IBP1768 MODELAGEM ATMOSFÉRICA E HIDRODINÂMICA EM APOIO A OPERAÇÃO DE RESGATE DA EMBARCAÇÃO ELIZIO LEÃO Audálio R T Júnior 1, Mariana P R Silva 2, Ricardo M da Silva 2, Luiz Paulo de F Assad 3, Hatsue T de Decco 2, Luiz Landau 3 e Ronaldo da Silva Junior 4 Copyright 2008, Instituto Brasileiro de Petróleo, Gás e Biocombustíveis - IBP Este Trabalho Técnico foi preparado para apresentação na Rio Oil & Gas Expo and Conference 2008, realizada no período de 15 a 18 de setembro de 2008, no Rio de Janeiro. Este Trabalho Técnico foi selecionado para apresentação pelo Comitê Técnico do evento, seguindo as informações contidas na sinopse submetida pelo(s) autor(es). O conteúdo do Trabalho Técnico, como apresentado, não foi revisado pelo IBP. Os organizadores não irão traduzir ou corrigir os textos recebidos. O material conforme, apresentado, não necessariamente reflete as opiniões do Instituto Brasileiro de Petróleo, Gás e Biocombustíveis, seus Associados e Representantes. É de conhecimento e aprovação do(s) autor(es) que este Trabalho Técnico seja publicado nos Anais da Rio Oil & Gas Expo and Conference 2008. Resumo No dia 7 de outubro de 2007, o encalhe da embarcação Elizio Leão com 75 mil litros de óleo diesel nas proximidades da Ilha de Marajó (PA) mobilizou a equipe de modelagem do projeto PIATAM Mar (Potenciais Impactos do Transporte de Petróleo e Derivados na Zona Costeira Amazônica) para a execução de prognósticos hidrodinâmicos e atmosféricos que pudessem dar suporte às operações de resgate da embarcação. Neste trabalho são apresentados alguns resultados obtidos, assim como a metodologia operacional adotada de forma a atender às necessidades da equipe de resgate da embarcação. Abstract On October 7th, 2007, the Elizio Leão ship broke carrying 19,812.9 gallons of oil near the Marajó Island has mobilized the PIATAM Mar (Potenciais Impactos do Transporte de Petróleo e Derivados na Zona Costeira Amazônica) modeling team for an execution of hydrodynamic and atmospheric prognostics that could support the ship rescue operation. In this work some results are presented as the operational methodology which has been applied to support the rescue team s needs. 1. Introdução A modelagem computacional ambiental vem se constituindo como uma importante ferramenta para o gerenciamento de operações que visem minimizar o impacto ambiental associado a acidentes na indústria do petróleo e gás. No dia 7 de outubro de 2007, às vésperas das comemorações do Círio de Nazaré, o encalhe da embarcação Elizio Leão com 75 mil litros de óleo diesel nas proximidades da Ilha de Marajó (PA) no rio Pará, aproximadamente a 57 km da reserva marinha do Soure (Figura 1), mobilizou a equipe de modelagem do projeto PIATAM Mar (http://www.naea.ufpa.br/piatammar/noticias.aspx?op=s) para a execução de prognósticos hidrodinâmicos e atmosféricos que pudessem dar suporte às operações de resgate da embarcação. Neste trabalho são apresentados alguns resultados obtidos assim como a metodologia operacional adotada de forma a atender às necessidades da equipe de resgate da embarcação. No dia 10 de outubro, após o aviso do encalhe, dados meteorológicos e oceanográficos foram medidos nas proximidades do ponto de encalhe. Tais dados constituíam-se de séries temporais de intensidade e direção do vento, nível do rio, velocidade e direção de corrente, para um período de 12 horas compreendido entre aproximadamente 3 horas e 15:00 do dia 10/10. Os dados coletados foram cedidos ao grupo de modelagem do PIATAM Mar para que pudessem ser utilizados para a validação e calibração dos modelos computacionais ambientais utilizados. 1 D.Sc., LAMMA/UFRJ 2 M.Sc., LAMCE/COPPE/UFRJ 3 D.Sc., LAMCE/COPPE/UFRJ 4 Engenheiro, Petrobras
Figura 1. Local do encalhe da embarcação Elizio Leão. 3. METODOLOGIA 3.1 Descrição do modelo atmosférico MM5 O modelo atmosférico utilizado foi o Mesoscale Model 5th generation (MM5), cuja descrição detalhada pode ser encontrada em Dudhia et al. (2004) e Grell et al. (1994), desenvolvido no final da década de 70 pela Penn State University (PSU) em conjunto com o National Center for Atmospheric Research (NCAR). Possui como características principais a capacidade de múltiplos aninhamentos de grade, dinâmica não hidrostática e sistema de coordenadas sigma-p, além de parametrizações físicas e portabilidade em diversas plataformas computacionais (Silva, 2005). Neste estudo, foram utilizadas uma grade principal e 2 grades aninhadas com resoluções espaciais de aproximadamente 18 km, 6 km e 2 km respectivamente, centradas no ponto do acidente. Uma distribuição espacial destas grades pode ser observada nas Figuras 2a e 2b. Como condição inicial e de contorno lateral, foram utilizados dados do Global Forecasting System (GFS) desenvolvido pelo National Centers for Environmental Prediction (NCEP), disponíveis em arquivos de 3 em 3 horas e resolução espacial de 1º de latitude e longitude. Já como condição de contorno para as categorias de uso do solo, foram utilizados dados do United States Geological Survey (USGS), com aproximadamente 1 km de resolução espacial. Com o intuito de verificar os resultados das séries de vento simuladas pelo modelo MM5, e complementar as séries da campanha de medição realizada, foram extraídas séries do METAR para o Aeroporto de Belém, de componentes zonal e meridional do vento para o mesmo período analisado. Estes dados são disponilizados através da REDEMET (REDEMET, 2008). 2
Figura 2. Localização espacial das 3 grades utilizadas na modelagem atmosférica: aninhamento entre as grades de aproximadamente 18 km e 6 km e 6 km e 2 km de resolução espacial. A escala de cores representa as categorias de uso do solo utilizadas e extraídas do USGS. 3.2 Descrição do modelo de circulação oceânica POM O modelo hidrodinâmico utilizado foi o Princeton Ocean Model (POM - Blumberg & Mellor, 1987) que teve como domínio de integração toda a região da Plataforma Continental Amazônica e alguns de seus ambientes costeiros e estuarinos como a região da foz do Rio Pará. O POM foi forçado pelo vento, resultante dos prognósticos do modelo MM5, e pela maré, cujas elevações foram estimadas da previsão de marés realizada para dois pontos no contorno externo da grade numérica do modelo oceânico a partir das constantes harmônicas de maré obtidas do modelo Finite Element Simulation (FES95). O modelo foi integrado por todo o mês de outubro de 2007, com condições de contorno de elevação da superfície livre (FES95) obtida de resultados do modelo de circulação global Modular Ocean Model (MOM - Assad, 2006). Foram coletados dados de elevação da superfície livre e de correntes de maré na região do encalhe, com o objetivo de aferir o modelo hidrodinâmico. 3.3 Modelagem integrada das condições atmosféricas e oceânicas As simulações atmosféricas foram incializadas diariamente, do dia 12 ao dia 18 de outubro, com previsões do GFS inicializadas com informações de 00Z, para o período de 72 horas. Ao término da simulação as informações de direção e intensidade do vento passavam pelo pré-processamento, para serem então utilizados pelo POM. As informações geradas pelo modelo atmosférico e pelo hidrodinâmico (direção e intensidade da corrente marinha e elevação), eram então analisadas e repassadas a equipe de resgate, que decidia pela efetuação, ou não, do resgate. Este procedimento foi mantido até o dia 18 de outubro, dia no qual a embarcação foi resgatada. Na Figura 4 está representado o fluxo de informações estabelecido para integração dos modelos. A integração dos modelos foi realizada através de componentes de códigos em FORTRAN que realizavam a conversão dos diferentes tipos de dados usados pelos modelos. Estes códigos também foram utilizados para filtragens e interpolações necessárias a adaptação dos resultados do modelo atmosférico para uso no modelo oceânico. Também foram realizadas simulações para o dia 10 de outubro, com o objetivo de validar os modelos com os dados obtidos na campanha de coleta realizada. Os resultados (não apresentados) indicaram resultados satisfatórios, demonstrando uma aplicabilidade do procedimento. Apesar de terem sido fornecidos ao grupo dados de elevação da superfície livre e de correntes de maré que foram coletados durante o período de resgate da balsa, estes não foram utilizados para aferir a modelagem hidrodinâmica devido ao pequeno intervalo de tempo medido (apenas 12 horas). Desta forma, como uma alternativa, foram reconstituídas as séries de maré para um ponto próximo do local de encalhe (Estação Ilha do Mosqueiro) para o mês de outubro, a partir das constantes harmônicas catalogadas (FEMAR, 2000). Os modelos atmosféricos e hidrodinâmico, assim como os programas desenvolvidos para integrar os modelos, foram executados em plataforma computacional de alto desempenho (Silicon Altix 350) disponibilizada para uso pelo Núcleo de Atendimento em Computação de Alto Desempenho situado na Universidade Federal do Rio de Janeiro 3
(NACAD/UFRJ), integrante do SINAPAD (Sistema Nacional de Processamento de Alto Desempenho). A utilização de tais recursos computacionais foi a base para a agilidade na geração e processamento dos resultados. Figura 4. Fluxograma de informações geradas pelos modelos. 3. RESULTADOS Serão analisados os resultados obtidos com os modelos integrados apenas para o dia em que foi realizado o resgate da embarcação. Observa-se nas Figuras 5a e 5b, as séries temporais das componentes zonal e meridional do vento, em metros por segundo, simulado para o período de resgate da balsa (entre 15/10/2007 as 12UTC e 18/10/2007 as 12UTC 72 horas). Estas simulações foram verificadas utilizando dados extraídos do METAR para o Aeroporto de Belém, como pode ser observado nas Figuras 6a e 6b (atentar para escalas diferentes no eixo das ordenadas). Nota-se que o modelo conseguiu representar de forma eficiente os picos e quedas na intensidade do vento em ambas as componentes. Percebe-se ainda que a direção predominante do vento de NE (zonal e meridional negativo) na região foi também representada pelo modelo atmosférico. Figura 5. Série temporal das componentes zonal e meridional do vento simulado pelo modelo MM5 para o período entre os dias 15/10/2007 as 12UTC e 18/10/2007 as 12UTC. 4
Figura 6. Série temporal das componentes zonal e meridional do vento obtido no METAR do aeroporto de Belém para o período entre os dias 15/10/2007 as 12UTC e 18/10/2007 as 12UTC. Estes resultados foram utilizados como condição de contorno na superfície para a modelagem hidrodinâmica do Rio (Estuário). Observa-se nas Figuras 8a e 8b, os resultados obtidos com o POM para instantes de maré enchente e vazante, em metros por segundo. Figura 8. Mapas de corrente para instantes de maré enchente e vazante A Figura 9 mostra a comparação entre a série de maré, em metros, para um período de 34 horas, reconstituída a partir das constantes harmônicas, e a série temporal de elevação em um ponto de grade próximo. Apesar da defasagem de menos de um metro entre as amplitudes modelada e reconstituída, é possível observar a concordância da fase da onda de maré entre as duas séries. A diferença entre as amplitudes atribui-se aos efeitos de forçantes consideradas no modelo, como vento, corrente oceânica e vazão dos rios que são desconsideradas ao reconstituir a série unicamente a partir das constantes hamônicas. 5
Figura 9. Comparação entre as elevações da superfície do Rio Pará simulada pelo modelo POM (azul) e da série de maré reconstituída (vermelho). 4. CONCLUSÕES Este trabalho teve o intuito de apresentar a metodologia que vêm sendo empregada pelo grupo de modelagem do projeto PIATAM Mar para construção de uma plataforma de integração de modelos atmosféricos e hidrodinâmicos, com vistas a dar suporte as operações de transporte de óleo pelos rios e zonas costeiras na Amazônia. Os resultados obtidos com os modelos computacionais, hidrodinâmico e atmosférico, apresentados neste trabalho, demonstram uma aplicabilidade dos modelos através da metodologia proposta, como no caso do suporte as demandas da equipe de resgate da embarcação Elizio Leão. 5. AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer aos parceiros dos Projetos PIATAM e PIATAM Mar pela cessão dos dados, ao Centro de Excelência Ambiental da Petrobras na Amazônia (CEAP) de Manaus e ao NACAD e SINAPAD pela infra-estrutura. Os autores agradecem ainda, à Agência Nacional do Petróleo pelo apoio financeiro a parte do desenvolvimento deste trabalho. 6. REFERÊNCIAS ASSAD, L. P. F., 2006: Influência do campo de vento anômalo tipo ENSO na dinâmica do Atlântico Sul. Tese de Doutorado Engenharia Civil / COPPE/ UFRJ, 222 pp. BLUMBERG, A. F. & MELLOR, G. L., 1987, A description of a three-dimensional coastal ocean circulation model, em sl Three-Dimensional Coastal Ocean Models, Coastal Estuarine Sci., 4, edited by N. Heaps, pp. 1 16, AGU, Washington, D. C. FEMAR, Catálogo das estações maregráficas brasileiras. Rio de Janeiro, 2000. DUDHIA, J., GILL, D., GUO, Y., MANNING, K., WANG, W., CHISZAR, J.: Mesoscale Modeling System Tutorial Class Notes and User s Guide: MM5 Modeling System Version 3, PSU/NCAR, 2004. GRELL, G. A.; J. DUDHIA; STAUFFER, D. R. A description of the fifth-generation Penn State/NCAR mesoscale model (MM5). NCAR Technical Note, NCAR/TN-398+STR, 117 pp., 1994. REDEMET: Rede de Meteorologia do Comando da Aeronáutica, http://www.redemet.aer.mil.br/, 2008. SILVA, R. M. Acoplamento dos modelos de área limitada de atmosfera (MM5) e oceano (POM) e sua aplicação ao trecho sudoeste da bacia do Atlântico Sul. Julho de 2006. 63p. Dissertação de Mestrado na área de Ciências atmosféricas em Engenharia. Orientador: Landau, L. Programa de Engenharia Civil da COPPE/UFRJ, 2006. 6