assim, ao final de cada ano, ter-se-á 12 gráficos mensais para cada horário avaliado e para cada tipo de gráfico. Desde março/2002, estão sendo disponibilizadas na INTERNET, operacionalmente, os resultados das avaliações aqui tratadas em formato gráfico, através do site do Laboratório Master, do DCA/IAG/USP: www.master.iag.usp.br 3 Resultados e Discussão Abaixo são apresentados gráficos automaticamente gerados pelo SAA que exemplificam a utilização dos cálculos estatísticos. As figuras de números 1 a 3, referem-se às inicializações das previsões numéricas operacionais do modelo RAMS no Laboratório MASTER (Hallak e Silva Dias, 1996) no horário das 00:00 UTC, para a grade aninhada de número 3, para a estação METAR do Aeroporto de Congonhas em São No caso das previsões numéricas operacionais do Laboratório Master, são 17 os horários de simulação disponíveis para comparações a partir da inicialização, em intervalos de 3 horas, sempre perfazendo um total de 48 horas de simulação. Observação: Em todos os gráficos apresentados neste trabalho, a ausência de continuidade nas linhas reflete a ausência de dados RAMS e/ou METAR disponíveis para o cálculo dos erros no dia indicado. Nas Figuras 1a a 1d, são apresentados os gráficos referentes aos cálculos dos erros em valores absolutos, para o período o mês de agosto/2001, respectivamente para a análise (tempo inicial) e para as previsões de 12, 24 e 48 horas após o início das simulações. Este tipo de gráfico pretende avaliar o quanto a qualidade das previsões decai com o tempo de simulação. Note-se que quanto mais o gráfico aproxima-se do eixo horizontal (eixo dos erros absolutos iguais a zero) mais adequada é a previsão numérica. Em geral, verifica-se um bom comportamento das variáveis analisadas ao longo deste mês. Para a componente zonal do vento, por exemplo, nota-se que, no tempo 3932
inicial das simulações (Fig. 1a), há indícios de um maior afastamento dos valores calculados em relação ao eixo horizontal do que se nota nos horários de previsão entre 12 e 48 horas. No caso das figuras 2a a 2d, referentes aos erros em valores reais das previsões em relação às observações METAR, pretende-se verificar se há erros sistemáticos nas simulações. Neste caso, deve-se analisar se há algum gráfico sistematicamente acima ou abaixo da linha horizontal de valor zero. Nota-se, assim, que a Fig. 2a apresenta o gráfico referente à componente zonal para o mês de agosto sistematicamente abaixo do valor ideal desde o início do mês até aproximadamente o dia 25. Com o desenrolar das simulações, no entanto, verifica-se que há uma tendência do modelo em ajustar essa diferença inicial aos valores medidos (Figs. 2b a 2d). Em relação à temperatura do ar, observa-se que há erro sistemático nas figuras 2b a 2d, onde a temperatura simulada do ar mostra-se sempre abaixo do valor medido. Ao mesmo tempo, em boa parte do período analisado, a temperatura simulada do ponto de orvalho encontra-se acima do esperado, indicando uma atmosfera mais úmida do que a observada na estação METAR. Estes resultados podem indicar que, para o mês de agosto de 2001, entre outras possíveis causas, a umidade inicial do solo estaria acima do necessário nestas simulações. A especificação possivelmente inadequada da umidade no tempo inicial pode comprometer o desempenho das outras variáveis no desenrolar das simulações. No caso da aplicação do SAA na verificação em tempo real dos resultados das simulações, esta especificação inicial da umidade do solo pode ser prontamente corrigida visando-se um melhor desempenho das simulações subseqüentes. Em relação aos valores reais dos erros calculados para o mês de dezembro de 2001, nota-se que há erro sistemático em T e em Td ao longo de todo o mês (Figs. 3a a 3d). Observa-se erros da temperatura do ar simuladas sempre com valores negativos (previsões de temperaturas abaixo do esperado) e com Td acima do esperado, o que indica, certamente, que o ar, no modelo, estava mais frio e úmido do que o esperado. 4 Comentários Finais O Sistema Avaliador Automático (SAA) das previsões numéricas regionais operacionais obtidas com o modelo atmosférico RAMS é um instrumento operacional de avaliação automática da qualidade de algumas variáveis meteorológicas básicas simuladas, dentre elas as componentes horizontais do vento, a temperatura do ar e a temperatura do ponto de orvalho. O pacote de programas foi planejado para ser portável, podendo ser facilmente instalado em computadores dotados dos sistemas operacionais LINUX ou UNIX. Na versão atual do pacote SAA, as medidas observacionais utilizadas para o cálculo de erros restringem-se ao conjunto de dados METAR, obtidas em diversos aeroportos da América do Sul. Qualquer estação METAR pode ser escolhida como ponto geográfico para os cálculos. Não há limite para o número de estações a serem avaliadas concomitantemente. Os cálculos implantados até o momento são os erros em valores reais, erros em valores absolutos e coeficientes de correlação, para as quatro variáveis mencionadas acima. O pacote SAA é suficientemente versátil para aceitar a adição de novos módulos de cálculos estatísticos com certa facilidade. Encontram-se atualmente em fase de planejamento os módulos para os cálculos de erros sistemáticos, erros não sistemáticos e SKILL. Além disso, novos módulos serão acrescentados para avaliação de dados de altitude (em comparação a radiossondagens convencionais ou obtidas por satélites, como o TOVS) e de superfície, como a precipitação, com a utilização de medidas SYNOP. Na aplicação do SAA aos dados das previsões operacionais inicializadas diariamente às 00:00 UTC e às 12:00 UTC (figuras não mostradas) no Laboratório MASTER do DCA/IAG/USP, para os meses de agosto e dezembro de 2001, sobre a grade aninhada de número 3, obteve-se claros indícios de que a temperatura simulada do ar encontrase sistematicamente abaixo da medida na estação METAR do Aeroporto de Congonhas em São Paulo (SP), bem como, neste mesmo ponto, a temperatura do ponto de orvalho encontra-se sistematicamente acima do observado. Ressalta-se, no entanto, que as mesmas comparações devem ser efetuadas em outras estações METAR próximas a Congonhas, ou em cidades vizinhas, a fim de se verificar se os mesmos erros sistemáticos persistem nestes pontos. Em adição, deve-se rodar o SAA também para a grade de número 2 das mesmas previsões operacionais, antes de se chegar a qualquer resultado conclusivo. 3933
Fig. 1a: Desvios absolutos das observações METAR para o horário inicial, na grade 3 das simulações operacionais inicializadas às 00:00 UTC, durante o mês de agosto de 2001, no aeroporto de Congonhas em São Fig. 1b: Desvios absolutos das observações METAR para a previsão de 12 horas, na grade 3 das simulações 3934
Fig. 1c: Desvios absolutos das observações METAR para a previsão de 24 horas, na grade 3 das simulações Fig. 1d: Desvios absolutos das observações METAR para a previsão de 48 horas, na grade 3 das simulações 3935
Fig. 2a: Desvios em valores reais das observações METAR para o horário inicial, na grade 3 das simulações Fig. 2b: Desvios em valores reais das observações METAR para a previsão de 12 horas, na grade 3 das simulações 3936
Fig. 2c: Desvios em valores reais das observações METAR para a previsão de 24 horas, na grade 3 das simulações Fig. 2d: Desvios em valores reais das observações METAR para a previsão de 48 horas, na grade 3 das simulações 3937
Fig. 3a: Desvios em valores reais das observações METAR para o horário inicial, na grade 3 das simulações operacionais inicializadas às 00:00 UTC, durante o mês de dezembro de 2001, no aeroporto de Congonhas em São Fig. 3b: Desvios em valores reais das observações METAR para a previsão de 12 horas, na grade 3 das simulações operacionais inicializadas às 00:00 UTC, durante o mês de dezembro de 2001, no aeroporto de Congonhas em São 3938
Fig. 3c: Desvios em valores reais das observações METAR para a previsão de 24 horas, na grade 3 das simulações operacionais inicializadas às 00:00 UTC, durante o mês de dezembro de 2001, no aeroporto de Congonhas em São Fig. 3e: Desvios em valores reais das observações METAR para a previsão de 48 horas, na grade 3 das simulações operacionais inicializadas às 00:00 UTC, durante o mês de dezembro de 2001, no aeroporto de Congonhas em São Agradecimentos Os autores agradecem o apoio recebido da Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP) do Ministério da Ciência e Tecnologia, sem o qual este trabalho não seria possível. 3939
Referências Bibliográficas Hallak, R e Silva Dias, P. L. 1996: A Operacionalização da Previsão Regional com o RAMS no DCA/IAG/USP. Anais do IX Congresso Brasileiro de Meteorologia, Campos do Jordão (SP), 06 a 13 de novembro de 1996,795-799. Jincai, et al. (1992) Verification of mesoscale forecasts during MAP88 and MAP89, Weather and Forecasting, 7,3, 468-479. Pielke, R. A., Cotton, W. R., Walko, R. L., Tremback, C. J., Lyons, W. A., Grasso, L. D., Nicholls, M. E., Moran, M. D., Wesley, D. A., Lee T. J.,and Copeland, J. H., 1992.: A Comprehensive Meteorological Modeling System RAMS. Meteorol. Atmos. Phys., 49, 69-91. 3940