Precipitações Tipos, medição, interpretação, chuva média

Universidade de São Paulo PHA2307 Hidrologia Aplicada Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Departamento de Engenharia Hidráulica e Ambiental Precipitações Tipos, medição, interpretação, chuva média Parte 1 de 2 Prof. Dr. Arisvaldo Méllo Prof. Dr. Joaquin Bonnecarrere

Objetivos da Aula 1. Conhecer o processo físico de formação das chuvas e seus tipos 2. Saber como se medem as chuvas 3. Conhecer as representações gráficas do totais precipitados (pluviogramas e hietogramas). 4. Conhecer a sazonalidade das chuvas 5. Conhecer as variabilidades das chuvas no mundo, no Brasil e em São Paulo 6. Saber traçar os polígonos de Thiessen

Precipitação Fenômeno alimentador da fase terrestre do ciclo hidrológico Fator importante para os processos de escoamento superficial direto, infiltração, evaporação, transpiração, recarga de aqüíferos, vazão básica dos rios e outros Dado importante para planejamento de longo prazo, pois sofre menos influências diretas de alterações antrópicas provocadas no meio

Vazão (m 3 /s) Dado importante para planejamento de longo prazo, pois sofre menos influências diretas de alterações antrópicas provocadas no meio Hietograma Bacia Saída da Bacia Hidrograma Tempo (h)

Temperatura x Altitude - Grande aumento da T o C em razão do recebimento de radiação e devido ao ar ser rarefeito - Sujeita à atividade solar Acima de 60 km (Ionosfera): camada intensamente eletrificada, importante para transmissão de ondas de rádio Camada de O 3 absorve radiação ultravioleta e causa aquecimento na camada acima 6,5 o C para cada 1000 m

Formação das nuvens

Transferência de calor na atmosfera Convecção: processo de condução de calor numa massa de ar Advecção: transferência de vapor de superfície de água líquida para a atmosfera causado pelo vento Radiação

Formação das nuvens Convecção Topografia Convergência Ascensão por Frentes

Processos de precipitação Colisão-coalescência Tamanho relativo da gota de chuva, gota de nuvem e núcleo de condensação. Cristal de gelo 1 m = 1 micrômetro = 10-6 m

Tipos de Precipitação Granizo Chuva Neve

Formação das gotas de chuva nas nuvens Processos de Crescimento das Gotas de Chuva nas Nuvens Coalescência Atração Iônica Agrupamentos por choques entre partículas Gotas de chuva na nuvem, eletricamente carregadas Estima-se que 1,5.10 23 elétrons se desloquem das nuvens em direção ao solo em 0,8 s. Qual o valor da corrente elétrica de uma descarga elétrica durante uma tempestade? i = Q t Q = n e i - corrente elétrica (Ampère); Q carga elétrica (Coulomb); t tempo (s) n número de elétrons; e constante de Coulomb (1,6.10-19 C) Q = 1,5 10 23 1,6 10 19 = 2,4 10 4 C i = 2,4 104 0,8 = 3 10 4 A = 30 ka

Causas da ascenção de ar úmido Quente Frio

Chuvas ciclônicas (ou de Frente) Frente Quente Frente Fria Ar Quente Ar Frio Ar Frio Baixas intensidades Longa duração Grandes áreas de atuação Ar Quente Ar Quente

Elevação frontal: quando o ar quente é elevado sobre o ar mais frio Precipitação intensa de curta duração Precipitação suave de longa duração

Chuvas Convectivas (ou de Verão) Grandes intensidades Curtas durações Pequena abrangência espacial Grande impacto em drenagem urbana

Chuvas Orográficas Influência da topografia Intensidades variáveis Impactos em pequenas bacias em serras

Estação pluviográfica

Pluviógrafo de Cuba Basculante Fonte: SABESP

Pluviógrafo de Cuba Basculante volume = 0,25 mm

Pluviógrafo de Caçamba Estação Remota de Telemetria Fonte: SABESP

Pluviômetro Pluviômetro Departamento Fonte de Engenharia : Sabesp Hidráulica e Ambiental - PHA

Pluviômetro

Pluviógrafo

Pluviógrafo de Bóia De Bóia Tipo Hellman

Papel para Pluviograma

Pluviograma

Pluviograma (intensidade de chuva) h (mm) Intensidade = i h t tg a =i Tempo (minuto)

Precip (mm) Hietograma Hietograma 35 30 25 20 15 10 5 0 15 6.9 7.6 2.52.83.0 3.8 4.14.3 45 75 105 27.4 29.0 135 165 7.67.6 6.16.14.63.83.83.03.03.03.03.03.03.0 195 225 Tempo (min) 255 285 315 345

Precip (mm) Hietograma Tempo (min) Hietograma 0 5 10 15 20 25 30 35 15 45 75 105 2.52.83.0 3.8 4.14.3 6.9 7.6 135 27.4 29.0 165 195 225 255 285 315 345 7.67.6 6.16.14.63.83.83.03.03.03.03.03.03.0

Precip (mm) Hietograma acumulado 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 15 2.5 35.1 20.6 27.4 16.3 12.2 5.3 8.4 45 75 Tempo (min) Hietograma Acumulado 105 135 62.5 91.4 99.1106.7 165 112.8 118.9123.4127.3 195 225 131.1 134.1137.2140.2143.3146.3149.4152.4 255 285 315 345

Precip (%Total) Hietograma acumulado adimensional 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 4.2 1.7 3.5 5.5 8.0 12.5 Hietograma Acumulado Adimensional 20.8 23.0 18.0 10.7 13.5 29.2 Tempo (%Duração) 37.5 41.0 70.0 74.078.0 65.0 60.0 45.8 54.2 62.5 86.0 88.0 90.0 92.0 94.0 96.0 98.0 100.0 83.5 81.0 70.8 79.2 87.5 95.8

Acumulados do Posto Base Consistência dos dados (Diagrama Duplo-Acumulativo) Acumulados do Posto Base 4000 4000 3000 3000 2000 2000 1000 1000 0 0 1000 2000 3000 4000 Acumulados Médios da Região 0 0 1000 2000 3000 4000 Acumulados Médios da Região a) Sem inconsistências b) Com mudança de tendência

Acumulados do Posto Base Consistência dos dados (Diagrama Duplo-Acumulativo) Acumulados do Posto Base 4000 4000 3000 3000 2000 2000 1000 1000 0 0 1000 2000 3000 4000 Acumulados Médios da Região c) Com erros de transcrição 0 0 1000 2000 3000 4000 Acumulados Médios da Região d) Diferentes regimes de chuva

Diagrama Duplo-Acumulativo

Sazonalidade das Precipitações Climas quentes da zona intertropical Regime Equatorial: chuvas durante todo o ano, sem estações secas definidas Regime Sub-equatorial: dois períodos secos, um no inverno e outro no verão Regime Tropical: um período nítido de chuvas no verão Climas temperados da zona subtropical Dominados pelas evoluções das massas de ar Chuvas distribuídas no ano Climas de Monções (Oceano Índico e continentes adjacentes) Dominados pelas correntes eólicas provenientes das diferenças de temperatura entre o oceano e o continente Regime de chuvas depende do relevo

Sazonalidade das Precipitações Ano hidrológico Semestre Seco: Meses do ano em que as precipitações médias da série histórica referentes a esses meses são inferiores à precipitação média dos 12 meses.

P m é d i a m e n s a l ( m m ) Precipitações Médias Mensais do Guarapiranga (1907-1996) (mm) 250 200 150 100 50 0 Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez

Exercício

Chuva média

Distribuição Global de Precipitação

Distribuição das Chuvas Totais Anuais no Brasil 4300mm 300mm http://www.cprm.gov.br/publique /media/isoietas_totais_anuais_1 977_2006_2011.pdf

Distribuição das Chuvas Totais Anuais no Estado de São Paulo

Variabilidade espacial da chuva Variação depende do tipo de chuva (convectiva ou ciclônica) Densidade de postos: existem recomendações gerais da OMM Casos específicos: a densidade deve ser maior (exemplo: rede telemétrica do Alto Tietê, para prevenção de danos por inundações) Curvas de variação da intensidade de uma chuva com a área Cálculo da chuva Média sobre uma bacia: polígonos de Thiessen e Isoietas

Variação da Chuva com a área (SCS, 1971) P A P C = 1 A Dm a + b A P A chuva média (mm) para a área A área (km 2 ) P C chuva no centro da área (mm) D duração da chuva no centro (h) a, b, m - parâmetros

Cálculo da chuva média na bacia Problema Prático: Qual é o volume precipitado sobre uma bacia situada em uma região que possui diversos postos que registram valores variados? Previsão para hoje: chuvas acima da média

Precipitação média na bacia Polígonos de Thiessen

Precipitação média na bacia A1 Polígonos de Thiessen A2 A3 Pm P A P A P A A A A 1 1 2 2 3 3 1 2 3

Precipitação média na bacia p i 1 2 p i p i P 1 A n i 1 a i. p i

Chuva média P(cm) A(km 2 ) 0,72 20,0 1,54 20,1 1,65 20,1 2,3 19,6 2,45 20,2 100 P = 1,732 cm P = Rede pluviométrica 0,72 20 + 1,54 20,1 + 1,65 20,1 + 2,3 19,6 + 2,45 20,2 100 Polígonos de Thiessen = 1,731 cm Isoietas P(cm) A(km 2 ) 2 57,5 1 42,5 100 P = 2 57,5 + 1 42,5 100 = 1,575 cm

Precipitação média na bacia Método de Thiessen Variação espacial discreta da chuva Resultado é único (independe do autor) Não considera a distribuição espacial de um evento Seu cálculo é facilmente automatizado Isoietas Variação espacial contínua da chuva Resultado não é único (depende do autor) Considera a distribuição espacial de um evento Seu cálculo pode ser parcialmente automatizado (SIG) Escolha do Método depende do objetivo e da quantidade de postos

Exercício

SCS National Engineering Handbook. Hydrology. Washington, D.C. U.S. Department of Agriculture. Technical Release n. 55, 1971.