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MACEIÓ 2013

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Universidade Federal de Alagoas para a obtenção do título de Bacharel em Meteorologia

Orientador Prof. Dra Maria Luciene Dias de Melo

MACEIÓ 2013

Dedico ao professor Dr. Manoel da Rocha Toledo Filho, ao eterno amigo Douglas Magalhães e aos meus pais.

Aos meus pais dona Marileide Damasceno de Oliveira e ao senhor Edmilson de Oliveira Lima, pela ajuda e paciência nessa longa caminhada de muita luta e que ainda não acabou.

Ao melhor professor de Geografia que já conheci o senhor Marcos Antônio Damasceno que além de ótimo profissional também é um excelente tio e amigo.

A minha Orientadora Dr a. Maria Luciene Dias de Melo, pela oportunidade e confiança em minha pessoa. Espero um dia poder retribuir a oportunidade dada.

Ao casal de professores Vladimir Levit e Natália Fedorova, professores por quem tenho um grande apreço, admiração e respeito.

A todos os amigos que fiz durante o curso e que direta ou indiretamente proporcionaram-me momentos de bastante descontração e solidariedade, pois todos se ajudavam dentro do possível. Em especial posso citar dois guitarristas que ingressaram junto comigo na turma de 2009: Aribert Walter Milhahn Júnior e Carlos Denyson da Silva Azevedo, amigos que espero sempre manter contato e trabalhar junto.

A todos os professores do Instituto de Ciências Atmosféricas da Universidade Federal de Alagoas – ICAT/UFAL que transmitiram seus conhecimentos e experiência.

“Disciplina é liberdade;

Compaixão é fortaleza;

Ter bondade é ter coragem.” Renato Russo

Neste trabalho foi feito um estudo sobre a sensibilidade do modelo BRAMS diante de dois sistemas sinóticos: Frente Fria e VCAN. Entre os dias 03 e 08 de novembro de 2011 foi analisado o Sistema Frontal e entre 19 e 20 de Janeiro de 2012 analisou-se o Vórtice Ciclônico, este estudo foi voltado para a cidade de Maceió e regiões adjacentes. O primeiro evento caracterizou-se por precipitações de baixa intensidade, mas de longa duração, enquanto que o segundo sistema destacou-se pela alta intensidade em poucas horas de precipitação. Para testar a sensibilidade do modelo foram utilizadas as parametrizações de convecção profunda de Kuo e Grell, além dos fechamentos de Arakawa & Schubert (AS), Kain Fritsch (SC) e Grell (GR). Os resultados foram avaliados por meio de campos meteorológicos, gráficos, histogramas, tabela de contingência e tabela de correlação entre o previsto e o observado. Os campos meteorológicos apresentaram-se bem na determinação do sistema frontal, o que não ocorreu muito bem no VCAN, os gráficos de temperatura apresentaram ótimos resultados, sendo que com a parametrização de Kuo encontraram-se grandes erros. Os histogramas não foram muito eficientes, onde o observado e o previsto ou não ocorriam no mesmo horário e, ou superestimava ou subestimava o total precipitado. Das duas parametrizações a de Grell ficou caracterizada por superestimações e a de Kuo por Subestimações. Mesmo assim, pode-se afirmar que a parametrização de Grell simulou melhor a precipitação nos dois sistemas atuantes. A tabela de contingência foi uma ferramenta que mostrou resultados excelentes, onde todas as simulações previram chuva e foi observada chuva na estação. A tabela de correlação apresentou resultados muito bons quando avaliadas Temperatura do ar e Umidade Relativa do ar, o que não ocorreu bem com a precipitação que apresentou correlação quase nula.

Palavras-chave: Brams. Kuo. Grell.

parameterization had the better results in the two cases synoptics

In this work was done a study about the sensibility of model BRAMS to two cases of synoptic system: Frontal System and Cyclonic Vortex. Between the days 03 and 08 of november in 2011 was analyzed the Frontal System and between the days 19 and 20 of january the Cyclonic System. This research was to Maceió city and nearby regions. The first event had precipitation with low intensity, but of long time, whereas the second system show high intensity with great rate of preciptation in a short time. To test of model were used the Parameterization of deep convection of Kuo and Grell, beyond of the closures of Arakawa & Schubert (AS), Kain Fritsch (SC) and Grell (GR). The results were evaluated through of meteorologic fields, graphics, histograms, contingency tables and correlation tables between the predicted and observed. The meteorological fields showed goods results to Frontal System while to the Cyclonic Vortex had poor results, the graphics of temperature showed goods results to Grell parameterization, the histograms or overestimated or underestimated the precipitation whereas Grell parameterization overestimated. The contingency table was excelent, very well in the research and correlation table was well to temperature and moisture, but bad to precipitation with correlarion almost near of zero. In this study, the Grell Keywords: Brams. Kuo. Grell.

LISTA DE QUADROS Quadro 1 – Quadro de determinação da contingência ................................................................38

12:00UTC, satélite GOES e METEOSAT20

Figura 1 – Sistema frontal sobre o Estado da Bahia e regiões adjacentes no dia 04/1/201 às

12:00UTC, satélite GOES e METEOSAT20

Figura 2 – Vórtice Ciclônico de Altos Níveis atuando sobre o NEB no dia 16/01/2012 às

Dinâmico; Controle Estático e Retroalimentação26

Figura 3 – Esquema da regeneração das nuvens cúmulus a partir de três parâmetros: Controle

convectiva de Kuo29

Figura 4 – Esquema do ciclo da umidade na convecção de cúmulus segundo a parametrização

resolução e b) 20 km de resolução36

Figura 5 – Resolução das duas grades estudadas neste trabalho; a) representa 60 km de

Para o dia 05/1/201, e f) Para o dia 07/1/20140

Figura 6 – Precipitação prevista pelo modelo BRAMS através das parametrizações de Grell e Kuo em relação para com a precipitação registrada na estação automática. a) Para o dia 03/1/201, b) Para o dia 05/1/201, c) Para o dia 07/1/201, d) Para o dia 03/1/201, e)

42

Figura 7 - Imagem de satélite do canal IR e os campos meteorológicos gerados pelo BRAMS utilizando a parametrização de GRELL. Todas as imagens são do dia 03/1/201 às 13:0 horas UTC ao nível de 1000mb; a) Canal infravermelho, b) Pressão atmosférica, c) Linhas de corrente,d) Velocidade e direção do vento, e) Divergência, f) Vorticidade

Figura 8 - Representação gráfica do perfil de precipitação em um VCAN atuando sobre a cidade de Maceió no dia 19 de janeiro de 2011; a) Grell com fechamento em Arakawa

Fristch (SC), d) Parametrização de Kuo4

Schubert (AS), b) Grell com fechamento em Grell (GR), c) Grell com fechamento em Kain

500mb45

Figura 9 - Campos meteorológicos do dia 20 de Janeiro de 2012 às 12UTC. (a) Linhas de corrente no nível de 200mb e (b) Linhas de corrente no nível de 500mb ambas geradas a partir dos dados de reanálise do NCEP/NCAR, (c) Imagem do canal IR dos satélites Goes e Meteosat, (d) Linhas de corrente no nível de 200mb e (e) Linhas de corrente no nível de 500mb ambas geradas pelo BRAMS, (f) Divergência do vento no nível de

47

Figura 10 – Temperatura do ar a 2 metros do solo obtida a partir do modelo BRAMS utilizando as parametrizações de Grell e Kuo com relação aos dados de temperatura da estação automática, a) Para o dia 03/1/201, b) Para o dia 05/1/201, c) Para o dia 07/1/201, d) Para o dia 03/1/201, e) Para o dia 05/1/201 e f) Para o dia 07/1/201

Figura 1 – Temperatura do ar a 2 metros do solo e Umidade Relativa, entre os dias 19 e 20 de janeiro de 2012. a) Temperatura do ar da estação automática de Maceió e a prevista por todas as parametrizações, b) Umidade relativa da estação automática de Maceió e a prevista por todas as parametrizações utilizadas....................................................................................48

Tabela 1 – Contingência do modelo para o sistema frontal43
Tabela 2 – Contingência do modelo para o VCAN46
VCAN49

Tabela 3 – Correlação entre a temperatura prevista e a observada mediante a atuação do

VCAN49

Tabela 4 – Correlação entre a umidade relativa prevista e a observada mediante a atuação do

VCAN49

Tabela 5 – Correlação entre a chuva prevista e a observada mediante a atuação do

sistema frontal50

Tabela 6 – Correlação entre a precipitação prevista e observada mediante a atuação de um

Tabela 7 – Correlação entre a temperatura prevista e a observada na atuação de um sistema frontal ......................................................................................................................................50

CCMComplexos Convectivos de Mesoescala

ATMET Atmospheric Meteorological and Enviroment Tchnologies BRAMS Brazilian Regional Atmospheric Modeling System CPTEC/INPE Centro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos do Instituto

Pesquisas Espaciais

FINEP Finaciadora de Estudos e Projetos IAG/USP Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas da

Universidade de São Paulo

IME Instituto de Matemática e Estatística da Universidade de São Paulo INMET Instituto Nacional de Meteorologia METEOSAT Meteorological Satellite NCEP National Center for Enviromental Prediction NCAR National Center for Armospheric Research NEB Nordeste Brasileiro OL Ondas de Leste POAS Pertubações Ondulatórias dos Alísios RAMS Regional Atmospheric Modeling System SF Sistema Frontal SIRMAL Sistema de Radar Meteorológico de Alagoas UTC Universal Time Coordinated VCAN Vórtice Ciclônico de Altos Níveis WRF Weather Research and forecaste ZCIT Zona de Convergência Intertropical ZCAS Zona de Convergência do Atlântico Sul

1 INTRODUÇÃO15
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA17
2.1 Principais sistemas causadores de precipitação sobre o nordeste17
2.2 Sistemas frontais17
2.3 Vórtices ciclônicos18
2.4 Atuação dos sistemas frontais e VCANs nas imagens de satélite19
2.5 Brazilian regional atmopheric modeling system (BRAMS)21
2.6 Parametrizações Cúmulus2
2.6.1 Parametrização de Kuo23
2.6.2 Parametrização de Grell28
2.6.2.1 Controle Estático29
2.6.2.2 Retroalimentação32
2.6.2.3 Controle Dinâmico3
3 MATERIAIS E MÉTODOS35
3.1 Dados de entrada do modelo35
3.2 Resolução e aninhamento das grades no BRAMS35
3.3 Sistemas estudados36
3.3.1 Sistema Frontal36
3.3.2 Vótice Ciclônico em Altos Níveis36
3.4 Calibração do modelo37
3.5 Software e computador utilizado37
3.6 Dados de superfície e interpretação dos resultados37
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES39
4.1 Análise da precipitação39
4.1.1 Sistema Frontal39
4.1.2 Vórtice Ciclônico43
4.2 Análise da temperatura do ar46
4.2.1 Sistema Frontal46
4.2.2 Vórtice Ciclônico48
4.3 Correlação entre os dados previstos e os observados49
5 CONCLUSÕES50

SUMÁRIO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..................................................................................52

15 1 INTRODUÇÃO

se necessária a contínua evolução desta área por meio de pesquisas

A importância e a necessidade de ter-se previsões de tempo cada vez mais precisas, beneficia vários setores da sociedade como é o caso: (a) da aviação, que possibilita uma maior segurança aos voos por ser possível elaborar diferentes rotas baseando-se nas condições atmosféricas, e ainda dar maior confiabilidade a eventuais pousos e decolagens que ainda hoje são um dos gargalos do setor; (b) agricultura é outro campo da sociedade que está intimamente ligada à previsão do tempo, uma previsão precisa pode diminuir gastos desnecessários oriundos, por exemplo, da perda total de agrotóxicos que devido a uma precipitação logo após a sua aplicação é arrastado para o solo contaminando-o, e (c) a população em geral, pois avisos meteorológicos sobre precipitações intensas, facilita o trabalho da defesa civil, proporcionando uma evacuação dos moradores que residem em áreas consideradas de risco, áreas geralmente íngremes que localizam-se em morros ou barreiras e seus ocupantes também possuem em comum a condição de pobreza e desprezo por parte do poder público. As aplicações da meteorologia para sociedade são inúmeras e desta forma faz-

A previsão do tempo pode ser feita por diferentes métodos, dentre eles, esta a previsão numérica do tempo (PNT) que atualmente é considerada a principal ferramenta dos meteorologistas na elaboração de boletins meteorológicos. A previsão numérica é feita através de simulações em modelos computacionais (BRAMS, ETA, WRF, dentre outros).

Devido à escassez de trabalhos utilizando o modelo BRAMS no Estado de Alagoas há uma necessidade de se fazer simulações que permitam encontrar qual a melhor calibração dentre as parametrizações disponíveis no modelo para o Estado. Segundo Coutinho (2006), quando ativada a parametrização de GRELL sobre o Nordeste Brasileiro (NEB) o modelo conseguiu representar de forma satisfatória os dados observados e que de maneira geral, o BRAMS obteve boas simulações dos fenômenos meteorológicos em escala espacial e temporal.

Devido à alta complexidade dos modelos de prognóstico atmosférico, torna-se dificultoso, senão impossível, isolar erros causados pela parametrização cúmulus de erros causados por outros componentes do modelo. Uma maneira qualitativa de contornar esse problema é testar os esquemas diagnosticamente, observando a correlação entre a atividade convectiva (medida em termos de precipitação pluvial) e várias propriedades como convergência de umidade e instabilidade (Alonso, 2006).

Sendo assim, o objetivo geral deste trabalho é testar as parametrizações de convecção profunda ativadas no modelo BRAMS, para região do Estado de Alagoas, com ênfase em sua capital. E comparar os resultados com dados de superfície a fim de verificar qual parametrização sugere melhores resultados para a região de estudo.

Objetivos Específicos:

I – Avaliar os campos meteorológicos gerados pelo modelo e compará-los aos dados de reanalise do NCEP/NCAR, identificando a atuação e o posicionamento dos sistemas sinóticos escolhidos.

I – Identificar qual das parametrizações (Kuo ou Grell) apresenta melhores resultados para os sistemas escolhidos.

17 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Principais sistemas causadores de precipitação sobre o nordeste

No Nordeste Brasileiro (NEB) durante todo o ano ocorrem precipitações, estas algumas vezes chegam a causar prejuízos em vários setores da sociedade, o que comumente pode ser chamado de um evento extremo. Os principais sistemas atmosféricos atuantes são: La Niña (Nobre e Shukla, (1996); Nóbrega et al., (2000); Mendonça e Danni-Oliveira, (2007)), Zona de Convergência Inter Tropical(ZCIT) (Cavalcanti, (2009) e Melo e Cavalcanti, (2009)), Vórtices Ciclônicos de Altos Níveis(VCAN) (Ferreira, Ramírez e Gan, (2009)), Distúrbios Ondulatórios de Leste (DOLs) (Machado et al., (2009); Cavalcanti, (2009); Nóbrega, (2010); Varejão-Silva (2005)), Sistemas Frontais e Complexos Convectivos de Meso-Escala (CCM) (Velasco e Fritsch, (1987); Machado et al, (1994); Bonatti e Rao, (1987); Frank, (1983); Silva Dias, (1987)). Dentre os acima citados, neste trabalho enfatizar-se-á os Sistemas Frontais e os Vórtices Ciclônicos que estão sempre associados a fortes precipitações.

2.2 Sistemas frontais

Um mecanismo importante de produção de chuva para o sul do Nordeste (SNE) e para oeste do Nordeste (WNE) é a penetração de sistemas frontais, ou seus resquícios, entre as latitudes de 5°S e 18°S. A penetração até latitudes equatoriais ocorre mais frequentemente no inverno do Hemisfério Sul (HS). Oliveira (1986), através de uma climatologia usando imagens de satélites geoestacionários entre 1979-1984, verificou que os sistemas frontais frequentemente se associam e interagem com convecção tropical, embora nem todos os sistemas frontais o façam com a mesma intensidade. Há uma variação mensal no número de eventos de associação de sistemas frontais com a convecção. Para haver forte interação entre os sistemas frontais e a convecção, parece ser necessário que os sistemas frontais apresentem ampla penetração continental, sendo a região entre 15° S e 25°S uma das regiões preferenciais para essas ocorrências. Durante a primavera-verão do HS, os sistemas frontais se posicionam preferencialmente sobre a parte central do continente sul-americano, com seu eixo no sentido NW-SE, de inclinação variável, criando uma zona de convergência de umidade que, posteriormente, foi denominada zona de convergência do Atlântico Sul (ZCAS). O deslocamento da ZCAS para 12°-15°S, e sua permanência com atividade intermitente, causa a estação chuvosa (novembro a março) do SNE. Entre abril e julho, observou-se que a uma zona de convergência se instala sobre a costa leste do NE (ZCEN) e constitui-se no mecanismo dinâmico mais importante para a produção de chuvas sobre o ENE, que apresenta seus quatro meses mais chuvosos nesse período. A umidade, que converge sobre o continente e alimenta a ZCEN, é originada no Atlântico Sul e, se as temperaturas da superfície do mar(TSM) apresentarem anomalias positivas, como geralmente ocorre nos anos chuvosos, o transporte de umidade é maior e a ZCEN mais intensa. A estrutura vertical da ZCEN, a julgar pelas imagens de satélites e sondagens do AMSU(Unidade Avançada de Sondagem em Microondas), é rasa (até 700 hPa), ocasionalmente apresentando um cavado fraco em níveis médios, que se posiciona na direção NW-SE, sobre a região costeira. Existem duas hipóteses de formação da ZCEN. A primeira hipótese é que ZCEN nada mais seja que a ZCAS deslocada para latitudes baixas, já que a ZCIT começa a se dirigir para o HN a partir de abril, porém de estrutura vertical rasa. Nesse caso, de acordo com Gan (1999), para a ZCEN se formar, seria necessária a penetração de uma frente fria, ou um cavado em altos níveis, para organizar a convecção tropical. O cavado em baixo nível atuaria para manter a convecção estacionária e o mecanismo CISK (Instabilidade Condicional de Segunda Ordem) manteria a convecção por um período maior. A segunda hipótese é que a ZCEN seja resultante da interação da convecção tropical e convergência de umidade, transportada pelos Alísios, em baixos níveis que aconteceria preferencialmente nesse período (MOLION e BERNARDO, 2002).

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