Em mesoescala, os efeitos são mais intensos, a presença de montanhas traz complexidade para o escoamento atmosférico e causa fenômenos como chuvas orográficas, o movimento ascendente localizado e forçado, bloqueio das frentes frias ou quentes, geração de ondas a sotavento da montanha, turbulência devido à quebra destas ondas, ventos foehn, jatos em baixos níveis, etc. Estes fenômenos dificultam a previsão próxima a essas regiões.
Eventos de chuva de alta intensidade em curto período ou de baixa intensidade em longo período podem igualmente causar grandes inundações e deslizamento de solos. Nos últimos anos, a capacidade dos modelos numéricos em prever tempestades severas tem aumentado permitindo o uso em simulações e previsões. A ocorrência da tempestade é geralmente indicada ou sinalizada pelos modelos, entretanto, a previsão da intensidade ou quantidade de chuva correta deste tipo de evento continua sendo uma das maiores deficiências dos modelos atmosféricos.
Os modelos para previsão de chuvas intensas devem representar o estado da arte e incluir processos físicos mais complexos e completos. O modelo Eta (Mesinger et al., 1988; Black, 1994) é vantajoso por utilizar a coordenada vertical eta (Mesinger, 1984), que trata adequadamente os problemas numéricos próximos de regiões com inclinação topográfica e em alta resolução espacial. Este modelo é também adequado para estudos de fenômenos atmosféricos de mesoescala, pois inclui os processos de microfísica de nuvens, os fluxos de água e energia à superfície com diferentes tipos de cobertura vegetal e tipos de solo, e efeitos não-hidrostáticos.
Romero et al. (2000) utilizaram o modelo MM5 para simular dois casos de chuvas intensas nas Montanhas Atlas na Espanha. Em um dos casos a liberação de calor latente e a orografia tiveram papel importante no aumento da precipitação, enquanto que no outro caso a orografia teve um papel inibidor.
Ducrocq et al. (2002) simularam casos de chuvas intensas com enchentes nas áreas montanhosas ao sul da França utilizando o modelo Meso-NH nas resoluções de 10 km e 2.5 km. O aumento da resolução produziu melhorias nas previsões de chuva no curtíssimo prazo. Notaram que a inclusão de observações, principalmente de umidade, de uma rede local nas condições iniciais produziram melhorias importantes.
Romero et al. (1995) realizaram simulações trocando o tipo de vegetação sobre a montanha e avaliou o desenvolvimento das ondas geradas, através da análise da energia cinética turbulenta, estrutura da onda e arrasto. Eles concluíram que para haver uma melhoria nas simulações e previsões do escoamento à superfície sobre montanhas é necessário um tratamento adequado da vegetação no cálculo do balanço de energia à superfície.
Gallus (1999) testou diferentes resoluções do modelo Eta para diferentes casos de eventos extremos de precipitação. Ele notou que os esquemas de convecção respondiam de forma variável em diferentes resoluções. A avaliação do desempenho do modelo Eta em resoluções horizontais de 40 e 20 km, e verticais de 38 e 50 camadas foi realizada por Rozante e Chou (2000). O aumento da resolução trouxe melhorias na qualidade das previsões. Os testes de aninhamento do modelo mostraram que as condições de contorno provenientes da análise ou das previsões do Eta não sofrem distorções no domínio aninhamento, mostrando o correto tratamento das condições de contorno lateral do modelo.
O emprego de maior resolução espacial para detectar os fenômenos extremos de chuva requer maior detalhamento da topografia e vegetação. Em regiões de topografia complexa, o aumento da resolução permite detectar as declividades do terreno. Nessas situações, os erros associados à coordenada vertical sigma, utilizada na maioria dos modelos numéricos, são realçados. A vantagem da coordenada Eta pode ser mostrada na experiência do NCEP, onde utilizam o Eta com resolução de 12 km em coordenada eta (Eta-12km), e o Eta com resolução de 8 km em coordenada sigma (WRF-8km). O desempenho das duas versões do modelo são equivalentes na região leste do continente Norte-americano, mesmo sendo Eta-12km de resolução mais baixa. Na região oeste que inclui as Montanhas Rochosas, o Eta-12km apresenta claramente melhor desempenho baseado no índice ”Equitable Threat Score” (Figura 2), apesar da resolução mais baixa.
Figura 2. Equitable Threat Score dos modelos do NCEP: Eta,
WRF (NMM) e o global do
NCEP (GFS), nas regiões oeste (figura superior) e
leste (figura inferior) dos Estados Unidos.
Quanto mais próximo de 1, melhor o índice
Equitable Threat Score
2.1 Objetivos
Este subprojeto tem por objetivos específicos:
1. Estudar as condições atmosféricas características dos eventos críticos na Serra do Mar através de simulações de configurações em alta resolução com o modelo de mesoescala Eta e de comparações com as condições observadas,
2. Investigar os principais mecanismos de mesoescala (levantamento orográfico, brisa marítima, tipo de solo e vegetação, circulação frontal) que podem determinar a alta instabilidade dos eventos críticos em experimentos numéricos com o modelo,
3. Estudar o ciclo diurno das condições atmosféricas associadas à formação dos sistemas convectivos,
4. Investigar a previsibilidade numérica através da previsão por conjunto.
Estes estudos revelarão a capacidade do modelo em reproduzir as situações de alto risco e assim fornecer o grau de previsibilidade de tais eventos.
2.2 Metodologia
A modelagem numérica atmosférica dos eventos utilizará o modelo de mesoescala Eta (Mesinger et al., 1988; Black, 1994). Este modelo é utilizado operacionalmente pelo CPTEC desde dezembro de 1996 para realizar as previsões de curto prazo. É um modelo em ponto de grade que utiliza como condição inicial a análise fornecida pelo NCEP (National Centers for Environmental Prediction) e como condições de contorno as previsões do modelo global CPTEC/COLA, atualizadas a cada 6 horas. As análises do NCEP também podem ser utilizadas para fins de simulações.
A topografia é atualmente resolvida na forma de degraus discretos. A coordenada vertical, definida por (Mesinger, 1984):
onde ηs = [pr(zS)-pT]/[pr(0) – pT], p é a pressão atmosférica. Os índices S e T se referem à superfície e ao topo da atmosfera, respectivamente. O índice r se refere ao valor da pressão de uma atmosfera de referência; zs é a altitude da superfície.
A coordenada vertical Eta se baseia em pressão, o que torna a superfície da coordenada aproximadamente horizontal. Esta característica da coordenada Eta reduz consideravelmente os problemas nos cálculos das derivadas horizontais próxima de região de montanha comum na coordenada sigma, e conseqüentemente os problemas relacionados com o termo importante da força do gradiente horizontal de pressão. Um novo esquema de escoamento do ar próximo à topografia será testado neste projeto.
O esquema de integração é por particionamento explícito (‘split-explicit’). Os termos de ajuste devido às ondas de gravidade são tratados pelo esquema ‘foward-backward’ modificado por Janjic (1979), e os termos de advecção são tratados pelo ‘Euler-backward’. O passo de tempo fundamental do modelo é o do ajuste, que equivale à metade do passo de tempo da advecção. O esquema de diferenças finitas no espaço emprega o método de Janjic (1984) que controla o falso escoamento de energia para as ondas mais curtas. A difusão horizontal é não-linear de 2a ordem. As variáveis prognósticas são: temperatura, umidade, vento horizontal, pressão à superfície, energia cinética turbulenta, umidade e temperatura do solo e hidrometeoros das nuvens.
O modelo possui complexa representação dos processos físicos que são tratados através de esquemas de parametrizações. As trocas turbulentas na vertical são resolvidas pelo esquema de Mellor-Yamada (1982) no nível de fechamento 2.5, onde a energia cinética é prevista. As trocas de energia à superfície se baseiam na teoria de similaridade de Monin-Obukhov e utilizam as funções de estabilidade de Paulson. O tratamento dos fluxos radiativos na atmosfera foi desenvolvido pelo Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL), sendo que radiação de onda longa se baseia no esquema de Lacis e Hansen (1974) e a radiação de onda curta se baseia no esquema de Fels e Schwarztkopf (1975). As taxas de aquecimento ou resfriamento devido aos processos radiativos serão calculados a cada hora de integração. As distribuições de dióxido de carbono, ozônio, e do albedo iniciais são retiradas da climatologia. A água no solo segue o esquema de Chen et al (1997). Este esquema é composto pelo acoplamento entre a formulação desenvolvida para a evapotranspiração de Penman, o modelo de múltiplas camadas de solo de Mahrt e Pan (1984) e o modelo para o dossel de Pan e Mahrt (1987). O modelo possui 4 camadas no solo e um mapa com 12 tipos de cobertura vegetal. A produção de chuva convectiva se baseia no esquema do tipo ajuste de Betts-Miller-Janjic (Janjic, 1994), neste esquema o perfil termodinamicamente instável é ajustado em direção a um perfil de referência. A chuva e as nuvens estratiformes do modelo são representadas pelo esquema de microfísica de nuvens (Ferrier, 2002) que trata de diferentes tipos de hidrometeoros. O modelo pode ser integrado no modo não-hidrostático, mais adequado para experimentos em alta resolução.
A temperatura da superfície do mar é atualizada diariamente pelo valor médio da última semana, na resolução de 1o X 1o latitude-longitude. Testes com a temperatura do mar de maior resolução serão realizados. A umidade do solo e o albedo são obtidos de climatologia.
O modelo tem sido avaliado para diferentes situações (Chou e Justi da Silva, 1999; Tippett e da Silva, 1999, Betts et al., 1997). Na América do Sul, o Eta do CPTEC, tem sido utilizado para estudos de tempo e clima como, por exemplo: jatos de baixos níveis (Saulo et al., 2000); trocas de massas de ar (Seluchi e Chou, 1999), vento Zonda (Chou, 1998 e Seluchi et al., 2003), processos de superfície (Chou et al, 2003), chuvas tropicais (Chou et al., 2004), etc.
Um conjunto de casos será preparado baseando-se no cadastro de eventos críticos da Secretaria do Meio Ambiente do Estado de São Paulo. A seguir serão listados os experimentos numéricos propostos neste projeto.
2.2.1 Experimentos de Configuração
do Modelo e Simulação de Riscos
O ambiente meteorológico de grande escala, onde o
sistema convectivo está embutido será analisado
pelo subprojeto “Características de grande
escala associados aos eventos extremos na Serra do Mar”.
Eventos críticos serão classificados em concordância
com as pesquisas daquele subprojeto. Por exemplo, alguns
eventos podem estar associados a passagem de frentes frias,
outros associados a sistemas convectivos locais, etc. Simulações
de altíssima resolução com o modelo
Eta serão produzidas para as diferentes classes dos
eventos. Serão realizadas integrações
de 72 horas, saídas a cada 3 horas, em diferentes
resoluções. As simulações em
diferentes resoluções acarretam no acionamento
diferenciado dos diversos processos físicos ou dinâmicos
do modelo. Gallus (1999) testou diferentes resoluções
do modelo Eta para diferentes casos de eventos extremos
de precipitação. Ele notou que os esquemas
convecção respondiam de forma variável
em diferentes resoluções. A avaliação
do desempenho do modelo Eta em resoluções
horizontais de 40 e 20 km, e verticais de 38 e 50 camadas
foi realizada por Rozante e Chou (2000). Neste projeto os
eventos serão simulados em 10, 5 e 1 km de resolução
na horizontal. O aumento da resolução vertical
se dará consistentemente. É desejável
o aumento da resolução vertical, entretanto
este aumento se reflete em grande custo computacional. A
configuração que fornecer a melhor relação
custo-benefício será buscada.
Na resolução de 5 km, ou 1 km, processos como
a parametrização de convecção
cúmulos e a aproximação hidrostática
têm a validade questionada, portanto os efeitos de
circulações não-hidrostáticas,
de processos convectivos e de microfísica de nuvens
serão avaliados através de experimentos numéricos
como foram realizados por Stein et al. (2000). Estes testes
deverão ser validados com os dados observacionais.
Os dados atualmente disponíveis possuem baixa freqüência
temporal e baixa densidade espacial. É recomendável
maior resolução temporal e espacial dos dados
observacionais para a calibração e validação
do modelo em alta resolução espacial. A instalação
de equipamentos de medição (SP. 6) está
sendo solicitada para apoiar este subprojeto.
2.2.2 Experimentos de Sensibilidade
Experimentos numéricos de desmatamento ou mudança
da cobertura vegetal em algumas regiões da Serra
podem mostrar os prováveis efeitos deste tipo de
ação sobre a circulação local
e, conseqüentemente, sobre os eventos críticos.
A alteração artificial da topografia da região
poderá revelar a importância dos efeitos orográficos
na geração e na intensidade dos eventos. Pradier
et al. (2002) encontraram alteração na posição
de uma linha de chuvas prevista pelo modelo de mesoescala
ao degradarem a resolução da topografia. Dereczynski
et al. (2000) notaram melhorias na previsão utilizando
uma topografia gerada a partir de dados de alta resolução
de topografia. Estes experimentos serão realizados
em conjunto com o subprojeto de modelagem hidrológica
para se avaliar os impactos destas mudanças no ambiente
e nos eventos escolhidos para estudo.
2.2.3 Simulação das Circulações
Locais e do Ciclo Diurno
Além da influência da topografia no levantamento
do ar, a contribuição da brisa marítima
na formação ou na intensidade dos eventos
extremos poderá ser determinada através do
controle da temperatura e umidade sobre a Serra do Mar e
o oceano adjacente.
A temperatura da superfície do mar de alta resolução
estimada por satélite é gerada pelo CPTEC.
Estes dados serão utilizados na condição
inicial do modelo para avaliar a importância da resolução
espacial da temperatura do mar próxima à costa
da Serra do Mar para a intensificação da circulação
da brisa e desenvolvimento dos sistemas convectivos locais.
2.2.4 Esquema de Parametrização da
Chuva Convectiva
O esquema de parametrização Betts-Miller-Janjic
(Janjic, 1994) se baseia em ajuste do perfil de temperatura
em direção a um perfil de referência.
Este esquema possui vários parâmetros para
controlar o processo convectivo de produção
de chuva como a intensidade da chuva, duração,
tempo de início e etc. Um conjunto de parâmetros
foi obtido para a região da Amazônia utilizando
os dados medidos durante o experimento do WET-AMC/LBA.;
um outro conjunto foi obtido para a região Nordeste
do Brasil (Gomes e Chou, 2000). Para o domínio cobrindo
a América do Sul onde convecção com
características bastante diferentes estão
presentes, um conjunto foi ajustado (Seluchi e Chou, 2001)
resultando em melhorias das previsões de chuvas do
CPTEC a partir de 2000. Um conjunto de parâmetros
convectivos será ajustado para os sistemas locais.
Os esquemas com base no fluxo de massa convectivo possuem
uma formulação física mais atraente.
Estes esquemas possuem um modelo de nuvem para descrever
os processos de ganho e perda nas nuvens, e são mais
flexíveis para inclusão de novos processos,
podendo consistentemente incorporar fluxos descendentes
e novas propriedades das nuvens. O modelo Eta possui o esquema
de fluxo de massa Kain-Fritsch (Kain e Fritsch, 2000) como
opção, que será testado para a região
da Serra do Mar. Foi implementado por Gomes (2001) o esquema
de fluxo de massa Tiedke (1989) no modelo Eta. Este esquema
gerou chuvas de forma mais concentrada, mostrando-se adequado
para resoluções mais altas. Os três
esquemas serão testados e ajustados para as chuvas
na Serra do Mar.
2.2.5 Previsão por Conjunto
No atual estágio da meteorologia é indiscutível
o papel dos produtos de previsão numérica
de tempo como um dos fatores que tornaram mais eficazes
as previsões. No entanto, ainda existem limitações
que impedem a melhoria das previsões. Estas limitações
podem ser atribuídas tanto às deficiências
dos modelos numéricos, quanto às incertezas
das observações no estado inicial da atmosfera
(Stensrud, 1999). A técnica de previsão por
conjunto (ensemble) é uma maneira de melhorar estas
previsões mesmo com a existência de tais limitações.
A idéia principal da técnica de “ensemble”
consiste em obter a probabilidade de ocorrência de
um determinado evento meteorológico partindo de diferentes
estados iniciais (Epstein, 1969; Leith, 1974). Esta técnica
vem sendo aplicada para previsões de médio
prazo fornecidas por modelos globais e mostram vantagens
deste método quando comparado com previsões
determinísticas (Murphy, 1990; Toth and Kalnay, 1993;
Molteni et al, 1996). O mesmo pode ser observado com previsões
de curto prazo fornecidas por modelos regionais de alta
resolução (Brooks et all, 1995; Hamill and
Colucci, 1997; Stensrud, 1999).
A utilização do método de “ensemble”
e de modelos de alta resolução torna ainda
mais eficaz a previsão de eventos meteorológicos
extremos, tais como tempestades severas (Stensrud, 2001;
Elmore et al, 2002). Montani et al. (2001) mostraram que
em todos os prazos de previsão, o sistema de previsão
por ensemble em área limitada forneceu maior acurácia
na localização temporal e espacial e intensidade
em dois casos de chuvas intensas com enchente na Europa.
Os resultados deste trabalho indicam que a previsão
por conjunto combinada com alta resolução
e maior detalhamento da orografia, podem produzir melhor
representação dos processos de mesoescala
e, conseqüentemente, aprimorar as previsões
dos eventos localizados e extremos.
Na região da Serra do Mar, Região Sudeste
do Brasil, eventos deste tipo ocorrem com alta freqüência,
principalmente durante os meses de verão. Muitas
das vezes, devido ao mau uso do solo e a ocupações
indevidas, episódios de chuvas intensas transformam-se
em situações de calamidade pública.
Um sistema de previsão de curto prazo por “ensemble”
utilizando o modelo regional Eta em alta resolução
pode contribuir para o fornecimento de previsões
mais precisas e da indicação de probabilidade
de ocorrências dos riscos que são cruciais
para a tomada de medidas de prevenção.
2.2.6 Previsão do Ciclo de Vida dos Sistemas
Convectivos
As trajetórias, ciclo de vida e tamanho dos sistemas
convectivos obtidos pelo subprojeto 3, “Características
dos sistemas convectivos que resultam em eventos extremos
na Serra do Mar”, serão correlacionados com
aqueles previstos sobre a região pelo modelo Eta.
Esta análise permitirá, entre outras, identificar
e estudar a existência de um nível de altura
do vento que responde pela propagação do sistema
convectivo. Os ventos previstos alimentarão o modelo
de detecção e previsão de sistemas
convectivos por satélite (Machado et al., 2004),
que por sua vez permitirá prever a posição
do sistema convectivo em prazo de tempo maior. É
uma tentativa para estender o prazo de “nowcasting”
fornecido pelo sistema de detecção por satélite.
A identificação da direção e
velocidade de propagação de um sistema convectivo
intenso é crucial para as ações da
Defesa Civil.
2.2.7 Previsão de Chuvas para o Modelo Hidrológico
As previsões de chuva serão utilizadas como
entradas de um modelo hidrológico distribuído
baseado na formulação do TOPOG (Vertessy et
al., 1990) como ferramenta de previsões de enchentes,
riscos de erosão e deslizamentos de terra nos principais
núcleos urbanos da região. Dados de sensoriamento
remoto e mapas digitais de uso e cobertura da terra serão
utilizados para a configuração do Eta em alta
resolução, bem como do TOPOG, sobre as bacias
da Serra do Mar. Estes dados serão também
utilizados para validar simulações dos eventos
e seus impactos. O acoplamento com o modelo hidrológico
está sendo proposto no subprojeto 6. Testes de sensibilidade
estão descritos com mais detalhes no subprojeto de
“Modelagem hidrológica”.
2.2.8 Resultados Esperados
Os modelos atmosférico e hidrológico serão
configurados de forma a obter a combinação
que forneça a melhor representação
dos eventos críticos cadastrados. Espera-se obter
deste subprojeto de modelagem atmosférica uma compreensão
detalhada da evolução temporal das condições
meteorológicas determinantes dos eventos críticos
a partir de modelagem numérica em alta resolução,
gerar previsões de tempo mais confiáveis,
permitindo também fornecer a probabilidade de ocorrência
dos eventos para aplicação e apoio a sistemas
de alertas de riscos na região da Serra do Mar. As
previsões estarão disponibilizadas no sistema
de informações georreferenciadas.