490 modelagem aninhada para a previsão de tempestades



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490 MODELAGEM ANINHADA PARA A PREVISÃO DE TEMPESTADES
José Paulo Bonatti (1) , Jorge Luís Gomes (1) , Sin Chan Chou (1) ,

Ana Maria Bueno Nunes (1) , Paulo Nobre (1) e Meiry Sayuri Sakamoto (2)

(1) Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos - CPTEC

(2) Fundação Cearense de Meterologia e Recursos Hídricos - FUNCEME


ABSTRACT
A hierarchy of limited area models are nested in the CPTEC/COLA atmospheric general circulation model in order to hindcast the heavy precipitation occurred over the eastern shore of Nordeste, with maximum rainfall over the city of Recife during 28-29/April/1996. The nested models are NCEP’s ETA model, Florida State University’s regional model, and the Regional Atmospheric Modeling System (RAMS) model. It is shown that the hindcasts generated by the ETA model are the only to capture both the intensity and phase of the heavy rainfall observed over Recife during the period of study. It is speculated that the remarkable performance of the ETA model is due in part to the assimilation of observations in the AGCM analyses, which is part of the initialization procedures of that model. The results shown suggest that nesting regional models in AGCM can be an economic and efficient strategy to generate regional severe weather forecasts.
1- Introdução
É implementado um conjunto de modelos aninhados para gerar previsões de tempo em escala regional a partir de previsões globais do modelo de circulação geral da atmosfera (MCGA) do CPTEC/COLA (Center for Ocean-Land-Atmosphere Studies) . Os modelos de área limitada usados neste trabalho são o ETA (NCEP - National Center for Environmental Prediction - USA), FSU (Florida State University) e RAMS (Regional Atmospheric Modelling System). O objetivo é o refinamento da previsão global para condições de tempo extremas como tempestades severas. O esquema é aplicado para o caso de chuva intensa que ocorreu em 28-29 de abril de 1996 sobre o litoral do Nordeste. O modelo global é utilizado com a resolução T62L28 a partir das condições iniciais dos dias 26, 27 e 28 de abril de 1996. São executadas previsões globais de até 6 dias, com saídas de 6 em 6 horas nos 3 primeiros dias. São intercomparados todos resultados para uma avaliação de performance dos vários modelos. Para o campo observado de precipitação acumulada de 24h é utilizada estimativa de precipitação inferida a partir de imagens no canal infra vermelho do satélite METEOSAT. O uso de satélites meteorológicos como fonte alternativa e suplementar de dados meteorológicos permite sejam feitas análises de sistemas meteorológicos, em circunstâncias nas quais medidas convencionais (pluviômetros, pluviógrafos, radares), quando existentes, não estão disponíveis nas resoluções temporal e espacial adequadas.
2. MODELOS REGIONAIS E ESTIMATIVA DE PRECIPITAÇÃO
O modelo regional ETA (Black, 1994), utilizado operacionalmente no CPTEC para fornecer previsões de tempo de curto prazo, permite resolução horizontal de 40km ou 80km, com 38 níveis na vertical. O domínio do modelo cobre grande parte da América do Sul. As fronteiras do domínio do modelo mais próximas da área de interesse, Nordeste do Brasil, estão posicionadas em aproximadamente 10oN e 27oW. O topo do modelo está posicionado em 50hPa. Uma das características deste modelo é a utilização da coordenada vertical eta (Mesinger, 1984) definida pela expressão:


onde P é a pressão atmosférica e ZS a altura da topografia. Os índices s,t e r se referem à superfície, topo e uma atmosfera de referência, respectivamente. A topografia do modelo é representada em formas de blocos cujos topos coincidem com as superfícies desta coordenada, que são aproximadamente horizontais. As análises do modelo global de 27/04/96 12:00 UTC foram utilizadas como condição inicial do modelo regional. A temperatura da superfície do mar é obtida a partir do valor médio da semana anterior. Este valor é mantido constante durante a integração do modelo regional. O albedo e umidade do solo são obtidos a partir de valores climatológicos. Previsões do modelo global de 6 em 6h foram utilizadas para atualizar as fronteiras laterais do modelo regional. O domínio do modelo possui duas fileiras de pontos nas fronteiras que são excluídas da integração. As previsões do modelo global são interpolados sobre a fileira mais externa. As tendências de 6h destas previsões são distribuídas linearmente durante o intervalo do período de atualização das fronteiras laterais. Não é aplicada difusão nas bordas, mas há um aumento no amortecimento da divergência.

O modelo regional FSU é utilizado com uma resolução horizontal em torno de 65 km na região tropical e 16 níveis verticais. Trata-se de um modelo hidrostático de equações primitivas com esquema de integração semi-lagrangiano e semi-implícito. Tem (=p/ps) como coordenada vertical e suas camadas estão distribuídas dos níveis 1.0 até 0.1. As variáveis são dispostas em grade C de Arakawa na horizontal e grade deslocada na vertical. Os processos físicos estão representados no modelo através de: parametrização da convecção profunda (esquema Kuo modificado) e da rasa; fluxos de momentum, calor sensível e umidade na camada superficial (entre =1.0 e 0.995) através da teoria da similaridade e difusão vertical acima da camada superficial pela teoria K com número de Richardson dependente dos coeficientes de difusão; parametrização da radiação de ondas curta e longa; balanço de energia na superfície para a determinação da temperatura do solo (modelo de duas camadas); parametrização da umidade do solo. O modelo dispõe de um esquema de iniciação dinâmica em modos normais. A condição de contorno pode ser fixa ou dependente no tempo com relaxação nas bordas. A descrição dos processos físicos e dos demais esquemas mencionados acima se encontra referenciada em Krishnamurti et al. (1990). A condição inicial do modelo regional FSU é obtida através da análise do modelo global para 27/04/96 12:00 UTC. As fronteiras laterais do modelo FSU são atualizadas a cada 6 horas a partir das previsões do mesmo modelo global. Uma região de 5 pontos é usada como esponja nas fronteiras.

Foi utilizado a análise do modelo global, de 27/04/96 12:00 UTC, como condição inicial do modelo RAMS (Pielke et al., 1992) e atualização em 5 pontos nas bordas, com as previsões de 6 em 6 horas do modelo global. O modelo RAMS foi integrado por 48 horas, com saídas de 2 em 2 horas, a primeira grade aninhada ao modelo global, centrada em Recife, tem uma resolução horizontal de 80Km com 35 níveis na vertical e 6 níveis de solo, a segunda grade aninhada, também centrada em Recife, possui uma resolução horizontal de 40Km com 35 níveis na vertical e 6 níveis de solo.

A estimativa de precipitação via satélite utiliza a técnica CST (Convective Stratiform Technique, Adler e Negri, 1988), baseada nas imagens do canal infravermelho do satélite Meteosat 5, setorizadas sobre o Nordeste do Brasil, com resolução espacial plena, e intervalo de uma hora. A técnica, começa por isolar todos os “pixels” numa imagem, com temperaturas inferiores a um limiar, fixado em 240 K. Estes pixels passam a ser considerados candidatos a núcleos convectivos, aplica-se um teste para discriminação de nuvens Cirrus não-precipitantes, através da diferença entre as temperaturas mínimas locais e a média dos seus 8 pixels vizinhos. Para uma dada temperatura, maiores gradientes indicariam regiões de convecção ativa ao passo que pequenos gradientes estariam associados à presença de nuvens Cirrus. Para os pixels que passaram por este teste, atribuem-se taxas de precipitação convectiva, baseadas nos resultados de um modelo unidimensional de nuvens. Aos pixels com temperatura menor do que o limiar, e que não foram eliminados na discriminação de Cirrus, e aos que não foram considerados convectivos, associam-se taxas de 2 mm/h, correspondentes à chuva estratiforme.



3 - ANÁLISE DOS RESULTADOS E CONCLUSÃO
A precipitação observada sobre Recife e arredores em 28-29/04/96 foi propiciada pela conjunção de vários fatores de escala sinótica: temperaturas da superfície do mar ao longo da costa do Nordeste anomalamente altas, a presença sobre a região dos remanescentes de uma frente fria cujo centro de baixa pressão já estava sobre o oceano e a chegada de um distúrbio de leste, favoreceram o desenvolvimento de aglomerados de cúmulos com grande desenvolvimento vertical, responsáveis pelas chuvas intensas sobre Recife. A imagem da precipitação acumulada no período entre 11:00 UTC do dia 28 às 10:00 UTC do dia 29/04/96 (Fig. 1), mostra um núcleo bem definido, com valores maiores do que 100 mm/dia. O comportamento da chuva observada nas 24 horas é de sistema convectivo. As chuvas do dia 28 parecem associadas a um distúrbio com deslocamento leste-oeste, no entanto as chuvas da madrugada do dia 29, bastante intensas, não apresentam essa característica.

A figura 2 mostra a previsão pelo modelo global de precipitação acumulada a cada hora sobre a região de Recife partindo de várias condições iniciais. Nota-se em todas as previsões que apenas a chuva entre o dia 27 e 28/04/96 foi prevista, enquanto que, para o dia seguinte, foi previsto chuvas bastante fracas.

As previsões de 24h do modelo regional ETA em ambas resoluções, mostram que próximo ao litoral, toda baixa troposfera, até aproximadamente 650hPa, se apresenta convectivamente instável. Valores de temperatura potencial equivalente em torno de 348K próximo à superfície indicam a presença de ar úmido e bastante aquecido. O movimento ascendente mostra-se mais concentrado ao longo do litoral. As previsões deste horário mostram uma extensa banda orientada aproximadamente na direção NNE-SSW com altos valores de CAPE, energia potencial convectiva disponível, se aproximando da costa do Nordeste. Um núcleo de 2800J/kg está presente nesta banda. Após 48h de integração, a previsão do modelo Eta/80 válida para 12UTC 29/4/96, produz precipitação total acumulada em 24h em torno de 30mm ao longo do litoral de Pernambuco. Apesar do total de precipitação ter sido bastante subestimado, o posicionamento do núcleo de maior intensidade previsto pelo modelo concorda com as observações. A previsão de precipitação do modelo Eta/40 (Fig. 3), por sua vez, produz núcleos que chegam a aproximadamente 180mm localizados no litoral. O padrão dos núcleos de precipitação bem concentrado ao longo do litoral e apresentando taxas extremamente altas indicavam a severidade da tempestade. A necessidade do aumento da resolução horizontal para melhor descrição da intensidade do sistema, sugere que o mecanismo que liberou a instabilidade possui dimensões de mesoescala.

O modelo FSU (Fig. 4) superestima a precipitação e apresenta núcleos acima de 200 mm deslocados para oeste em relação ao observado. O modelo tem apresentado, de modo sistemático, precipitação acima do valor registrado nas proximidades de regiões montanhosas. Pela figura 5 nota-se que o modelo RAMS subestimou a precipitação ocorrida na região de Recife, prevendo um núcleo de 60mm; o modelo também prevê um núcleo de 190mm mais ao sul, entre o litoral nordeste da Bahia e litoral sul de Sergipe, que não foi observado.

O aumento da resolução do modelo de previsão de tempo através do aninhamento de grades de resolução cada vez maiores mostrou ser, para o caso estudado, um método econômico, eficiente e necessário para a detecção de sistemas meteorológicos de pequena escala que produzem tempestades severa, principalmente com o modelo ETA. A maior habilidade do modelo ETA na previsão desse evento deve estar relacionada ao fato de que a sua condição inicial é reanalisada na grade mais densa fazendo uso de observações provenientes do sistema mundial de telecomunicações (GTS) e usando a análise do modelo global como ponto de partida; os modelos FSU e RAMS utilizam diretamente a análise do modelo global interpolada para a nova grade. Porém, ainda há que se melhorar a performance dos modelos de meso-escala, para sua utilização regional como mecanismos de alerta.

FIGURA 1 - ESTIMATIVA DE PRECIPITAÇÃO VIA SATÉLITE

INTERPOLADA E SUAVIAZADA (MÉTODO CST)


FIGURA 2 - PRECIPITAÇÃO EM RECIFE: PREVISÃO DO MODELO GLOBAL.


FIGURA 3 - PREVISÃO DE PRECIPITAÇÃO PELO MODELO ETA.




FIGURA 4 - PREVISÃO DE PRECIPITAÇÃO PELO MODELO FSU.


FIGURA 5 - PREVISÃO DE PRECIPITAÇÃO PELO RAMS.
Referências Bibliográficas

Adler, R. F., Negri, A. J., 1988: A Satellite Infrared Technique to Estimate Tropical Convective and Stratiform Rainfall. Journal of Applied Meteorology, 27(1): 30-51.

Black, T. L., 1994: The new NMC mesoscale Eta model: Description and forecast examples. Weather and Forecasting, 9: 265-278.

Krishnamurti, T. N., Kumar, A., Yap, K. S., Dastoor, A. P., Davidson, N. and Sheng, J.: 1990, Performance of a High-Resolution Mesoscale Tropical Prediction Model, Advances in Geophysics 32: 133-286.



Mesinger, F., 1984: A blocking technique for representation of mountains in atmospheric models. Riv. Meteor. Aeronautica, 44: 195-202.

Pilke, R. A.; Cotton, W. R.; Walko, R. L.; Tremback, C. J.; Lyons, W. A.; Grasso, L. D.; Nicholls, M. E.; Moran, M. D.; Wesley, D. A.; Lee, T. J. and Copeland, 1992: A Comprehensive Meteorological Modeling System - RAMS.
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