PRIMEIROS RESULTADOS DE UM ESTUDO SOBRE A FORMAÇÃO DE NUVENS STRATUS NO SUL DO BRASIL Natalia Fedorova 1, Maria Helena de Carvalho 2, Fernando Cristian Nunes 2 1 Universidade Federal de Alagoas, 2 Universidade Federal de Pelotas, Brasil natalia@dimin.net; mhelena@cpmet.ufpel.tche.br ABSTRACT The objective of this paper is to define the atmospheric structure for the days during which stratus () clouds are observed in Pelotas. The frequency of the days with clouds was analyzed. The biggest frequency of these clouds occurred during the cold months of the year (from May to October). The convective available potential energy (CAPE) of the atmosphere was calculated. The temperature and humidity vertical sections were classified for the days which presented these clouds. Patterns of the atmospheric vertical structure were elaborated and it was then determined a typical vertical structure for the formations of clouds. 1. INTRODUÇÃO As nuvens ratus () são nuvens de baixos níveis e os processos principais de formação das mesmas são o resfriamento do ar próximo da superfície e o processo de turbulência (Vasquez, 2000). O conhecimento sobre a formação e dissipação destas nuvens é imprescindível para a previsão do tempo e para a segurança do transporte, tanto rodoviário quanto aeronáutico. Para a previsão da probabilidade da formação de nuvens de baixos níveis e de nevoeiro, foi desenvolvido um sistema operacional para o Aeroporto de Melbourne, Austrália (ern, 2001). Os preditores utilizados neste sistema são os valores previstos dos seguintes parâmetros: temperatura do ponto de orvalho (prevista para 15 horas local), temperatura do ar (prevista para 15 horas local) e pressão (prevista para 9 horas local). No esquema também estão incluídos os dados observacionais sobre as nuvens (foram observadas ou não nuvens às 6 ou às 9 horas locais do dia anterior ao dia da previsão) e a situação sinótica associada. A estrutura do esquema de previsão das nuvens baixas e do nevoeiro, a qual será desenvolvida no National Weather Service, USA, está descrita em Gurka e Mosher (2001). Está previsto incluir neste esquema os dados climatológicos, a identificação das nuvens de baixos níveis e do nevoeiro usando-se dados de satélite e radar e, além disso, os resultados dos modelos numéricos. Num modelo de previsão de nuvens estratiformes e de nevoeiro de radiação, o qual foi desenvolvido para Alemanha, além dos parâmetros tradicionais, ou seja, distribuição horizontal do vento, temperatura potencial e umidade específica, foram incluídos dados sobre a vegetação (Bott, 2001). A interação entre os processos na camada limite e as correntes de ar úmido na camada de vegetação foi descrita em Siebert et al. (1992). O tempo de formação e de dissipação do nevoeiro e das nuvens baixas depende das características da vegetação. Bott (2001) acentuou que para a previsão das nuvens de baixos níveis é necessária a informação sobre os movimentos descendentes de grande escala. A subsidência de grande escala é o fator que controla a evolução das nuvens. Particularmente, o autor notou que movimentos verticais da ordem de 0,6 cm s 1 suprimem o desenvolvimento vertical das nuvens. Um modelo numérico da formação das nuvens sobre a superfície do mar foi desenvolvido por Bott et al. (1996). Os autores encontraram pouca informação sobre as nuvens no Brasil. Pelos dados de Fedorova et al. (2002a) a quantidade de dias com precipitações fracas associadas a nuvens variaram de 14 durante nove meses de um ano de La Niña até 19 durante a mesma quantidade de meses de um ano de El Niño. Os valores e a variação da precipitação total mensal e da precipitação média mensal de cada chuva, associados às nuvens, foram pequenos. As precipitações associadas com estas nuvens não ultrapassaram 4,3 mm/24h nos anos de La Niña e de El Niño e 7,4 mm/24h no ano normal (2002b). O objetivo deste trabalho é o estudo da freqüência de desenvolvimento das nuvens no sul do Brasil e da estrutura vertical das mesmas. Um objetivo adicional é elaborar as primeiras recomendações para a previsão de curto prazo deste tipo de nebulosidade. 3514
2. MATERIAL E MÉTODOS XII Congresso Brasileiro de Meteorologia, Foz de Iguaçu-PR, 2002 Especialmente para a realização deste trabalho foram observadas as nuvens ocorridas na cidade de Pelotas RS, na estação meteorológica do Centro de Pesquisas Meteorológicas (CPMET) da UFPEL durante um período de 4 anos ( de agosto de 1997 a julho de 2001). Os dados do modelo NCEP (National Center for Environmental Prediction, Washington) são básicos para a elaboração da previsão de tempo pelos meteorologistas do CPMET. Utilizando os dados deste modelo para 12 TMG nos níveis padrões de 1000 hpa até 300 hpa, foram construídos perfis verticais de temperatura e umidade para os dias em que foram observadas as nuvens para a cidade de Pelotas. A elaboração do perfil vertical simulado foi feito devido à ausência de radiossondagem em Pelotas e, por outro lado, devido à utilização diária dos dados do modelo NCEP para elaboração da previsão de tempo. Para todos os perfis verticais foi calculada a energia potencial de convecção ou energia de instabilidade (CAPE, convective available potential energy, Bluestein, 1993, Vasquez, 1994 e Dusan, 1995) pelo método descrito em Fedorova e Khan (1999). As passagens das frentes foram verificadas por imagens de satélite no canal infravermelho, da mesma maneira como foi descrito em Fedorova e Carvalho (2000). 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1 Freqüência das nuvens durante o ano Os dados da tabela 1 mostram que as nuvens, durante todos os anos, foram observadas, em média, por mês, em 13% dos dias analisados. Estas nuvens foram registradas um pouco mais freqüentemente nos meses de maio e outubro (em 19 e 17% dos dias analisados por mês, respectivamente). Nos meses frios do ano (de junho a setembro) a mesma freqüência foi bastante estável com 14% por mês. Além disso, uma freqüência bastante alta foi registrada no mês de janeiro. A freqüência das nuvens para cada mês de todos os anos analisados está apresentada na tabela 2. Estes dados mostram que esta freqüência varia muito de um ano para outro e de um mês para outro, ou seja, de zero (em vários meses) até 43% no mês de abril de 1998. No mesmo ano, em geral, foi registrada uma freqüência maior de nuvens (as nuvens foram observadas em 20% dos dias analisados) do que nos outros anos. Estas nuvens foram observadas mais raramente no ano de 2000 (em 7% dos dias analisados). A menor variação da freqüência das nuvens de um ano para outro para o mesmo mês foi observada nos meses de julho ( de 6% no ano de 2000 até 19% no ano de 2001), de setembro ( de 10% no ano de 2000 até 20% no ano de 1997) e de dezembro ( de 0% no ano de 2001 até 10% no ano de 1997). A maior variação da mesma foi nos meses de janeiro, fevereiro, março e abril com o máximo variação em abril ( de 0% no ano de 2001 até 43% no ano de 1998). Tabela 1 - Freqüência das nuvens durante todos os anos analisados. D é a quantidade de dias com nuvens, DD é a quantidade de dias com observações F é a freqüência (em porcentagem relativamente aos dias com observações) das nuvens por mês. Mês D DD F 1 18 118 15,2 2 10 102 9,8 3 10 124 8,1 4 17 120 14,2 5 19 101 18,8 6 18 119 14,5 7 18 124 14,5 8 18 124 14,5 9 17 120 14,2 10 21 123 17,0 11 11 117 9,4 12 5 117 4,3 182 1409 12,9 3515
Tabela 2 - Freqüência de nuvens durante os anos analisados. As abreviações são como na tabela 1. Mês 1997 1998 1999 2000 2001 D DD F D DD F D DD F D DD F D DD F 1 - - - 5 31 16,1 9 25 36,0 4 31 12,9 0 31 0,0 2 - - - 9 26 34,6 0 24 0,0 1 24 4,2 0 28 0,0 3 - - - 10 31 32,3 0 31 0,0 0 31 0,0 0 31 0,0 4 - - - 13 30 43,3 2 30 6,7 2 30 6,7 0 30 0,0 5 - - - 8 31 25,8 2 8 25,0 2 31 6,4 7 31 22,3 6 - - - 2 30 6,7 4 30 13,3 2 30 6,7 10 29 34,5 7 - - - 6 31 19,4 4 31 12,9 2 31 6,4 6 31 19,4 8 7 31 22,3 7 31 22,6 4 31 12,9 0 31 0,0 - - - 9 6 30 20,0 4 30 13,3 4 30 13,3 3 30 10,0 - - - 10 5 31 16,1 5 30 16,7 3 31 9,7 8 31 25,8 - - - 11 7 30 23,3 2 27 7,4 2 30 6,7 0 30 0,0 - - - 12 3 31 9,7 1 24 4,2 1 31 3,2 0 31 0,0 - - - 28 153 18,3 72 352 20,4 35 332 10,5 24 361 6,6 23 211 10,9 3.2 Análise da estrutura dos perfis verticais de temperatura e umidade associados às nuvens Os perfis verticais de temperatura e umidade, construídos para os dias com nuvens foram divididos em três grupos de acordo com a distribuição das camadas úmidas e a estabilidade do ar em baixos níveis da atmosfera (figuras 1, 2 e 3). A quantidade de casos de cada grupo foi 28, 29 e 5, respectivamente. No primeiro grupo foram incluídos os casos com atmosfera úmida e condicionalmente instável. Os casos com atmosfera estável nos baixos níveis da atmosfera foram incluídos no grupo II. Os casos dos grupos I e II tinham CAPE+ somente em baixos níveis da atmosfera ou não a tinham. Os casos restantes tinham CAPE+ em médios e altos níveis ou em toda a atmosfera e por este motivo foram agrupados (grupo III). Uma descrição mais detalhada será apresentada abaixo. Os perfis do primeiro (I) grupo foram divididos em três subgrupos (figura 1): subgrupo Ia (13 casos) apresenta altos valores de umidade (T-Td < 3 o C) e pequenos valores de CAPE+ (em média 40 J/Kg) em baixos níveis da troposfera (até, em média, 871 hpa); subgrupo Ib (10 casos) apresentava camadas úmidas (T-Td < 3 o C) um pouco mais altas do que as mesmas dos perfis do grupo Ia, ou seja, até 828 hpa; o perfil em geral foi semelhante àquele do grupo Ia, mas não foi registrada CAPE+; subgrupo Ic (5 casos) mostra perfis parecidos com os do grupo Ib, com exceção de que o ar em baixos níveis apresentava-se um pouco mais seco (3< T-Td < 6 o C). 3516
a). b). c). Figura 1 Esquemas de perfis verticais de temperatura e umidade do grupo I: a) subgrupo Ia, b) subgrupo Ib e c) subgrupo Ic. Os números no quadrado cinza são os valores máximos de T-Td; os números sem quadrados são a altura (em hpa) da camada úmida. A área em cinza escuro é a região de CAPE+. Os perfis do segundo (II) grupo (figuras 2a e b) foram divididos em dois subgrupos de acordo com a estabilidade em baixos níveis da troposfera: subgrupo IIa (5 casos) apresentava ar úmido (T-Td 1 o C) somente à superfície e camadas de isotermia até 925 hpa; subgrupo IIb (24 casos) mostrou inversão de temperatura na camada superficial até 1000 hpa e ar bastante úmido (T-Td < 5 o C) até, em média, 645 hpa. Figura 2 Esquemas de perfis verticais de temperatura e umidade dos grupos II e III: a) subgrupo IIa, b) subgrupo IIb e c) grupo III. Os números nos quadrados são as alturas da camada de inversão; o número sublinhado é a base da área de CAPE+; as outras abreviações são como na figura 1; 3517
Os perfis do terceiro (III) grupo (figura 2c), como já foi citado anteriormente, apresentavam valores significativos de CAPE+ (em média, 311 J/Kg, tabela 3) e áreas com CAPE+ foram registradas em médios e altos níveis da troposfera (acima de, em média, 750 hpa). Em altos e/ou médios níveis da troposfera foram observadas, também, camadas de ar mais úmido (5 o C<T-Td<7 o C ). É importante enfatizar que em todos os dias com perfis verticais dos tipos IIa e III foram observadas, de manhã, nuvens Ci e/ou As, as quais posteriormente foram substituídas por e estavam associadas com a passagem de frentes. Tabela 3 - Dias com nuvens, durante os quais foi observado o perfil vertical da troposfera do grupo III; os valores de CAPE+ e os níveis (N), acima dos quais foram registrados estes valores de CAPE. Dias CAPE+ (J/Kg) N (hpa) 24.11.1997 317,3 700 06.11.1998 114,4 540 21.12.1998 285,4 910 05.01.1999 429,3 800 14.01.2000 410,4 800 Médias 311,4 750 4. CONCLUSÕES As seguintes informações podem ser utilizadas para a previsão de curto prazo de nuvens : as nuvens podem ser desenvolvidas durante todos os meses do ano; a quantidade máxima de dias com estas nuvens por mês, observada no período estudado, foi 13; elas se formam mais regularmente nos meses frios do ano (de maio até outubro); na maioria dos casos associados com nuvens, a estrutura vertical da troposfera apresenta uma inversão de temperatura na camada superficial até 1000 hpa e ar bastante úmido (T-Td < 5 o C) até 640 hpa; mais raramente, a estrutura vertical da troposfera apresenta altos valores de umidade (T-Td < 3 o C), ar condicionalmente instável e pequenos valores de CAPE+ até 870 hpa; uma seção vertical da troposfera, associada às nuvens, pode não apresentar valores de CAPE+ em baixos níveis e, nestes casos, o ar úmido e condicionalmente instável estende-se para níveis mais altos, do que nos casos com CAPE+, ou seja, até 830 hpa; camadas de isotermia até 925 hpa, ar muito úmido (T-Td 1 o C) à superfície e, também, uma estrutura vertical da troposfera com CAPE+ acima de 750 hpa foram associadas com a entrada e passagem de frentes, quando de manhã foram observadas nuvens Ci e/ou As, as quais posteriormente foram substituídos por ; 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pelo suporte para o desenvolvimento deste trabalho. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BOTT, A. PAFOG A new efficient forecast model of radiation fog and low level stratiform clouds. In: 2 nd International Conference on Fog and Fog Collection. Anais...Canada, 529-533, 2001. BOTT, A., TRAUTMANN, T., ZDUNKOWSKI, W. A numerical model of the cloud-topped planetary boundarylayer: radiation, turbulence and spectral microphysics in marine stratus. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 122, 635-667, 1996. BLUESTEIN, H. B. Observations and theory of weather systems. In: Synoptic - dynamic meteorology in midlatitudes. Oxford: Oxford University Press, 1993, v. 2, 595p. 3518
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