Análise e Visualização de dois sistemas meteorológicos

 Análise e Visualização de dois sistemas meteorológicos utilizando o
software 3D Weather
ARTHUR ROSA FERNANDES
([email protected]),
DAIANE DE FÁTIMA CARDOSO
([email protected]),
MARIA FERNANDA COMIN TOLEDO DOS SANTOS
([email protected]);
MARINA INAÊ CIBILS OLIVEIRA
([email protected]).
Resumo: Frequentemente a região Sul devido sua localização latitudinal sofre maior
influência dos sistemas de latitudes médias, sendo os sistemas frontais os principais
causadores de chuvas durante o ano, onde a dinâmica das massas de ar, temperaturas e
umidades diferentes geram fenômenos frequentes de precipitações, causadas também
pela ASAS (Alta Subtropical do Atlântico Sul), devido a convergência de umidade
marítima. Esse artigo tem como objetivo, visualizar, analizar e comparar através de duas
ferramentas computacionais (Grads e Weather), um evento meteorológico que causou
fortes precipitações, ocorrido no ano de 2008, devido a uma alta pressão semiestacionária localizada no Atlântico Sul entre os dias 19 até o fim de novembro
causando desastres, principalmente no RS e SC.
Palavras Chave: Sistema de Visualização Meteorológica, Sofwares em 3D.
Abstract: Often the South because of its location latitude suffers greater influence of
midlatitude systems, frontal systems being the main cause of rainfall during the year,
where the dynamics of air masses, temperatures and humidities different phenomena
generate frequent rainfall, also caused by WINGS (South Atlantic Subtropical High) due
to moisture convergence sea. This article aims, visualize, analyze and compare across
two computational tools (Grads and Weather), a meteorological event that caused heavy
rainfall, occurred in 2008, due to a semi-stationary high pressure located between the
South Atlantic 19 days until the end of November causing disasters, especially in RS
and SC.
1. INTRODUÇÃO
É de senso comum que as condições meteorológicas interferem diretamente na
vida humana, considerando tanto as atividades econômicas ou, simplesmente, os
afazeres cotidianos. Como exemplo, na agricultura, a previsão do tempo tem a
incumbência de divulgar informações de quando inicia o período chuvoso ou de seca,
fatores que determinam a época do plantio e da colheita das lavouras. As catástrofes
naturais (como furacões e enchentes) podem ser previstas. Desse modo, as autoridades
podem implantar medidas preventivas que poderão amenizar os problemas. Nos
transportes marítimos e aéreos, os serviços meteorológicos servem para estabelecer
rotas alternativas, de modo que a viagem se torne mais segura.
A região Sul do Brasil é frequentemente afetada por adversidades atmosféricas,
sendo a passagem de frentes frias e ciclones tropicais os principais causadores de
mudança de tempo na região. Segundo Saraiva (2006), um sistema frontal é
caracterizado por fortes convecções que geram nuvens com grande desenvolvimento
vertical, apresentando ventos fortes e alto índice de precipitação. No Brasil as frentes
frias atingem a Região Sul e Sudeste durante o ano inteiro, sendo que cerca de 3 a 4
frentes frias atuam em todos os meses. Esse número é ligeiramente maior durante a
primavera (Rodrigues, 2003). Sua passagem está associada ao aumento de
nebulosidade, a presença de chuva, e queda bruscas na temperatura do ar, tendo duração
em média de três dias, e seu deslocamento apresenta uma trajetória normalmente de
sudoeste para nordeste. Ciclones são sistemas meteorológicos de baixa pressão
associados a frentes frias com circulação ciclônica. Este sistema está associado ao
movimento vertical ascendente do ar, o que resulta em divergência em altos níveis da
atmosfera. Formam-se geralmente em regiões de clima tropical e equatorial em áreas
mais aquecidas do oceano, e sua passagem apresenta-se acompanhada de fortes chuvas
(tempestades), devido à ascendência do ar que por ser mais quente se eleva, dando
origem às nuvens cumulunimbos (CBs).
Atualmente, os estudos meteorológicos para a previsão na ocorrência de eventos
extremos de precipitação e mudanças bruscas nas condições de tempo vêm crescendo
consideravelmente em todo país e no mundo, onde, torna-se cada vez mais necessário se
obter informações sobre as características físicas da atmosfera e dos sistemas que
interferem ou causam esses tipos de fenômenos.
A utilização de um software com visualização tridimensional possibilita a
integração dos dados meteorológicos em tempo “quase real” e a visualização, em vários
planos barométricos da atmosfera, das variáveis meteorológicas em uma única análise.
Dentre as características e vantagens que um software 3D, podemos observar:
(i)
variáveis dos dados observacionais podem ser plotadas individualmente ou na sua
totalidade, extraindo-se um subconjunto de dados (tempo, espaço e parâmetro); (ii)
perfil vertical dos campos de ar superior; (iii) a evolução temporal de um dado de
previsão, em horários selecionados, sobre uma determinada coordenada, e (iv) campos
de vento a partir dos componentes escalares zonal e meridional (coordenadas
cartesianas) ou intensidade e direção (coordenadas polares).
O VIS5D (Referencia) foi o primeiro sistema a produzir a visualização em três
dimensões a partir de um conjunto de dados volumétricos. A utilização deste sistema
permitiu ter-se uma nova visão do comportamento das diferentes variáveis físicas
presentes nos modelos de clima e tempo nos domínios do espaço e tempo. Este sistema
de visualização consiste de um programa computacional para visualização de dados
gerados por fontes como modelos numéricos de tempo e clima. O sistema funciona
com uma grade numérica retangular de cinco dimensões, na qual os dados são números
reais expressos na forma de pontos, e distribuídos em três dimensões espaciais (latitude,
longitude e altura), uma dimensão temporal e uma dimensão para enumeração de
variáveis físicas. O Painel de Controle e a Janela 3D são visualizados simultaneamente
em duas janelas. O Painel de Controle responde pelas principais funções do programa
como, por exemplo, execução de scripts, visualização de trajetórias e sondagens,
seleção de variável e tipo de visualização, ativação/desativação de topografia, relógio,
animação e etc. A Janela 3D é responsável pela apresentação dos dados. O software
apresenta também alguns programas utilitários como, v5dinfo: mostra informações
referentes ao arquivo v5d, exibe informações estatísticas a respeito dos arquivos permite
a alteração do cabeçalho do arquivo, como projeção do mapa, sistema de coordenada
vertical e o nome de variáveis, permite adicionar vários arquivos para gerar um único
arquivo. O programa computacional VIS5D necessita de uma biblioteca gráfica para
seu funcionamento, na qual é responsável pela imagem dos dados meteorológicos.
Desde então, foram desenvolvidos outros softwares meteorológicos para
visualização em 3D. Um desses softwares é o IDV, consiste em um programa em
linguagem JAVA, que permite a analise e visualização tridimensional da atmosfera e
fenômenos meteorológicos que convencionalmente são analisados e representados em
duas dimensões, além de possibilitar a integração simultânea de dados meteorológicos
de diferentes provedores. Reúne a capacidade de exibir e trabalhar com imagens de
satélite, dados em grade (por exemplo, a saída do modelo numérico de previsão do
tempo), as observações de superfície, sondagens de balão, WSR-88D Nível II NWS e
dados RADAR Nível III, e NOAA Nacional Profiler rede de dados , tudo dentro de uma
interface unificada. Ele também oferece uma vista 3-D do sistema da Terra e permite
aos usuários de forma interativa, a criação de cortes de secções transversais, perfis,
animações e conjuntos de dados multidimensionais. A biblioteca de software IDV pode
ser facilmente utilizada e estendida para criar aplicativos personalizados de geociências
além do reino da ciência atmosférica.
Os pesquisadores, estudantes, meteorologistas, não só serão capazes de
visualizar as informações de uma maneira nova, mas também de mesclar e analisar
vários conjuntos de dados para estudar semelhanças nas estruturas, formação e caminho
de tempestade em condições meteorológicas severas dentre outros diversos fenômenos,
fazendo previsões mais precisas.
Czarnobai et al. (2005) realizaram um estudo da passagem de um sistema frontal
através da visualização em 3 dimensões e obtiveram como as principais vantagens da
forma de visualização tridimensional , a variedade de cortes e as perspectivas para
análises das variáveis meteorológicas dos planos barométricos. A utilização de gráficos
em 2D e 3D para visualização do comportamento das variáveis como gradiente de
temperatura, convergência do vento, velocidade vertical do vento, umidade relativa
(UR), ao longo do sistema frontal possibilitaram fazer análises eficientes e objetivas.
Recentemente foi desenvolvido o software Weather, que é um sistema de
visualização desenvolvido pela Universidade Federal de Santa Catarina juntamente com
os pesquisadores da Empresa de Pesquisa Agropecuária e Extensão Rural de Santa
Catarina/ Centro de Informações de Recursos Ambientais de Hidrometeorologia de
Santa Catarina (EPAGRI/CIRAM). O software Weather foi desenvolvido com o
propósito de servir como instrumento de pesquisa para análises de casos de eventos
meteorológicos pré-estabelecidos. A análise do sistema meteorológico pelo software
proporciona uma visualização em três formas, sendo elas, (corte, isosuperfície e
volume), e em dezenove níveis verticais, além de permitir a integração de variáveis.
Este trabalho tem por objetivo analisar a viabilidade de visualização do software
3D Weather para um caso selecionado no ano de 2008, quando comparado ao software
2D Grid Analysis and Display System (GrADS) (Doty, 1995) .
2. DADOS E METODOLOGIA
Neste trabalho serão utilizados os softwares de visualização GrADS e o Weather.
Os dados meteorológicos utilizados nesse estudo são obtidos a partir das análises e
previsões do modelo regional ETA, com resolução espacial de 20 km, do Centro de
Previsão de Tempo e Estudo Climático do Instituto Nacional de Pesquisa Espaciais
(CPTEC/ INPE). A figura 1 ilustra área de cobertura. Também serão utilizados os dados
observados das estações de superfície do Instituto Nacional de Meteorologia ( INMET).
A área de estudo compreende parte do sul da América do Sul, entre 45ºS a 15ºS e de
70ºW a 30ºW.
Fig.1 – Localização da área de estudo (15ºS a 45ºS ,70ºW a 30ºW).
Para avaliação do software Weather foram selecionados dois estudos de caso. O
primeiro estudo está associado a atuação de um ciclone extratropical entre os dias 2 a 4
de maio de 2008, na região sul. O segundo caso selecionado ocorreu entre os dias 19 a
30 de novembro do mesmo ano, associado a presença de um anticiclone semiestacionário, na região litorânea no estado de Santa Catarina.
Através do software Weather serão elaborados isosuperfícies, cortes horizontais
e verticais, e perspectivas com o objetivo aprimorar a visualização dos sistemas
meteorológicos analisados, comparando com à forma tradicional de visualização em
duas dimensões.
3. RESULTADOS
O evento de Santa Catarina proporcionou uma elevada quantidade de chuva, que
devido à sua continuidade ocasionou enchentes e diversos deslizamentos sobre as
encostas a partir do dia 19 até o fim de novembro. Esta situação teve início com o
posicionamento e a forte intensidade do sistema de alta pressão semi-estacionário do
Atlântico Sul, acompanhado de um vórtice ciclônico em altitude, por vários dias,
próximo à costa sul brasileira. A maior intensidade foi vista entre 21 e 24 com
precipitação que ultrapassou 600 mm em algumas cidades do vale do Itajaí. As chuvas
causaram 133 mortes e atingiram mais de 60 municípios em Santa Catarina. (Silva Dias
et. al., 2009)
Pela figura 2 é possível analisar a atuação da circulação marítima no litoral de
Santa Catarina associada à presença da Alta Subtropical do Atlântico Sul (ASAS), que
predomina sobre a Região Sul do Brasil. Além disso, verifica-se a presença de um
sistema frontal localizado sobre o norte da Região Sudeste e sul da Região Nordeste do
Brasil. Esse aporte de umidade contribui com os altos índices pluviométricos.
FIGURA 2 – Imagem do satélite GOES-10 de 12Z do dia 21 de novembro de 2008, no
canal do vapor d´água.
A figura 3 mostra o campo de pressão ao nível médio do mar para o período
analisado. Observa-se o predomínio da ASAS (Alta Subtropical do Atlântico Sul) sobre
o sul do Brasil, com seu centro na região sul do Oceano Atlântico. Na costa leste de
Santa Catarina as pressões variam entre 1022 e 1024 hPa e no oeste do estado se
observa uma redução da pressão, variando entre 1018 e 1020 hPa. Associado a esse
sistema, os ventos predominam de direção nordeste em todo o estado de Santa Catarina.
FIGURA 3 – Pressão Reduzida ao Nível Médio do Mar (hPa) para as 12Z de 21 de
novembro de 2008.
Pela análise da figura 4 sobre a costa catarinense, verifica-se que o movimento
vertical ascendente em 500 hPa (Fig. 4a), associado a forte instabilidade (acima de 600
J/Kg), principalmente na região oceânica (Fig. 4b), proporciona a produção de
vorticidade ciclônica próximo a superfície (termo adiabático da Teoria de Sutcliffe).
Além disso, a atuação da circulação marítima contribuiu para os altos índices
pluviométricos registrados no período. No interior do estado, apesar de também se
observar movimento ascendente do ar, há predominância de estabilidade na região. Esse
fato contribui com a identificação do anticiclone e a ausência da precipitação.
(a)
(b)
FIGURA 4 – Velocidade vertical ômega (Pa/s) em 500 hPa (a) e Energia Potencial
Convectiva Disponível (CAPE) (J/Kg) (b) para as 12Z de 21 de
novembro de 2008.
A figura 5 mostra o campo de divergência de massa em 850 hPa (Fig. 5a) e o
vento horizontal em 500 hPa. (Fig. 5b). Apesar de não ser observada claramente a
convergência do ar na costa leste do estado, principalmente no vale do Itajaí, esta
situação associada ao vórtice ciclônico em médios níveis atmosféricos, favoreceu a
instabilidade na região. No oeste do estado predominou a ascendência do ar com ventos
de maior magnitude, mas com predomínio da estabilidade.
(b)
(a)
FIGURA 5 – Divergência de massa (1/s) em 850 hPa (a) e vento horizontal (m/s) em
500 hPa (b) para as 12Z de 21 de novembro de 2008.
A figura 6 mostra as seções horizontal e vertical da umidade relativa do ar (Fig.
6a) e velocidade vertical (Fig. 6b). Pela figura 6a é possível identificar um região com
ar saturado (valores altos de umidade relativa) ao longo do litoral de Santa Catarina, se
estendendo desde a superfície até aproximadamente 850 hPa. Essa região está associada
ao movimento vertical do ar (Fig. 6b), que contribuiu para o alto índice de umidade,
principalmente no litoral norte e em menor escala no litoral sul, ocasionando as fortes
chuvas. Além da superfície, a umidade também está presente em uma camada rasa da
média atmosfera, entre 600 hPa e 500 hPa, visível como um vórtice ciclônico,
permitindo um suporte maior de umidade naquela região.
A figura 7 mostra a isosuperfície de UR (95%) e a velocidade vertical ao longo
da superfície. A umidade é visível como uma grande barreira, se estendendo por quase
todo litoral catarinense, tendo relação direta com o movimento ascendente do ar, onde
os locais com maiores valores de velocidade vertical são consequentemente os mais
úmidos.
(a)
(b)
FIGURA 6 – Seções horizontal (plano x,y) e verticais (planos x,z e y,z) dos campos de
umidade relativa do ar (a) (%) e velocidade vertical (b) (m/s), ao longo do
Estado de Santa Catarina, para as 12Z de 21 de novembro de 2008.
FIGURA 7 – Isosuperfície do campo de umidade relativa do ar (em 95%) e velocidade
vertical (b) (m/s), ao longo dessa superfície, para as 12Z de 21 de
novembro de 2008.
4. CONCLUSÃO
A partir da análise dos resultados, conclui-se que o software Weather serviu
vantajosamente como ferramenta de pesquisa no caso de novembro de 2008, quando
comparado ao Grads, pois permitiu a visualização do fenômeno por inteiro, em vários
níveis e formas, integrando as variáveis, permitindo assim, uma maior compreensão do
sistema e suas diversas variações.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos à todos os nossos professores da Meteorologia do Instituto Federal
de Santa Catarina, e ao nosso orientador Mário Quadro por nos proporcionar esse novo
conhecimento. Nossos sinceros agradecimentos também ao Carlos Eduardo Araújo
pelas suas preciosas contribuições ao grupo.
REFERÊNCIAS
Almeida, E. S.; et al. Visualização dos modelos e global do CPTEC/INPE através do
sistema VIS5d. Congresso Brasileiro de Meteorologia. Disponível em: http://www.cbmet.com/cbm-files/13-54c633268ed2a0c9e616230fcbc9336d.pdf. Acesso em
25/11/2012.
CZARNOBAI, A. F.; COMBAT, D. A. A.; BORTOLOTTO, J.; SANTIS, R.F. Sistemas frontais,
visualização e análise: estudo de caso do dia 24 de agosto de 2005 Projeto
Integrador do Curso Técnico de Mteorologia. IFSC, 2005.
Doty, B. The Grid Analysis and Display System. Distribuído via Internet.
http://grads.iges.org/grads. 1995
Silva Dias, M. A. As chuvas de novembro de 2008 em Santa Catarina: um estudo de
caso visando à melhoria do monitoramento e da previsão de eventos
extremosDisponível
em:
<http://www.cbmet.com/cbm-files/141f6f7c137cf314613fbd123c387a4871.pdf>. Acesso em 18/02/2013.
Saraiva, Ivan; Foster, Paulo Roberto Pelufo. ANÁLISE DA PASSAGEM DE UM
SISTEMA FRONTAL SOBRE A CIDADE DE PORTO ALEGRE/RS – ESTUDO
DE CHUVAS INTENSAS. Anais do XIV Congresso Brasileiro de Meteorologia,
2006.
Severo, D. L. Estudo de casos de chuvas intensas no Estado de Santa Catarina.
Dissertação de Mestrado – São José dos Campos, INPE, 1994. 118p.