Análise da ocorrência de um evento de precipitação extrema em São Paulo com o Modelo Operacional WRF em três grades aninhadas. Fabiani Denise Bender 1, Mercel José dos Santos 1, Rita Yuri Ynoue 1 1 Departamento de Ciências Atmosféricas IAG/USP e-mail: fabianid@model.iag.usp.br Resumo: Neste trabalho é apresentada a avaliação das previsões geradas pelo modelo operacional WRF instalado no IAG/USP em três grades aninhadas, para um evento de extremo de precipitação para o estado de São Paulo, que ocorreu no dia 28/02/2011. Para essa avaliação, o modelo foi integrado por 72 horas desde o dia 26/02/2011-00Z até 28/02/2011-00Z. Sendo a avaliação realizada com relação à temperatura e a precipitação. Abstract: This work presents the evaluation of forecasts generated by the operational WRF model installed in the IAG / USP in three nested grids for an extreme rainfall event in Sao Paulo state, which took place on 28/02/2011. For this assessment, the model was integrated for 72 hours from the date 26/02/2011-00Z up 28/02/2011-00Z. The evaluation was made with temperature and precipitation. 1. Introdução Eventos meteorológicos extremos têm grande importância para a sociedade, tendo em vista o potencial de danos que os mesmos podem causar a atividades humanas. Ao atingir a região metropolitana de São Paulo (RMSP), as precipitações intensas podem provocar enchentes, inundações, desabamentos e consequentemente mortes (Pereira Filho e Barros, 1998). Desta forma, é muito importante o alerta à população e adoção de medidas que minimizem os possíveis danos que eventos extremos possam causar. O comportamento dos modelos pode variar dependendo da estação do ano, da região, do horário inicial de integração, da resolução do modelo, e também da quantidade de observações assimiladas pelas análises. Além disso, observa-se que para certos eventos os modelos apresentam baixa qualidade, podendo subestimar ou superestimar intensidades, posicionar de maneira incorreta sistemas, entre outras. Sabendo-se da importância de conhecer a destreza dos modelos numéricos, este trabalho visa avaliar a habilidade da previsão do modelo operacional WRF do IAG/USP em três grades aninhadas de diferentes resoluções, para um evento de ocorrência de extremo de precipitação no intuito de oferecer uma previsão com maior/melhor confiabilidade/qualidade, uma vez que a precipitação intensa destaca-se como o principal fenômeno adverso do estado de São Paulo.
2. Objetivos Com o objetivo de avaliar a influencia da resolução espacial na habilidade da previsão do tempo gerada pelo modelo operacional WRF instalado no IAG/USP, é avaliada a previsão de um evento de extremo de precipitação para o estado de São Paulo (com relação às variáveis de temperatura e precipitação), gerada por três grades aninhadas de resolução diferente. 3. Material e Métodos Neste trabalho foi utilizado o modelo regional WRF, versão 3.1.1, no modo hidrostático, em três grades aninhadas (Figura1); o primeiro domínio (D1), com resolução horizontal de 50 km, com 110 x 148 pontos de grade (leste/oeste x norte/sul); o segundo domínio (D2) de 16,6 Km com 85 x 71 pontos de grade; o terceiro domínio (D3) com resolução horizontal de 5,5 Km, com 180 x 130 pontos de grade. Ambos com 27 níveis na vertical. As previsões são realizadas diariamente, com condições iniciais/fronteira fornecidas pela previsão do modelo global GFS (Global Forecast System), das 00Z, com resolução espacial de 1ºx1º de latitude/longitude e resolução temporal de 3 em 3 horas, e com 72 horas de integração. Os esquemas de parametrização utilizados para as três grades foram os seguintes: a) microfísica: WSM-3; b) cumulus: Grell-Devenyi; c) Radiação de ondas curtas/longas: RRTM/Dudhia; d) camada limite superficial: Monin-Obukhov; e e) superfície: Noah. O período de estudo compreende a ocorrência de um evento de extremo de precipitação para o Estado de São Paulo, que configurou no dia 28 de fevereiro de 2011. A determinação deste extremo foi baseado na metodologia de Santos e Ynoue (2011), em que são analisados dados de precipitação diária do Climate Prediction Center (CPC), para o estado de São Paulo, no período de 1 de janeiro de 1979 a 2011. A caracterização de evento extremo foi baseada no limiar correspondente ao percentil de 95, sendo usada a densidade de ocorrência de extremo (baseada em uma função densidade de probabilidade do tipo gama) para classificar os eventos de chuva extrema diária para o Estado de São Paulo, de modo que, o evento de precipitação diária foi considerado extremo somente se a chuva foi superior a 95% em pelo menos 18 pontos de grade. O estudo foi realizado com base em dados de estimativa de precipitação do satélite Tropical Rain Measuring Mission - TRMM e de temperatura da Rede de Meteorologia do Comando da Aeronáutica REDEMET, para sete cidades do Estado de São Paulo (Figura 2). Nesse estudo serão analisadas as saídas correspondentes aos três domínios. O modelo foi integrado por 72h desde 26/02/11-00Z até 28/02/2011-00Z. O índice utilizado com relação à variável de temperatura foi o erro, que é uma medida da dispersão entre o observado e o previsto (Wilks, 2006). 4. Resultados e Discussão Conforme pode ser observado na carta sinótica de superfície das 00Z do dia 28 de fevereiro de
2011 (Figura 3) do CPTEC, neste dia houve a configuração de uma Zona de Convergência do Atlântico do Sul (ZCAS), que teve influência principalmente entre o sul do Sudeste e do Centro-Oeste do Brasil. A previsão de acordo com o CPTEC para esse dia era de chuvas isoladas entre o leste e nordeste do estado de São Paulo. Na imagem de satélite GOES realçada (CPTEC-INPE) (Figura 4) é possível observar a presença de nuvens que atingem topo de (-70º C) (cor rosa) em uma região bem abrangente do sudoeste e parte do noroeste do estado de São Paulo das 02:30 UTC. Observando o campo de distribuição de precipitação observada pelo CPC e estimada pelo TRMM (Figuras 5 e 6 respectivamente) verificamos que o total acumulado para o dia 28/02 apresentou um padrão de distribuição espacial semelhante. No entanto, o TRMM com os maiores valores de acumulado para o setor nordeste do estado de São Paulo, enquanto que o CPC coloca os maiores valores de acumulado para o setor noroeste, norte e sudoeste do estado. Com relação à avaliação da variável de temperatura, na previsão para o dia 28/02, para as estações de Bauru, Campinas e Congonhas (gráficos omitidos), nas simulações do dia 26/02 (previsão de 48 horas de antecedência), 27/02 (previsão de 24 horas de antecedência) e 28/02, para as três grades simuladas, a temperatura é subestimada no período da madrugada e início da manhã e superestimada no período da tarde e noite. Sendo que o modelo não consegue detectar a ocorrência de precipitação. Para a estação de Guarulhos nas simulações dos dias 27 e 28/02 (Figura7 e 8), verifica-se um padrão do campo de temperatura simulada semelhante ao previsto nas estações de Bauru, Campinas e Congonhas, descrito acima. Observa-se aparentemente uma melhora na previsibilidade da temperatura quando esta é subestimada da grade do D2 em relação à grade do D3, porém com relação à grade de maior resolução D3, não foi observada uma melhora na previsibilidade da temperatura. Na simulação do dia 28/02 o modelo conseguiu detectar parte da precipitação que foi observada na estação, no entanto, não no volume total observado. Para a estação de Presidente Prudente observa-se um padrão de superestimativa/subestimativa da temperatura no início/fim do dia, sendo a precipitação prevista para o final do dia enquanto a mesma foi observada no início do dia. Para a estação de Ribeirão Preto, verifica-se uma subestimativa da temperatura para todos os horários nas previsões dos dias 26/02, 27/02 e 28/02, sendo que na simulação do modelo para as três grades, tem-se um campo de precipitação distribuído ao longo de todo o dia 28/02, porém a mesma foi observada apenas para as 00Z e 12Z. Na estação de São José dos Campos, verifica-se um padrão de subestimativa/superestimativa da temperatura para as 12 horas iniciais/finais do dia. A subestimativa da temperatura deve-se pelo fato do modelo prever chuva no período inicial, enquanto que a mesma não foi observada; a superestimativa das temperaturas deve-se em parte pelo fato do modelo errar na nebulosidade observada, sendo que a precipitação mesmo sendo detectada, acabou sendo subestimada nas três
grades simuladas. Quanto à resolução das grades, não ficou evidente a melhora da previsão com grades de maior resolução com relação à variável de precipitação, no entanto, para o campo de temperatura verificou-se uma melhora em algumas estações da grade do D2 com relação à grade do D1. 5. Conclusões Quanto à variável de temperatura, verifica-se uma modulação da mesma pela precipitação, sendo subestimanda nos casos em que o modelo previu precipitação e esta não foi observada e superestimanda nos casos em que o modelo não detectou a ocorrência da chuva. No entanto, como as estações da REDEMET não possam ter sido tão representativas para esse evento de extremo, mostra-se na figura 10-a), 10-b) e 10-c) o campo de distribuição espacial de precipitação para o dia 28/02 simulado pelo WRF para a grade do D1, para as simulações dos dias 26, 27 e 28 de fevereiro sendo que se observa que o modelo conseguiu prever o padrão de precipitação com 24 horas de antecedência, apesar de não ser previsto na mesma intensidade e na mesma distribuição espacial. No entanto, como se trata de uma previsão é importante ressaltar que uma das grandes dificuldades em previsão numérica do tempo está em prever corretamente eventos extremos. O modelo conseguiu prever a ocorrência da precipitação, porém não com a intensidade e local em que esta foi observada, de modo que um único evento não é significativo para avaliar a desempenho do modelo. 6. Agradecimentos: Os autores agradecem ao IAG-USP/ CNPq pelo apoio, e aos órgãos que disponibilizaram os dados utilizados neste estudo. 7. Bibliografia CPTEC Centro de previsão de tempo e estudos climáticos. PEREIRA FILHO, A. J.; BARROS, M. T. L. Flood warning system for megacities: a Brazilian perspective. In: International Conference on Hydrology in a Changing Environment, British Hydrological Society, 1998. SANTOS, M. J. dos; YONUE, R. Y. Variabilidade Espaço-Temporal dos Eventos Extremos Diários de Precipitação para o Estado de São Paulo. A ser publicado In: VI Simpósio de Climatologia, João Pessoa-PB, 2011. WILKS, D. S. Statistical Methods in the Atmospheric Sciences. 2. ed. San Diego: Academic Press, 2006.
Figura 1- Representação dos domínios de simulação. Figura 2 Estações da REDEMET nas quais foi realizada a comparação. Figura 3 - Carta sinótica de superfície das 00UTC do dia 28/02/2011 (CPTEC). Figura 4 - Imagem do satélite GOES para as 00Z do dia 28/02/2011 (CPTEC). Figura 5 Campo de distribuição espacial da precipitação do dia 28/02/2011 de acordo com os dados do CPC. Figura 6 - Campo de distribuição espacial da precipitação do dia 28/02/2011 de acordo com a estimativa do satélite TRMM. Figura 7 Erro da temperatura para a estação de Guarulhos para as três grades na simulação do dia 27/02/2011. Figura 8 Erro da temperatura para a estação de Guarulhos para as três grades na simulação do dia 28/02/2011. Figura 9 Precipitação observada (TRMM) e simulada no dia 28/02/2011 para as três grades na estação de Guarulhos. a) b) c) Figura 10 - Campo de distribuição espacial da precipitação acumulada para o dia 28/02 simulado nos dias a)-26/02, b)-27/02 c)- 28/02 pelo WRF para a grade do D1.