ESTUDO DA EVOLUÇÃO DE TEMPESTADES SEVERAS NA ÁREA CENTRAL DO ESTADO DE SÃO PAULO POR RADAR DOPPLER Ana M. Gomes, Gerhard Held*, Maria A. Lima e Roberto V. Calheiros Instituto de Pesquisas Meteorológicas, Universidade Estadual Paulista, Bauru S.P., Brazil *Pesquisador Visitante FAPESP E-mail: ana@www.radar.ipmet.unesp.br ABSTRACT The structure of severe storms which occurred on three different days in the central area of the State of São Paulo are described, based on observations from the Bauru Doppler radar. On 14 May 1994, at least one long-lasting storm could be classified as a super-cell storm (radar reflectivities exceeding 60 dbz for five hours), while a line of precipitation was observed on 17 October 1999. On both days severe hailfalls were reported from several individual storms. The third study, 22 November 1999, found medium-sized, multicellular storms to develop at random (air mass thunderstorms) throughout the radar range from late morning till evening. Although most of these storms did not exceed 50 dbz with echo tops below 10 km, some were severe in terms of extremely strong gust fronts and short, but heavy downpours. When the radar reflectivity structures were analyzed in conjunction with the radial velocity fields, one could identify signatures that can be related to the observed severity, viz. rotation (14 May 1994), intense convergence (17 October 1999) and strong divergence fields coinciding with the colapse of the echo core (22 November 1999). This highlights the importance of Doppler radar observations. 1. INTRODUÇÃO O radar meteorológico Doppler mede a refletividade equivalente e em adição tem a capacidade de medir a velocidade dos alvos, isto é, das partículas de precipitação paralelas ao feixe do radar, sendo que a componente de velocidade perpendicular ao feixe não é medida. Uma outra variável que é também obtida é a largura espectral (desvio padrão), que é uma medida da variabilidade da velocidade radial num volume iluminado do radar. Portanto a refletividade equivalente, a velocidade radial e a largura espectral são a base de dados gerados pelos radares Doppler. Esses modernos sistemas de radar meteorológico consistem numa ferramenta essencial para o monitoramento e a identificação de tempestades potencialmente severas. Exemplos que mostram o potencial de utilização das informações de um radar Doppler são apresentados em Gomes (1994) e Gomes et al. (1996) onde são enfocados principalmente os aspectos de mesoescala presentes nas tempestades analisadas. Os resultados das análises são mostrados através dos produtos convencionais e discutidos através do campo de velocidades Doppler. O uso do radar Doppler na detecção e alerta de tempestades severas, depende da sua habilidade em detectar fortes gradientes de velocidades em distância, dv r /dr, e em azimute dv r /dθ. A detecção de um mesociclone pelo radar Doppler é dependente da largura do feixe do radar, do diâmetro do mesociclone, de sua intensidade, e da distância. Tempestades embutidas em mesociclones ou mesoanticiclones são manifestadas numa varredura do campo de velocidades Doppler como pares de contornos fechados de velocidades radiais de sinais opostos localizados a uma distância entre 5-10 km em azimute (Nielsen-Gammon et al., 1995). As características do campo Doppler, associadas à tempestade, que devem ser examinadas dizem respeito a existência ou não de convergência/divergência de velocidades radiais, possível existência de rotação ciclônica/anticiclônica associadas, que são essencialmente indicadores da severidade da tempestade que está sendo detectada pelo radar. No presente trabalho são discutidos três casos de tempestades severas observadas com o radar Doppler de Bauru (Lat: 22 21 28 S, Lon: 49 01 36 W), localizado na área central do Estado de São Paulo. Os casos em estudo ocorreram durante os meses de maio 94, outubro 99 e novembro 99 e serão apresentados ressaltando as similaridades e diferenças observadas através da análise cronológica detalhada obtida pelos produtos gerados das informações do radar Doppler de Bauru. A discussão da estrutura tridimensional das tempestades está baseada nas máximas refletividades e sua altura, na máxima velocidade de deslocamento observada nos baixos ângulos de elevação, bem como nas alturas observadas para a base e topo dos ecos e o volume das tempestades. Exatamente porque os algorítmos para detecção automática de tempestades severas ainda não está amplamente disponível em nossos centros de monitoramento e previsão, as descrições nesse trabalho se concentrarão nas assinaturas (signatures) que o meteorologista previsor pode utilizar como indicadores de severidade nas tempestades utilizando-se dos produtos baseados em refletividades e velocidades radiais.
2. DADOS UTILIZADOS Os dados utilizados nesse estudo foram as informações de refletividades e velocidades radiais coletados com o radar Doppler de Bauru. Esses dados consistem em informações geradas através de varreduras volumétricas, em intervalos de 15 minutos ou menos quando da ocorrência de tempestades num raio de 240 km a partir de Bauru, com resolução radial de 1 km e azimutal de 1. Os mesmos foram processados e os diferentes produtos gerados utilizando-se o software IMAGE. 3. CARACTERIZAÇÃO DOS EVENTOS As tempestades se formaram num ambiente dominado pela presença de sistema frontal ativo sobre a área do Estado de São Paulo. Somente as tempestades que se desenvolveram nos dias 14 de maio 1994 e 22 de novembro 99 exibiram características de células isoladas intensas associadas à atividade pós-frontal. No caso de 14 de maio as tempestades estavam se deslocando de norte para sul permanecendo nessa trajetória durante o tempo de vida das mesmas. Esse deslocamento não é comumente observado ocorrer em tempestades monitoradas por radar na área central do Estado de São Paulo e foi resultado de uma circulação de larga escala predominante nesse dia. Uma discussão detalhada da situação sinótica relativa a esse evento é encontrada em Silva Dias et al. (1996). O outro evento ocorrido em 17 outubro 1999 exibe características de tempestades multicelulares organizadas numa linha de precipitação abrangendo uma extensa área na região central do estado. 4. EVOLUÇÃO DAS TEMPESTADES 4.1 Caso 14 Maio 94 Estrutura de Refletividades As observações do radar nessse dia 14 de maio 94, mostrava a presença de células isoladas de precipitação localizadas na área central e extremo nordeste do estudo de São Paulo, desde as primeiras horas da tarde. A análise mais detalhada de uma seqüência temporal de PPI s, em 0 elevação, num raio de alcance máximo de 400 km do radar de Bauru, evidenciou uma intensa atividade convectiva nesse dia, já a partir das 15:00 HL (hora local) até as primeiras horas da madrugada de 15 maio 94. Destaca-se na análise dessa seqüência temporal a forte atividade convectiva ao sul de Minas Gerais, cujas tempestades se deslocaram ao extremo norte do Estado de São Paulo. À medida que a tempestade como um todo descreve uma trajetória norte-sul, conforme visto na Figura 1, a presença de núcleos de 40-50 dbz se evidenciam, ao mesmo tempo que a atividade convectiva a sudeste do radar se intensifica. Dessa análise geral, destacam-se quatro tempestades, tendo duas delas descrito uma trajetória Norte- Sul, a saber as tempestades severas que atingiram Brotas e Ribeirão Preto e outras duas descrevendo uma trajetória NW-SE, destacando-se a tempestade que atingiu São Manuel. Todas as tempestades em destaque produziram granizo e ventos fortes, resultando em danos e prejuízos à superfície. Essas células intensas foram rastreadas a partir das localizações de seus centróides considerando-se a varredura anterior para obter-se a posição prevista da localização da tempestade no próximo volume (t+15 minutos). Uma vez completo o rastreamento, apresentado na Figura 1, obtém-se os atributos das células intensas caracterizando-as quanto às máximas intensidades observadas, topos, velocidades e direção de deslocamento, os quais estão resumidos na Tabela 1. Figura 1. Previsão de deslocamento das tempestades severas em 14 de maio de 1994, de 21:02 às 22:17 HL (esquerda) e de 22:02 às 23:02 (direita). Grade 100x100 km. 2
Tabela 1. Características das principais tempestades em 14.05.94, obtidas com o software IMAGE. Tabela 1a. Tempestade A (Ribeirão Preto): Direção 166.1 e Velocidade 61.6 km.h -1 22:17 693.9 3.7 8.9 57.4 22:32 832.8 3.4 8.4 56.5 22:47 1314.4 3.1 11.2 60.9 23:02 1531.4 2.9 10.4 60.8 Tabela 1b. Tempestade B (Brotas): Direção 187.2 e Velocidade 55.2 km.h -1 22:02 1485.9 1.1 8.4 61.8 22:17 1528.3 1.0 8.0 64.1 22:32 1512.4 1.0 7.7 60.6 22:47 1385.6 0.9 7.7 58.1 23:02 1846.3 0.9 7.8 51.8 Tabela 1c. Tempestade C (São Manuel): Direção 128.9 e Velocidade 44.1 km.h -1 22:02 1548.0 0.3 7.9 60.0 22:17 1948.5 0.3 8.3 62.6 22:32 2422.9 0.5 7.1 60.4 22:47 2323.6 0.6 8.0 60.1 23:02 1000.4 0.7 6.7 56.9 Tabela 1d. Tempestade D (Ourinhos): Direção 155.6 e Velocidade 46.1 km.h -1 22:02 1250.5 1.5 6.1 48.8 22:17 845.2 1.3 6.2 49.9 22:32 1041.8 1.5 6.7 44.9 22:47 1371.7 1.6 7.1 46.1 23:02 1345.1 1.7 7.3 44.4 A Tabela 1, resume uma seqüência temporal, em intervalos de 15 minutos, do ciclo de vida da tempestade A (Ribeirão Preto), B (Brotas) e C (São Manuel), desde o seu aparecimento nos níveis de 6 e 8 km de altura, até o período de máxima intensificação e o colapso do núcleo acompanhado por granizo e ventos fortes à superfície. Nessa tabela pode-se observar a evolução temporal da máxima refletividade, da altura dos topos e base dos ecos bem como o volume associado às tempestades analisadas. Não se observa em nenhum instante uma desintensificação nas refletividades e pode-se ver o colapso da máxima refletividade às 23:02, momento em que a tempestade estava sobre Ribeirão Preto. É importante ressaltar que às 23:02 HL a máxima refletividade observada de 61 dbz, representando o instante da ocorrência de granizo sobre Ribeirão Preto é observado pelo radar de Bauru a uma altura de 2.9 km, isso como resultado da localização do radar em relação à tempestade. As análises se restrigem às observações acima de 2.9km e estão associadas aos danos observados à superfície. Entre o aparecimento do primeiro eco e os próximos 30 minutos houve uma intensificação das refletividades observadas e os topos (limiar de 15 dbz) atingiram alturas próximas a 14 km, evidenciando updrafts da ordem de 7 m.s -1. Destaca-se a estrutura unicelular, com núcleo excedendo 55 dbz, presente até 9 km de altura. Na evolução temporal das células de Brotas e São Manuel, respectivamente, também se observa o colapso das máximas refletividades de 60 dbz ocorrendo às 22:32 HL, coincidente com os registros da ocorrência de granizo. Os topos relativamente altos, com os máximos no intervalo de 11 a 14 km e as altas refletividades (> 40 dbz) foram confinadas abaixo de 9 km de altura. Baseados nessas evidências, um previsor experiente certamente esperaria a ocorrência de tempestades severas nessa região. 3
Estrutura do Campo das Velocidades Radiais No caso da tempestade (A) de Ribeirão Preto as observações Doppler revelaram o desenvolvimento de uma circulação dentro da tempestade, em condições onde nenhuma informação convencional poderia oferecer. Além disso, a severidade dessas tempestades não seria bem caracterizada, no que se refere aos ventos, se somente produtos convencionais de radar fossem utilizados. Informação adicional estava portanto disponível, no que se refere aos dados do radar Doppler. A presença de velocidades radiais para o radar próximas às velocidades radiais se afastando do radar, coincidentes com o núcleo de máxima refletividade, observadas a partir das 22:32 HL sugere a presença de rotação anticiclônica acompanhando a tempestade. Embora a tempestade se localize a mais de 150 km a nordeste do radar de Bauru, a evidência de rotação é encontrada em ambas as elevações, 0.3 e 1.7, correpondendo a aproximadamente 4.0 a 6km de altura, a assinatura mais evidente estava localizada em 0.3 (4 km). Figura 2. PPI 0.3, refletividades e velocidades radiais para tempestade Ribeirão Preto (A) às 23:02 HL. O radar de Bauru está localizado a 150 km a Sudoeste na figura. Linha grade 100km. Na Figura 2, é importante notar que o lado leste do centro de rotação é marcado por cores amarelas, indicando velocidades radiais para fora do radar em torno de 6 m.s -1, enquanto que o lado oeste do máximo escoamento para o radar observa-se intensos valores de velocidades na área convectiva, variando entre 9 e 14 m. s -1. Os centros entre os máximos de velocidade se aproximando e se afastando do radar estão separados por uma distância de 6 km (23:02 HL) implicando num cisalhamento local de 3.5x10-3 s -1. Esse tipo de configuração geralmente associada com mesociclones/mesoanticiclones na maioria das vezes é o precursor da circulação para a formação de um tornado. Nielsen-Gammon et al. (1995), em seu estudo de uma tempestade severa encontraram valores de cisalhamento local da ordem de 5.4x10-3 s -1, com rotação anticiclônica observada através dos pares das máximas velocidades radiais. Ao se analisar os campos de velocidades radiais associados à tempestade Ribeirão Preto (A), observa-se a presença dessa circulação presente nos níveis médios da tempestade, entre 4 e 6 km, reforçando sua continuidade temporal e vertical. O reconhecimento desses pares de velocidades radiais com máximos alinhados ao longo do azimute tem importância fundamental, como característica operacional, para a identificação de tempestades potencialmente severa. 4.2 Caso 17 Outubro 99 Estrutura de Refletividades O dia 17 de outubro 1999 caracterizou-se pela passagem de um sistema frontal sobre a área central do estado de São Paulo. As observações do radar de Bauru mostraram uma extensa área de precipitação estratiforme e algumas células intensas distribuídas à frente dessa linha, conforme mostrado às 13:16 HL, na Figura 3. As células mais intensas são denotadas por A e B, respectivamente. A célula que atingiu Tibiriçá é a identificada pela letra A e suas características são resumidas na Tabela 2. A Figura 4 resume os deslocamentos das células com limiar acima de 30 dbz, onde se destaca a célula A que ainda permanece intensa ao longo do seu percurso e pode ser vista pela sua posição ao NE do radar de Bauru, às 14:46 HL. 4
Figura 3: Previsão de deslocamento das células embutidas na linha de precipitação limiar Z>30 dbz, destacando a tempestade de granizo que atingiu Tibiriçá (A), por volta de 13:01 HL. Tabela 2. Características da tempestade Tibiriçá (A) em 17/10/99: Direção 67.3 e Velocidade 59.7 km.h -1. 12:02 4512.7 1.3 5.8 54.2 12:16 5950.2 1.1 10.6 58.4 12:31 6495.3 0.9 9.2 62.9 12:46 6923.0 0.7 9.9 67.4 13:02 8712.4 0.5 11.6 70.2 13:16 6133.6 0.4 9.2 65.9 O rastreamento da tempestade A mostra que essa célula se deslocou com velocidade aproximada de 60 km.h -1, mantendo altas refletividades em excesso de 55 dbz, atingindo máximos entre 62 e 70 dbz. Os topos máximos observados (limiar de 10 dbz) atingiram valores entre 13 e 16 km de altura, evidenciando o intenso desenvolvimento vertical associado. Estrutura do Campo das Velocidades Radiais Ao se analisar a seqüência temporal de PPI s em 0.3 elevação, Figura 4, considerando as informações de refletividades e velocidades radiais a partir das 13:31 HL até às 14:46 HL, é importante destacar a existência de uma intensa área de convergência de velocidades radiais próximo do núcleo de máxima refletividade observado. Essa assinatura está presente até os níveis médios da tempestade (4 km), intensificando-se próximo às 14:01 HL, horário em que observou-se a queda massiva de granizo sobre Tibiriçá. 5
Figura 4. PPI 0.3 elevação de refletividades e velocidades radiais, de 13:31 e 14:01 HL, com grade de 100 km. 4.3 Caso 22 Novembro 99 Estrutura de Refletividades O dia 22 de novembro caracterizou-se por tempestades com atividade convectiva de moderada a forte ocorrendo na área centraldo Estado de São Paulo a partir das 11 HL. Essas tempestades em sua maioria se deslocaram para NE com velocidades médias em torno de 25 km.h -1, sendo que algumas células se desenvolveram e se deslocaram para NW-E com velocidades de até 40 km.h -1. Observou-se ainda que algumas células permaneceram semiestacionárias. As máximas refletividades raramente excederam 50 dbz nesse dia e os topos (limiar de 10 dbz) geralmente ficaram em torno de 10 km ou menos. Na Figura 5 são mostradas as observações do radar Doppler às 12:31 HL para esse dia. Esse dia seria mais um dia em que o radar Doppler de Bauru estaria observando chuvas convectivas de moderada a forte, não fosse por uma célula particular que atingiu Avaí, localizada a mais ou menos 38.5 km a NW do radar, provocando um vendaval que causou danos à pequena cidade. O vendaval durou em torno de 15 minutos, seguido por uma forte chuva causou destruição em Avaí. Casas foram destelhadas, árvores arrancadas do solo e inúmeras antenas destruídas compunham o cenário da cidade após a passagem da tempestade (Jornal da Cidade, 1999). A tempestade que atingiu Avaí foi uma tempestade de dimensões medianas com características multicelular, cujas células individuais tiveram tempo de vida da ordem de 30 minutos e se deslocaram na direção 30-45 a 30 km.h -1. Observou-se ainda a ocorrência de um influxo de nordeste nas células, resultando numa acumulação de altas refletividades observadas nas elevações mais altas. Das observações de refletividades do radar Doppler pode-se ver que a chuva intensa atingiu Avaí um pouco antes das 13:00 HL, com duração em torno de 45 minutos e as taxas de precipitação foram em torno de 15-20 mm.h -1. 6
Figura 5. Tempestades observadas em 22/11/99, 12:31 HL. Alcance de 240 km a partir do radar Doppler Bauru, usando limiar de refletividade 10 dbz e com grade de 100 km. Estrutura do Campo das Velocidades Radiais Ao se analisar as informações das 12:46 HL pode-se observar a intensificação das refletividades da célula mais a oeste da tempestade multicelular, na Figura 6, sendo que o campo das velocidades radiais mostram o primeiro aparecimento da assinatura típica de divergência em baixos níveis, indicando portanto a existência de microexplosão, associada ao núcleo de máxima refletividade, atingindo o solo nesse instante. Usando-se o algorítimo de detecção de microexplosão do IMAGE obtém-se as características do mesmo, o qual apresenta uma máxima velocidade associada de 21.6 m.s -1, com uma extensão de 10.5 km e largura de 3.4 km. O cisalhamento de pico calculado foi de 31.1m.s -1.km -1. Essa assinatura pode ser observada continuamente se intensificando até às 13:38 HL, após o que entra rapidamente em decaimento. Observa-se ainda convergência presente na célula ao lado Velocidade Radial Refletividade Figura 6. PPI 0.3 elevação de velocidades radiais e refletividades (limiar 10 dbz) de 12:31 HL e 12:46 HL, para um raio de 75 km a partir do radar de Bauru, no dia 22/11/99. 7
esquerdo do máximo de refletividade. Essa convergência se estende até os níveis médios da tempestade observada em 4.6 (4 km altura). Isso possivelmente está associado ao desenvolvimento de novas células no lado esquerdo da tempestade. A estrutura vertical associada à tempestade de Avaí é mostrada na Figura 7. Às 13:01 HL destaca-se as altas refletividades em excesso de 55 dbz presente nos níveis médios da célula assim como uma divergência não profunda. Com o colapso do núcleo essa divergência associada a microexplosão fica muito bem caracterizada como mostrada às, 13:16 HL, onde as cores azuis indicam fluxo para o radar e as amarelas fluxo para fora do radar. Figura 7. PPI 4.6 elevação de refletividades, incluindo as secções verticais de refletividades e velocidades radiais ao longo da linha AB mostrada no PPI, no dia 22/11/99 às 13:01 e 13:16 HL. 5. CONCLUSÕES As características da evolução de tempestades severas sobre a área central do Estado de São Paulo é apresentada através de produtos gerados com as informações do radar Doppler de Bauru. Os três eventos foram selecionados baseados nos danos que os mesmos produziram à superfície, ou seja, granizo e ventos fortes. O evento de 14 de maio de 94 e 17 de outubro de 99 estiveram associados à passagem de sistema frontal sobre a área central enquanto que o de 22 de novembro foi caracterizado por intensa atividade convectiva pós-frontal. Das análises do campo de intensidades evidenciou-se as altas refletividades em excesso de 60 dbz para os eventos de 14 de maio 94 e 17 de outubro 99, enquanto que o evento de 22 novembro 99 exibiu refletividades menores, mas próximas a 50 dbz durante a fase convectiva mais intensa das células. Os topos nos dois primeiros eventos ficaram em média entre 14 e 16 km de altura, enquanto que no último não ultrapassou os 10 km de altura. A velocidade de deslocamento das células de tempestade em 14 de maio 94 e 17 de outubro 99 atingiram valores próximos a 60 km.h -1, com um tempo de vida ultrapassando a várias horas. No evento de maio vale destacar a direção de deslocamento de norte-sul das tempestades que atingiram Ribeirão Preto e Brotas, raramente observado na área de monitoramento do radar de Bauru. 8
As assinaturas observadas nos campos de velocidades radiais que são relacionadas ao potencial de severidade das tempestades, são resumidas basicamente através de: circulação indicativa de rotação na célula que atingiu Ribeirão Preto, em 14 maio 94, com cisalhamento local da ordem de 3.5x10-3 s -1 ; intensa convergência presente até os níveis médios associada a célula que atingiu Tibiriçá, em 17 outubro 99; divergência profunda, próxima à surperfície presente na tempestade de Avaí, em 22 novembro 99, com velocidade máxima associada de 21.6 m. s -1. 6. BIBLIOGRAFIA GOMES, A. M., Radar Doppler de Bauru: Características e Aplicações Operacionais. IN: CONGRESSO BRASILEIRO DE METEOROLOGIA, 8, e CONGRESSO LATINO-AMERICANO E IBÉRICO DE METEOROLOGIA,2, 1994,Belo Horizonte(MG). Anais... Rio de Janeiro: SBMET, 1994, v. 1, p. 228-222. GOMES, A. M., LIMA, M. A., ANTONIO, M. DE A. Características Doppler associadas a tempestades severas no Estado de São Paulo. IN: CONGRESSO BRASILEIRO DE METEOROLOGIA, 9, 1996, Campos do Jordão, SP. Anais... Rio de Janeiro: SBMET, 1996, v. 1, p. 53-55. JORNAL DA CIDADE. Edição de 18 de outubro de 1999 e 23 de novembro de 1999. NIELSEN-GAMMON, JOHN W. e W. L. READ. Detection and interpretation of left-moving severe thunderstorms using the WSR-88D: A case study. Weather and Forecasting, March 1995, p. 127-140. SILVA DIAS, M. A., CARVALHO, L. M. V., GOMES, A. M. Um caso de tempestade em ambiente ciclônico em grande e mesoescala. IN: CONGRESSO BRASILEIRO DE METEOROLOGIA, 9, 1996, Campos do Jordão, SP. Anais... Rio de Janeiro: SBMET, 1996, v. 2, p. 1316-1320. Agradecimentos: Os autores agradecem ao Engo. Kurt Klees e ao Dr Don Burrows, da Enterprise Electronics Corporation, pela cessão temporária do software IMAGE, para teste e avaliação. 9