VALIDAÇÃO DA PREVISÃO DE PRECIPITAÇÃO GERADA PELO MODELO ATMOSFÉRICO WRF PARA A BACIA DE UNIÃO DA VITÓRIA UTILIZANDO O MODELO HIDROLÓGICO TOPMODEL Alex Conselvan de Oliveira 1 Leonardo Calvetti 2 José Eduardo Gonçalves 3 Cesar Augustus Assis Beneti 4 RESUMO Para estudos hidrológicos a validação da previsão quantitativa de precipitação pode ser realizada por meio da comparação da precipitação medida na rede de pluviômetros e por meio da verificação do impacto na modelagem hidrológica sobre as bacias. Neste trabalho foram utilizados o modelo hidrológico TOPMODEL, implementado para a bacia de União da Vitória no Rio Iguaçu - PR, para avaliar as previsões horárias de precipitação geradas pelo modelo atmosférico WRF (Weather Research and Forecasting) para até 48h. Esses resultados, em comparação com simulações realizadas com a precipitação medida em pluviômetros, indicam que as previsões tendem a superestimar a amplitude da vazão e que em geral possui boa previsibilidade da fase dos sistemas. ABSTRACT The quantitative precipitation forecasts in hydrological studies can be evaluated by surface observations and verifying the hydrological modeling impact over the basins. In this work the TOPMODEL hydrological model was implemented to União da Vitória basin at Iguaçu river PR, to validate the hourly precipitation forecasts generated by WRF (Weather Research and Forecasting) model. The results of these simulations showed that streamflow, comparing with simulations realized with surface observations data, was superestimated. However, the meteorological systems phase had good previsibility. Palavras-chave acoplamento, previsão quantitativa de precipitação, previsão de vazão. INTRODUÇÃO Os modelos hidrológicos chuva-vazão são amplamente utilizados no gerenciamento de recursos hídricos. Entre suas aplicações, talvez a mais difundida seja a previsão de cheias em reservatórios e áreas urbanas. Entretanto, o horizonte das previsões geradas por esses modelos fica limitado pelo tempo de viagem da água no canal. A única forma de estender esse horizonte de previsão é com a inclusão de informações sobre eventos de chuva à frente de sua ocorrência, ou seja, utilizar dados previstos de precipitação (BARTHOLMES; TODINI, 2005). Para isto, as previsões quantitativas de precipitação (QPF), geradas por modelos de previsão 1 Instituto Tecnológico SIMEPAR, Caixa Postal 19.100, CEP 81531-990, Curitiba, PR; Tel. +55 41 3320-2000; e-mail alex@simepar.br 2 Instituto Tecnológico SIMEPAR, leonardo@simepar.br 3 Instituto Tecnológico SIMEPAR, jgoncalv@simepar.br 4 Instituto Tecnológico SIMEPAR, beneti@simepar.br
atmosférica, são usadas como dados de entrada pelo modelos hidrológicos. Este procedimento é chamado de acoplamento unidirecional. Quando o modelo hidrológico retorna informações para o modelo atmosférico, o acoplamento é dito bidirecional. Estes sistemas de modelos acoplados, além das aplicações em recursos hídricos, podem ser utilizados na avaliação de previsões quantitativas de precipitação. As bacias hidrográficas, em uma macroescala, podem ser vistas como grandes pluviômetros (BENOIT; PELLERIN, 2000). Esta técnica tem sido utilizada em casos de redes de monitoramento com baixas densidades. Nesses casos, a quantidade de estações pluviométricas é pouco representativa, gerando incertezas nos cálculos de chuva média nas bacias. Com o objetivo de avaliar as previsões de precipitação geradas pelo modelo atmosférico WRF, foi implementado o modelo hidrológico semi-distribuído TOPMODEL, para a bacia de União da Vitória. DESCRIÇÃO DO MODELO TOPMODEL O modelo TOPMODEL é um modelo chuva-vazão semi-distribuído, baseado na hipótese de que é possível, através da análise da topografia, representar a heterogeneidade da bacia. Assim, o escoamento horizontal (superficial ou sub-superficial) gerado por cada elemento de área da bacia depende da declividade e da área que contribui para este elemento. Elementos de área em regiões convergentes da bacia apresentam uma maior predisposição para gerar escoamento. Elementos em regiões de maior declividade contribuem menos (BEVEN, 1995). Desde 1974 os métodos utilizados no modelo têm sido alterados por diversos pesquisadores, com o objetivo de gerar um conjunto de conceitos que devem ou não ser aplicados a cada caso analisado. Para a bacia hidrográfica de União da Vitória, optou-se por uma versão do modelo que apresenta apenas seis parâmetros e é adequada a bacias hidrográficas com topografia moderada e que não apresentam longos períodos secos (BEVEN, 1995). O modelo hidrológico TOPMODEL foi concebido originalmente para simular bacias de cabeceira. Neste trabalho, o código original foi modificado para trabalhar com bacias internas. Assim, as vazões afluentes são fornecidas para o modelo convertidas como dados de precipitação. DESCRIÇÃO DA BACIA O modelo hidrológico TOPMODEL foi implementado para a bacia hidrográfica de União da Vitória, localizada no Rio Iguaçu (figura 1), compreendendo parte dos estados do Paraná e de Santa Catarina. A sub-bacia de União da Vitória possui uma área de drenagem de aproximadamente 2995 km 2 e apresentou precipitação média, nos últimos oito anos, de 1575 mm/ano. Para a série de dados que
compreende o período de 1998 a 2005, o ano mais chuvoso (1998) registrou uma precipitação de 2314 mm/ano, correspondendo a uma vazão de 1075,9 m 3 /s. O ano mais seco (2004) registrou 1272 mm/ano, correspondendo a uma vazão de 428 m 3 /s. Figura 1 Localização da sub-bacia de União da Vitória. A região de estudo apresenta altitudes que variam entre 1300 e 700 metros. CALIBRAÇÃO E VALIDAÇÃO DO MODELO O modelo TOPMODEL foi calibrado utilizando um período de dados de aproximadamente três anos e meio, de agosto de 2001 à dezembro de 2004 (figura 2). A qualidade da calibração foi estimada através do coeficiente de Nash, que apresentou um valor de 0,91 para o período. O coeficiente de Nash é calculado pela seguinte equação: 2 ( Q simul Qobs ) Nash = 1. 2 ( Qobs Qobs ) Figura 2 Comparação entre as vazões de calibração e observada. A validação do modelo foi feita para o período de janeiro de 2005 à abril de 2006 (figura 3). O valor do coeficiente de Nash, para o mesmo conjunto de parâmetros, foi 0,97.
Figura 3 Validação da calibração do modelo hidrológico TOPMODEL. DADOS METEOROLÓGICOS A chuva média horária, na bacia de União da Vitória, foi calculada à partir das previsões quantitativas de precipitação geradas pelo modelo Weather Research and Forecasting (WRF), que vem sendo rodado operacionalmente no Instituto Tecnológico SIMEPAR desde outubro de 2005, com a seguinte configuração: esquema de microfísica Pardue Lin, parametrização cumulus Grell- Devenyi, ondas longas RRTM, ondas curtas Goddard e grade com espaçamento de 15 km, abrangendo grande parte do Paraguai e dos estados de São Paulo e Santa Catarina, além do estado do Paraná (limitadas pelas latitudes -21 e - 28 e longitudes -45 e -58 ). O modelo é rodado diariamente, desde outubro de 2005, com horizonte de previsão de 48 horas (à partir das 00 UTC). Como condições iniciais e de contorno, foram utilizados os dados do modelo atmosférico global GFS (Global Forecast System). Esses dados são fornecidos pelo NCEP (National Centers for Environmental Prediction) em quatro rodadas diárias (0h, 6h, 12h e 18h UTM), com resoluções espaciais de 0,5, 1 e 2,5 graus de latitude e longitude e resolução temporal de 3 horas, com horizonte de até 384 horas. As simulações com o modelo WRF foram realizadas utilizando os dados da rodada das 00 UTC, com resolução espacial de 0,5 grau. RESULTADOS Para o período de outubro de 2005 à abril de 2006, foram analisadas simulações de 38 eventos meteorológicos na bacia de União da Vitória. Entre eles, foram selecionados 2 eventos que apresentaram vazões acima do nível crítico. Estes eventos ocorreram nos dias 04 e 28 de outubro de 2005 (figura 4).
Figura 4 Estimativa de precipitação por satélite para a bacia do Iguaçu (GOES-12-CST). Nesses eventos, as previsões de precipitação foram maiores que as medidas na rede de pluviômetros e, por conseqüência, forçou o rápido aumento na vazão simulada (figura 5 e 6). Outra indicação importante foi a mudança no sentido da tendência da vazão que em situações de enchentes torna-se crucial na modelagem hidrológica. Em geral, as simulações com as previsões de precipitação conseguiram obter a fase dos sistemas precipitantes que em geral são linhas de instabilidades pré-frontais. Como as bacias são de médio e grande porte, impactos significativos no escoamento ocorrem por fenômenos com duração de algumas horas, como linhas de instabilidade e sistemas frontais. Figura 5 Vazões simuladas e observada na bacia de União da Vitória no dia 04/10/2005.
Figura 6 Vazões simuladas e observada na bacia de União da Vitória no dia 28/10/2005. CONCLUSÃO O modelo hidrológico TOPMODEL foi implementado para a bacia de União da Vitória com o objetivo de avaliar as previsões de precipitação geradas pelo modelo atmosférico WRF. Essa metodologia se mostrou efetiva para diagnosticar erros sistemáticos nessas previsões. Comparações diretas com dados de pluviômetros podem não evidenciar tão bem esses erros, principalmente devido à problemas referentes a distribuição espacial das previsões de precipitação. Aproximadamente metade das simulações realizadas resultaram em vazões superestimadas. Dos 38 casos analisados, 17 foram superestimados, 5 subestimados e 16 apresentaram uma boa aproximação com os dados monitorados. Para melhorar a qualidade das previsões, podem ser adotadas técnicas como assimilação de dados, previsões em conjunto (ensemble) ou ainda o aumento da resolução espacial através do refinamento da grade do modelo. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Bartholmes, J.; Todini, E. Coupling meteorological and hydrological models for flood forecasting. Hydrology and Earth System Sciences, v. 9(4), p. 333-346, 2005. Benoit, R.; Pellerin, P. Toward the use of coupled atmospheric and hydrologic models at regional scale. Monthly Weather Review, v. 128, p. 1681-1706, 2000. Beven, K. J.; Lamb, R.; Quinn, P.; Romanowicz, R.; Freer, J. TOPMODEL. In: Singh, V. P. (ed) Computer models of watershed hydrology. Water Resources Publications, p. 627-668, 1995.