Modelagem Atmosférica em Alta Resolução de Eventos Extremos na Serra do Mar
Uma variedade de fenômenos meteorológicos pode ser gerada ou modificada pelas montanhas. As ondas planetárias quase-estacionárias são induzidas por montanhas e pelo contraste continentes-oceanos, destruindo a simetria zonal do escoamento em tempo médio, afetando a distribuição da freqüência de ciclogêneses e trajetória dos ciclones. O máximo de freqüência de ciclogênese tende a ocorrer a leste dos complexos montanhosos (Tibaldi et al. 1990).

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

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 fornecida 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 al., 1995; Hamill e Colucci, 1997; Stensrud, 1999). Montani et al. (2001) utilizaram as previsões por ensemble do modelo global do ECMWF como condições de contorno para o modelo de área limitada. Eles obtiveram melhorias na localização dos máximos de precipitação.

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.