CARACTERIZAÇÃO DAS CONDIÇÕES ATMOSFÉRICAS DURANTE A OCORRÊNCIA DE NEVOEIRO EM SÃO PAULO: UM ESTUDO DE CASO Fábio Cunha Conde Rua do Matão, 1226, Cidade Universitária-SP, 05508-900 e-mail: [email protected] Maria Assunção Faus Silva Dias Rua do Matão, 1226, Cidade Universitária-SP, 05508-900 e-mail: [email protected] ABSTRACT This work presents the atmospheric conditions for the occurrence of fog in Sao Paulo (23º30'S ; 46ºW) during the period between 13 and 14; 14 and June 15, 1999. The data set consisted of images of satellites GOES-8, radiosondes of the airport of Congonhas and fields of wind variables, moisture divergence and temperature advection generated from CPTEC global analysis. The results revealed that the necessary meteorological conditions to the occurrence of fog are directly associated to the local circulation, that it established in the area during the analyzed period even during the night, favoring moisture convergence at the surface, besides the development of thermal inversion and winds relatively weak. INTRODUÇÃO Nevoeiro é geralmente considerado um perigo atmosférico, pois é um evento que pode ser considerado como um dos principais precursores de acidentes graves e até mesmo fatais nas vias de transporte. Em transportes rodoviários, por exemplo, são bastantes prejudiciais por nevoeiros fortes. Neste caso, a má visibilidade dificulta a identificação de veículos próximos podendo causar sérios acidentes. Além disso, o consumo de combustível aumenta significamente, pois os veículos se movimentam utilizando marchas lentas. Próximo de aeroportos a ocorrência de nevoeiros fortes põe em risco a segurança das aeronaves e das populações vizinhas, além do setor marítimo, principalmente as atividades portuárias. Entretanto, o nevoeiro, devidamente explorado, proporciona benefícios a diversas atividades humanas, principalmente do que se refere ao conteúdo de água líquida, não apenas para a irrigação de áreas agrícolas, mas também como consumo doméstico (Schemanauer e Cereceda, 1992). Nevoeiro é definido como uma nuvem que tem sua base muito próxima da superfície e forma-se quando o vapor de água que permanece no ar condensa-se próximo da superfície terrestre formando uma nuvem de microscópicas gotículas de água líquida. O nevoeiro pode ser considerado como uma nuvem stratus (nuvem baixa) cuja altura da base encontra-se no chão. Machado (1993) relatou que as circulações locais associadas a formação de nevoeiro na grande São Paulo não tem apresentado alterações consideráveis no comportamento sazonal do fenômeno entre os períodos analisados (1933-37;1981-90), com os meses de maio, junho, julho e agosto apresentando os maiores índices de ocorrência de nevoeiro, indicando que o fenômeno é mais propício a desenvolver-se no final de outono e durante o inverno. Apesar que o fenômeno é bastante comum nos meses de verão, porém, com menor freqüência. A formação de nevoeiro está diretamente associada às circulações locais que se estabelecem sobre uma região. Ambientes com rarefação de umidade, apresentarão baixos índices de ocorrência de nevoeiro, mas em áreas próximas a reservatórios como lagos, rios, mares e oceanos, estão preferencialmente sujeitas à presença de nevoeiros, devido a possibilidade do estabelecimento de circulações locais termicamente induzidas entre as superfícies líquida e terrestre tais como brisa marítima, que advectam parcelas de ar úmido para o interior de áreas continentais. A complexidade topográfica de uma região com seus vales, serras e planaltos, implica em um fator de grande importância à evolução destas circulações (Machado, 1993). Em escoamentos através de vales, observa-se a divergência de massas de ar, para que a conservação da massa ocorra, o ar externo deve esta sendo injetado para dentro do vale, originado da subsidência e em menor quantidade do influxo proveniente dos afluentes do vale. Desta forma, a brisa marítima que evolui sobre o continente injetaria ar com bastante umidade nos vales, proporcionando ocorrência de nevoeiro em áreas bastante restritas (Whiteman e Barr, 1986). Os nevoeiros geralmente formam-se em lugares baixos porque à medida que o ar se resfria, torna-se mais pesado ou denso, deslocando-se encosta abaixo. Um fator fundamental para a formação de nevoeiro é a presença de umidade, mais especificamente ar saturado. Parcelas de ar podem saturar-se pelo resfriamento do ar até atingir a 1867 temperatura do ponto de orvalho. Outra possibilidade seria aumentar o conteúdo de umidade, evaporando umidade próxima da superfície terrestre. Os principais tipos de nevoeiros são: Ø Nevoeiro de Radiação: Ocorre em noite claras, calmas e relativamente úmidas como resultado do resfriamento das camadas de ar adjacentes da superfície terrestre, devido a perda de radiação de ondas longas para o espaço e consequentemente saturação do ar inferior e condensação do vapor de água existente no ar. Os nevoeiros de radiação podem tornar-se fortes perto do solo, porém são poucos espessos. Na maioria dos casos, apresentam maior expansão vertical e visibilidade mais reduzida pela manhã, pois à inversão térmica noturna mantém até no máximo 4 horas após o amanhecer as camadas atmosféricas adjacentes à superfície estaticamente estáveis, mantendo à resistência ao desenvolvimento convectivo, sendo mais lenta esta inversão em áreas urbanas, devido a presença de ilhas de calor que proporcionam advecção de ar mais frio em direção a estas áreas (Godowitch et al., 1985). Ø Nevoeiro de Advecção: Ocorre quando há deslocamento de ar relativamente quente e úmido sobre superfície mais frias. Um fator essencial para a formação desse tipo de nevoeiro é a presença de ar relativamente quente e úmido. Aos poucos a massa de ar vai se esfriando até chegar a temperatura do ponto de orvalho e o vapor presente na massa de ar começa condensar. Outro fator importante é a mistura turbulenta que estende a camada saturada até grandes alturas. Os nevoeiros de advecção são mais espessos, cobrem maiores áreas e são mais persistentes que os nevoeiros de solo. O termo advecção refere-se para o movimento horizontal do ar e os nevoeiros de advecção são mais freqüentes do que o de radiação, com cerca de 300 a 600 m de profundidade. Ø Nevoeiro de Evaporação: Ocorre quando massas de ar frio deslocam-se sobre superfícies líquidas relativamente quentes. Neste caso, a umidade proveniente da água por evaporação, se junta ao ar frio, tornando-o saturado e provocando condensação. Pelo seu aspecto, lembra vapor se elevando da água. Também chamado de nevoeiro de vapor. Ocorrem sobre rios, lagos e oceanos. Ø Nevoeiro de encosta ou montanha: Ocorre quando o ar é forcado a subir a encosta de uma colina ou montanha. À medida que esse ar sobe e expande-se ocorre resfriamento. Se o resfriamento atingir o ponto de orvalho e houver umidade suficiente ocorre a saturação e a conseqüente formação de nevoeiro. Os nevoeiros de encosta ou montanha dissipam quando o vento predominante muda de direção. Ø Nevoeiro de vales associados ao resfriamento noturno: É mais comum no inverno. Como o ar frio é mais pesado que a sua vizinhança, à medida que ocorre o resfriamento noturno ele tende a se concentrar no fundo dos vales, favorecendo a formação de nevoeiros. Ø Outros: Pode também ocorrer formações de nevoeiros associados a frentes ou chuvas. Neste caso, à medida que a chuva cai sobre o ar relativamente seco, ocorre evaporação das gotículas de água, aumentando assim, o conteúdo de umidade local e favorecendo a formação temporária de nevoeiros. Os elementos que caracterizam o ambiente de desenvolvimentos dos nevoeiros são acúmulo de umidade próximo à superfície, desenvolvimento de inversão térmica durante o período noturno (perda radiativa em onda longa) e ausência de ventos suficientemente fortes em baixos níveis, capazes de advectar o ar úmido. O nevoeiro é um fenômeno que atua na camada limite planetária e desta forma o desenvolvimento de camada limite convectiva é um fator importante na dissipação do nevoeiro, a turbulência que se desenvolve proporciona a mistura das camadas estáveis que o mantém atuante. Machado (1993) realizou experimentos numéricos utilizando o RAMS (Regional Atmospheric Modeling System), a fim de verificar o desenvolvimento de circulações e ocorrência de nevoeiros para o período do Experimento Meteorológico – III (EM - III), na grande São Paulo e os resultados do modelo apresentados indicaram que há uma boa concordância com as observações realizadas durante o EM – III, não só no que se refere à evolução do nevoeiro sobre o planalto, como também aos distintos panoramas de circulações locais que se estabeleceram a partir de distintas sondagens utilizadas. Lima (1983), caracterizou as condições meteorológicas necessárias à ocorrência de nevoeiro de radiação na região de Porto Alegre, onde tal fenômeno ocorre devido a condições de estagnação atmosférica semelhantes às que ocorrem em episódios de altas concentrações de poluentes. Estes nevoeiros são freqüentes no inverno, quando há maior ocorrência de inversão de temperatura por perda radiativa à noite, ventos calmos próximo à superfície, umidade suficiente para permitir condensação. As condições meteorológicas que mostram favorecer a formação de nevoeiros foram pressão a 1013 mb, umidade relativa alta na camada abaixo de 850 mb e ar seco acima. No estudo observacional feito por Oliveira e Silva Dias (1982) na cidade de São Paulo, concluiu-se que o escoamento de ar proveniente do continente (brisa terrestre) é bem menos intenso do que a brisa marítima, pois a 1868 atmosfera noturna é mais estável, inibindo assim, a transferência de calor na vertical para uma camada mais profunda, restringindo o efeito do atrito na vertical. Durante à noite, a circulação de brisa terrestre gera velocidade ascendente sobre o mar. Apesar da intensidade da velocidade vertical ser maior do que a da brisa marítima sobre o continente, pode ocorrer formações de nuvens, pois a camada limite marinha tende a ser mais rica em umidade e instável, devido à advecção de ar frio da terra sobre a água mais quente. O objetivo deste trabalho é caracterizar as condições atmosférica associadas para a formação do nevoeiro entre os dias 13 e 14 ; 14 e 15 de junho de 1999. METODOLOGIA Os dados utilizados foram as imagens do satélite GOES-8 (Geostacionary Operation Environmental Satellite), dados de METAR e imagens no canal infravermelho como produto gerado no laboratório MASTERDCA-IAG (Laboratório de Meteorologia Aplicada a Sistemas de Tempo Regional – Departamento Ciências Atmosféricas – Instituto de Astronomia e Geofísica) e análise do CPTEC (Centro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos), radiossondas do aeroporto de Congonhas, campos de variáveis meteorológicas a partir dos dados do NMC (National Meteorological Center) com recursos do GRADS (Grid Analysis and Display System). A metodologia empregada fundamenta-se em reunir, a partir dos dados mencionados, os maiores e variados conjuntos de informações referentes ao nevoeiro que persistiu no período proposto, para região do estado de São Paulo. Este complexo de informações permite caracterizar da maneira mais detalhada possível o cenário meteorológico em que ocorreram os fenômenos de atuação do nevoeiro. As circulações de escala local tem sido estudadas tendo em vista a sua influência nas condições regionais do tempo, tais como a formação de nevoeiros, geadas e tempestades. Nas circulações de vale e montanha, o aquecimento diferencial é devido à inclinação da superfície terrestre. Durante o dia, o ar adjacente às encostas é mais aquecido do que o ar sobre o vale, no mesmo nível. Isto estabelece um desequilíbrio de pressão e dá origem à brisa do vale (ou fluxo anabático). Durante à noite, o resfriamento radiativo sobre a montanha é mais acentuado do que sobre o vale, dada a menor coluna atmosférica e dá origem à brisa da montanha (ou fluxo catabático) Atkinson (1981) e Defant (1951). RESULTADOS Estrutura Vertical do Ar superior v 13/06/1999 Durante este dia a atmosfera apresentava fortes tendências à ocorrência de nevoeiro, onde observou-se na superfície a temperatura do ar de 14,4 ºC e temperatura do ponto de orvalho de 13,5 ºC às 2100HL (Figura.1.a.). Através do diagrama termodinâmico, pode-se notar uma inversão térmica localizada entre os níveis de 860 – 840 hPa, caracterizando uma camada bem estratificada, uma camada neutra entre 920 – 860 hPa e uma camada instável da superfície até o nível de 920 hPa, como pode ser observado pela curva da temperatura potencial (figura 1.c), ocasionada provavelmente devido a uma massa fria e úmida que alcançou o Estado de São Paulo, que pode ser observada pela imagem de satélite (figura 2.b). Através da análise sinótica nos campos de pressão e vento em 1000 mb nota-se a configuração do centro da alta subtropical (1022 hPa) próximo ao litoral do Estado de São Paulo que apresentava um vento na componente de sudeste, que advectava um fluxo de umidade para dentro do Estado. Assim, a alta polar cujo centro encontrava-se entre os limites do Estado do Paraná e São Paulo, advectava uma massa de ar frio. Além da convergência de umidade em 1000 mb, que se apresentou bastante acentuada durante este período na zona localizada entre o litoral e o centro da grande São Paulo, proporcionando assim condições favoráveis para a origem e sustentação do nevoeiro. Às 0300HL, observava-se ainda bem marcante a componente de sudeste que estendia-se continente a dentro. Neste horário o centro da alta polar e da alta subtropical deslocou-se um pouco para o oceano e com isso houve um enfraquecimento do vento na componente de sudeste o que favoreceu ainda mais a intensificação do nevoeiro, principalmente, nas encostas da serra e na circulação de vale – montanha em superfície, onde apresentava uma considerável convergência de umidade nesta área (figura 3.5.a), proveniente, mais uma vez, devido a componente de sudeste que advectava a massa marítima do litoral para o continente. v 14/06/1999. Observou-se durante este dia que a temperatura do ar era de 15 ºC e temperatura do ponto de orvalho de 14 ºC às 2100HL, mostrando que o ar estava próximo da saturação à superfície (fig. 1.c). 1869 Observou-se através do diagrama termodinâmico que a atmosfera apresentava condições de estabilidade bem parecidas com o dia anterior, onde a inversão térmica localizada entre o nível de 890 – 790 hPa, que são formadas quando as camadas mais baixa da atmosfera são resfriadas pelo contato com a superfície da terra resfriada por radiação, caracterizando o efeito da radiação noturna pura, numa massa de ar calmo. A profundidade da camada de inversão aumenta com a duração do resfriamento e a inclinação da inversão onde manteve-se com uma profundidade maior, mas, com um gradiente de temperatura de menor intensidade nesta camada e uma condição instável da superfície (929 mb) até a base da inversão, como pode ser observado, principalmente, pela curva da temperatura potencial equivalente (figura 1.d). Deve-se levar em consideração, que este dia apresentou-se com uma precipitação marcante durante o período diurno, ocasionada por um sistema que se originou nos níveis médios, em torno de 792 hPa (figura 1.b), onde o solo encontrava-se úmido, observando a existência de nuvens com conteúdo de água líquida que poderiam esta desprendendo calor latente por evaporação das gotas e desta maneira favorecendo a ocorrência de nevoeiro causado por precipitação. Figura. 1.a – Perfil de TAR e TD às 21:00HL -13/06/99 Figura. 1.b - Perfil de TAR e TD às 09:00HL -14/06/99. Figura. 1.b - Perfil de TAR e TD às 21:00HL -14/06/99. Figura 1.c – Perfis das Temperaturas Potenciais às Figura 1.d - Perfis das Temperaturas Potenciais às 21:00HL - 14/06/99 21:00HL - 13/06/99 Fonte: NWS Figura 1 .a – d: Perfil Vertical da Atmosfera (Radiossondas de Congonhas) Caracterização sinótica para o período. A situação sinótica em grande escala também é bastante relevante, visto que as ocorrências de nevoeiro em superfície, em muitos casos, estão associados a uma configuração de alta pressão e com a atmosfera em baixos níveis com estabilidade estática, acompanhada de inversões (radiação, subsidência). A figura 2 (a - e) mostra uma seqüência temporal de imagens do satélite (GOES-8) para o período. A imagem das 03:00HL do dia 13/06/99 (fig. 2.a) apresentou nítida evolução da brisa marítima sobre o continente, visto que a célula de propagação da brisa marítima evolui em horários noturnos, mostrando um sistema frontal com alta pressão (1020mb) sobre o litoral do Estado de São Paulo, estendendo-se para noroeste do continente. Na 1870 retaguarda do sistema há nebulosidade com orientação meridional nos Estados de Santa Catarina e Paraná, além da presença de uma ciclogênese fraca no Paraguai e uma circulação anti-ciclônica com pressão de 1022mb atingindo Rio Grande do Sul e Uruguai. A imagem das 21:00HL (fig. 2.b) do mesmo dia, a circulação anti-ciclônica, na retaguarda do sistema frontal, deslocou-se para o continente, carregando bastante nebulosidade no sentido meridional, atingindo os Estados de São Paulo, Paraná, Santa Catarina e Rio Grande do Sul (com fraca nebulosidade na porção central e norte do Estado). A imagem das 09:00HL de 14/06/99 (figura 2.c), a circulação anti-ciclônica desloca-se um pouco para o oceano, mas influenciando ainda, os Estados mencionados anteriormente, com nebulosidade meridional confinada em São Paulo, Paraná e Santa Catarina e nebulosidade zonal no oceano, além da desintensificação do sistema frontal, apresentando uma nebulosidade dispersa sobre a parte central do Brasil. A imagem das 21:00HL do mesmo dia (figura 2.d), o anticlônico desloca-se para o oceano, com pressão de 1022mb, carregando a nebulosidade que atinge somente o litoral dos Estados citados anteriormente e uma pequena porção de Minas Gerais. Na imagem das 03:00HL de 15/06/99 (figura 2.e) apresenta uma fraca nebulosidade (nuvens baixas) sobre a região influenciada pelo anticiclônico que deslocou-se para oceano (1022mb), com vento de sudeste persistindo para todos os horários analisados. 3.a-Imagem às 03:00HL-13/06/99 3.b-Imagem às 21:00HL-13/06/99 3.d-Imagem às 21:00HL -14/06/99 Figura 2 (a - e) - Imagens de Satélites no Canal IR - GOES-8 3.c-Imagem às 09:00HL-14/06/99 3.e-Imagem às 03:00HL-15/06/99 Para a evolução temporal do vento no sentido leste–oeste na latitude 23,5S, mostrou circulação anticiclônica em 1000mb (fig. 3.a) sobre o continente com vento de sudeste (do oceano para continente, que persiste até em horários noturnos) e sul às 21:00HL de 13/06/99, voltando para sudeste a partir das 09:00HL de 14/06/99, em 850mb (fig. 3.b) vento de sudeste 09:00HL e norte a partir das 21:00HL de 14/06/99 e em 500mb (fig. 3.3.c) observa-se o retorno do vento do continente para o oceano com vento de sudoeste às 09:00HL, virando para noroeste a partir das 21:00HL de 13/06/99. Para o corte no sentido norte-sul na longitude de 46W, apresentou vento de sudeste em 1000mb (fig. 3.d) para todo o período, em 850mb (fig. 3.e), vento de sudeste às 09:00HL de 13/06/99, girando para nordeste a partir das 09:00HL de 14/06/99, observando uma circulação anticiclônica sobre o 1871 continente com a entrada de vento do oceano para o continente. Em 500mb (fig. 3.f), vento de sudoeste às 09:00HlL, noroeste a partir das 21:00HL de 14/06/99. a) b) c) d) e) f) Figura 3 (a – c): Evolução temporal do vento no sentido norte-sul em 46W e longitudinal (d – f) no sentido lesteoeste para o período de 13/06/99 a 15/06/99. A divergência de umidade (fig. 4.a) e advecção de temperatura (fig. 5.a) às 03:00HL de 13/06/99 em 1000mb, é negativa no litoral e positiva no oeste do Estado de São Paulo. Em 500mb, a divergência (fig. 4.b) é negativa e advecção é positiva em 500mb (fig. 5.b). e às 21:00HL do mesmo dia a divergência é negativa com pequena faixa positiva em 1000mb (figura 4.c) com advecção nula no litoral e positiva para todo o estado (figura 5.c) e em 500mb a advecção é positiva no litoral (figura 5.d), nula na parte central e negativa no oeste do Estado com divergência negativa (fig. 4.d). Às 03:00Hl de 14/06/99 em 1000mb, a divergência é negativa com uma pequena faixa no litoral nula (figura 4.e) e a advecção é positiva (figura 5.e). Em 500mb, a divergência é negativa (figura 4.f) com advecção positiva (figura 5.f) e para as 21:00 Hl do mesmo dia, em 1000mb a divergência é nula e a porção oeste é positiva (figura 4.g), com advecção positiva (figura 5.g) e em 500mb, a divergência é positiva (figura 4.h) e advecção negativa com uma faixa no litoral positiva (figura 5.h). Em 1000mb às 03:00HL de 15/06/99 a divergência de umidade é nula (figura 4.i) e a advecção é negativa no litoral e positiva mais ao continente (figura 5.i). 1872 (a) (d) (b) (c) (f) (e) (g) (i) (h) Figura 4 a – j: Divergência de Umidade para o período analisado. (a) (d) (b) (e) (h) (g) Figura 5 a – j: Advecção de Temperatura para o período analisado. (c) (f) (i) Os resultados analisados anteriormente para a ocorrência de nevoeiro no período proposto podem ser comprovado pelos dados de METAR em superfície. A figura 6.a, 6.b e 6.c mostram através dos dados de METAR decodificados para o Estado de São Paulo a ocorrência do fenômeno pelo símbolo synop “ = ”. 1873 Figura 6.a – 07:00 HL – 13/06/99 Figura 6 (a - c) - Figura 6.b – 08:00 HL – 14/06/99 Figura 6.c – 06:00 HL – 15/06/99 CONCLUSÃO Os efeitos de resfriamentos do solo (por radiação ou pela passagem de ar sobre a superfície mais fria) sobre o gradiente da atmosfera inferior tornam-se complexos pela ação do vento. O vento, pela mistura turbulenta do ar resfriado no solo com ar mais quente acima, tende a estabelecer uma camada à superfície com um gradiente adiabático e uma inversão de turbulência acima. Neste caso particular, o vento não altera a estabilidade totalmente, porém, meramente leva a base da inversão para um nível mais alto. As condições intermediárias e combinações entre a inversão à superfície e a inversão de turbulência pode ocorrer, dependendo da direção e velocidade do vento e do resfriamento. O movimento do ar sobre o solo mais frio, naturalmente implica vento, e geralmente resulta em uma camada de turbulência e inversão. Outras complicações surgem quando ocorrem saturação em conseqüência do resfriamento à superfície, originando a formação de nevoeiro ou stratus. Entretanto, diferentemente do caso da condensação de cumulus, o calor latente liberado no nevoeiro ou nos stratus é geralmente muito reduzido para aumentar significantemente a profundidade da ação da mistura. Por outro lado, a formação de nevoeiro ou stratus é grandemente reduzida ou impede futuros resfriamentos da superfície por radiação, embora haja algum resfriamento por radiação no topo do nevoeiro ou dos stratus, que tendem a promover instabilidade (ou diminuir a estabilidade) abaixo do topo. Machado (1993), ressaltou que precipitações em níveis médios da atmosfera, sobre esteiras de ar frio, as gotas de chuva acabam evaporando totalmente ou parcialmente ao entrarem no ambiente mais seco. As gotas com suas dimensões reduzidas têm portanto diminuídas suas velocidades terminais. Isto pode gerar camadas de stratus ou nevoeiros próximo à superfície, muitas vezes denominado de nevoeiro de precipitação. Pode-se observar a ocorrência de nevoeiro através das imagens de satélite no canal infravermelho, para o período analisado, com chuva no dia 14/06/99, que através da análise sinótica, tornou-se evidente a presença de um sistema convectivo persistindo nos horários 21:00HL e 09:00HL de 14/06/1999. Além da comprovação do fenômeno para todo o período pelos dados de METAR em superfície. Desde forma, o período apresentou nítida evolução da componente sudeste que advectava a massa marítima para o continente em todo o período, com temperaturas constante, convergência do ar úmido em superfície, induzida pela própria topografia que caracteriza um situação de ocorrência de nevoeiro, haja visto que está vinculado com a proximidade em que o ar adjacente à superfície encontra-se do seu ponto de saturação com máximo de umidade relativa que se desenvolveu durante o período analisado. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ATKINSON, B. W., 1981. Mesoscale Atmospheric Circulation Academic Press. 495p. 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