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XII Congresso Brasileiro de Meteorologia, Foz de Iguaçu-PR, PDF

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ANÁLISE DA SENSIBILIDADE DO MODELO MM5 ÀS PARAMETRIZAÇÕES DA CAMADA LIMITE ATMOSFÉRICA UM ESTUDO DE CASO SOBRE A BACIA DO RIO GRANDE. Eduardo Barbosa Corrêa 1, Christiane Osório Machado 2, Luiz Cláudio
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ANÁLISE DA SENSIBILIDADE DO MODELO MM5 ÀS PARAMETRIZAÇÕES DA CAMADA LIMITE ATMOSFÉRICA UM ESTUDO DE CASO SOBRE A BACIA DO RIO GRANDE. Eduardo Barbosa Corrêa 1, Christiane Osório Machado 2, Luiz Cláudio Gomes Pimentel 1 e Marcio Cataldi 3,4 1 LAMMA/ Departamento de Meteorologia/IGEO/UFRJ Av. Brigadeiro Tropowsky, s/n., Ilha do Fundão, Rio de Janeiro, RJ 2 Operador Nacional do Sistema elétrico (ONS) Rua da Quitanda 196, 12º Andar, Rio de Janeiro RJ 3 PEM/COPPE/UFRJ Av. Brigadeiro Tropowsky, s/n., Ilha do Fundão, Rio de Janeiro, RJ 4 AQUAMET Consultoria em Engenharia e Meteorologia Ltda. ; Abstract The proposal of this work is to analyze the influence of Planetary Boundary Layer parameterizations in the prognostic of precipitation from PSU/NCAR Mesoscale Modeling System MM5 Version 3. Simulation included two different periods of time, focusing the precipitation in the Rio Grande basin. The calculated results were compared by using seven of the eight available parameterizations in the model in conjunction with precipitation data observed in the Rio Grande basin and with prognostics of another models, demonstrating a good coherence among the forecasts accomplished with the MM5 and the observed precipitation indexes. The variation of the parameterizations of the Planetary Boundary Layer, was reflected in the displacement of the nucleus of more intense precipitation, and in its absence or super-estimate. INTRODUÇÃO As informações meteorológicas são essenciais para o setor elétrico brasileiro, desde o planejamento energético de longo prazo até a operação em tempo real. Os resultados dos modelos numéricos de previsão do tempo tem sido uma das ferramentas utilizadas para estimar a precipitação nas bacias hidrográficas, que são dados de entrada para os modelos chuva-vazão. Pode-se citar inúmeras contribuições visando a melhoria dos modelos numéricos de previsão do tempo. Algumas linhas de pesquisa visam estudar a aplicação de diferentes métodos numéricos, na solução das equações governantes de quantidade de movimento, energia e umidade. Uma grande quantidade de trabalhos científicos, vem se dedicando ao refinamento e aninhamento da grade espacial de modelos prognósticos de mesoescala, a fim de se observar melhorias nas previsões de menor escala. Belassiano e Justi, (1997) e Coelho (2001) obtiveram bons resultados com essa metodologia, aplicada ao modelo da PSU/NCAR o Mesoscale Modeling System (MM5), em regiões de topografia acidentada. Neste trabalho será enfocado às modificações nos prognósticos obtidos com o MM5, devido à variação das parametrizações da camada limite atmosférica - CLA disponíveis no modelo, e aplicadas a sub-bacia do rio Grande, na bacia do rio Paraná. Em termos de energia armazenada a sub-bacia do Grande corresponde a 31,3% da energia armazenada máxima do Subsistema Sudeste/Centro-Oeste, sendo que destes, 68% pertencem ao reservatório da usina hidrelétrica de Furnas. A Energia Armazenada - EAR, refere-se a quantidade de energia que pode ser gerada considerando que a água armazenada em um determinado reservatório, além de ser turbinada em suas próprias máquinas, também será turbinada em todos os outros aproveitamentos a jusante. As energias podem ser integralizadas por bacia hidrográfica ou por subsistema. Bright e Mullen (2002) desenvolveram um estudo similar ao verificarem a sensibilidade dos esquemas de parametrizações de Blackadar, Burk-Thompson, ETA e Medium-range Forecast (MRF) disponíveis no modelo MM5, na modelagem determinística dos efeitos de monção sobre os regimes de precipitação no estado do Arizona, EUA. 2562 METODOLOGIA Os períodos estudados neste trabalho foram escolhidos por apresentarem diferentes características com relação ao mecanismo de precipitação. No primeiro período o índice pluviométrico está associado à passagem de um sistema frontal na região sudeste, ocasionando nebulosidade intensa em toda região, como pode ser observado na imagem de satélite apresentada na figura 9. Neste período foram registrados índices pluviométricos acima de 10 milímetros em diferentes trechos da bacia do rio Grande. No segundo período um sistema de alta pressão permaneceu semiestacionário próximo ao litoral de São Paulo, advectando umidade para o continente durante um período de 5 dias. Esse período foi caracterizado pela constante superestimativa de precipitação na região de estudo, observada nos prognósticos apresentados pelo modelo ETA(CPTEC/INPE), como pode ser notado através das figs. 19 e 20. No primeiro período o modelo foi iniciado com os dados de 06 de fevereiro de 2002 as 12Z e integrado até 08 de fevereiro de 2002 as 12Z.O segundo período, que consistiu no intervalo de 05 de abril de 2002 a 08 de abril de 2002, foi iniciado com os dados de 05 de abril de 2002 as 00Z e integrado até 08 de abril de 2002 as 00Z. As parametrizações utilizadas nessas simulações são apresentadas na tabela 1. Variável de Camada Limite Atmosférica (IBLTYP) Variável de modelo de solo estratificado (ISOIL) Variável de difusão vertical de umidade em nuvens (IMVDIV) Tabela 1: Parametrizações utilizadas nas 2 simulações do modelo MM5 0 variável não é utilizada 1 variável é utilizada Fonte: PSU/NCAR Mesoscale Modeling System; Tutorial Class Notes and User s Guide: MM5 Modeling System Version 3 Na parametrização 0, nenhum esquema de camada de superfície é utilizado. A parametrização 1 utiliza uma grade vertical menos refinada, e apenas dois regimes de estabilidade atmosférica. Nas parametrizações 3, 4 6, são apresentadas variações no esquema de Mellor-Yamada, como descrito nas publicações de Burk e Thompson (1989); Janjic (1994) e Ballard et. all (1991), respectivamente. È importante ressaltar que na parametrização 4 são utilizadas coordenadas verticais ETA, em uma adaptação ao esquema de Mellor-Yamada. Essa parametrização é também utilizada no modelo de mesoescala ETA. As parametrizações 2 e 5 utilizam o esquema de Blackadar, com alta resolução da discretização da camada limite, quatro regimes de estabilidade, incluindo uma descrição da camada de mistura, sendo que a parametrização 2 utiliza um esquema tradicional de difusão vertical local, enquanto a quinta parametrização apresenta uma correção para o coeficiente de difusividade turbulento, incorporando a contribuição das grandes escalas turbulentas no fluxo total. (Hong e Pan, 1996). Nessa etapa do trabalho, a parametrização 7 que também é baseada no esquema de Blackadar, chamado modelo convectivo assimétrico (ACM), que utiliza uma difusão vertical não local e acopla o modelo de superfície terrestre (Xiu e Pleim, 2000), não foi utilizada devido a dificuldade na implementação computacional. Nas simulações desenvolvidas utilizou-se uma grade composta por 60 pontos na direção X e 38 pontos na direção Y, com resolução de 20 km. Foram utilizados dados de topografia e elevação USGS (United State Geological Survey) para iniciar o primeiro módulo do modelo (TERRAIN). O equipamento utilizado para as simulações foi um Pentium III 850 MHz, com 256 k de memória RAM e um HD de 20Gb. Os tempos de integração gastos com cada parametrização são mencionados na Tabela 2 e as ressalvas que devem ser feitas para algumas parametrizações na Tabela 1 a. Simulação 2 a. Simulação Parametrização da CLA Tempo Gasto na Simulação Parametrização da CLA Tempo Gasto na Simulação 0 51 minutos 0 1 hora e 11 minutos 1 55 minutos 1 1 hora e 44 minutos 2 1 hora e 06 minutos 2 1 hora e 25 minutos 3 1 hora e 20 minutos 3 1 hora e 24 minutos 4 1 hora 4 1 hora e 15 minutos 5 57 minutos 5 1 hora e 08 minutos 6 1 hora e 06 minutos 6 1 hora e 12 minutos Tabela 2: Tempos gastos com cada parametrização nas duas simulações realizadas RESULTADOS Nessa seção serão apresentados os resultados da distribuição de precipitação acumulada em 24 horas, obtidos com o modelo MM5, utilizando as diversas parametrizações de CLA disponíveis no modelo. A comparação entre os resultados obtidos com as diferentes parametrizações foi realizada com base em dados observados provenientes do CPTEC/INPE e de Furnas/ONS. Algumas imagens de satélite serão mostradas, tendo como base o horário de maior intensidade de precipitação e nebulosidade observada, seguindo as informações de dados provenientes de aeroportos, emitidos em forma de METAR Complementando a análise, serão feitas comparações com prognósticos do modelo ETA/CPTEC/INPE. Vale ressaltar que os dados observados para inicialização do modelo foram provenientes do National Center for Enviromental Prediction (NCEP), com resolução de aproximadamente 2,5 Graus válidos para as 00:00 Z. Dessa forma, no primeiro caso foi utilizado o prognóstico do modelo do NCEP integrado até as 12:00 Z como condição de entrada para o modelo, objetivando a comparação com os dados de precipitação observados na Bacia do Rio Grande no período de análise. No segundo caso esse procedimento não foi necessário, pois os mapas de precipitação observados, durante o período da análise, não indicaram grandes variações com relação a configuração da distribuição de precipitação apresentada na figura 17. Caso 1: Na figura 1 é apresentado uma interpolação dos dados observados na bacia do Rio Grande (contorno mais espesso), no período entre as 9:00 horas do dia 06/02 até as 09:00 horas do dia 07/02, onde os símbolos vermelhos representam estações pluviométricas. Fonte:Furnas/ONS. Nesse estudo, o modelo foi inicializado a parir do dia 06/02/2002 às 12:00 Z, e a simulação é válida para um período de 24 horas. 2564 Figura 1 Precipitação observada entre as 9:00 HL do dia 06/02 até as 09:00 HL do dia 07/02 Fonte:Furnas/ONS Nas figuras 2 à 7, os resultados obtidos com as simulações realizadas com o modelo MM5 são apresentados. Figura 2 Previsão MM5 Parametrização 0 / validade 07/02/2002 Figura 3 Previsão MM5 Parametrização 2 / validade 07/02/ Figura 4 Previsão MM5 Parametrização 3 / validade 07/02/2002 Figura 5 Previsão MM5 Parametrização 4 / validade 07/02/2002 Figura 6 Previsão MM5 Parametrização 5 / validade 07/02/2002 Figura 7 Previsão MM5 Parametrização 6 / validade 07/02/2002 Com relação aos dados observados demonstrados na figura 1, podemos identificar três núcleos principais de precipitação. Esses núcleos foram numerados de acordo com a sua posição geográfica, para melhor comparação com os dados da simulação, dessa forma definimos N1: -47,5;-21.5, N2: -45.5;-21.0 e N3: -45.0; A parametrização 0 apresentou uma configuração dos campos de precipitação totalmente distinta da observada, inclusive apresentando um núcleo de precipitação numa região onde os dados observados indicam ausência de chuva e não detectando precipitação nas regiões indicadas pelas observações. O exposto evidencia a importância dos esquemas de camada limite atmosférica na descrição dos campos de precipitação. De uma maneira geral, todas as parametrizações analisadas apresentaram índices pluviométricos prognosticados ( 30 mm) abaixo dos resultados observados (40 45 mm). Com relação a posição dos núcleos de precipitação, podemos afirmar que N3 foi o núcleo previsto com maior acurácia por todos os esquemas de parametrização, com exceção da parametrização 0, no entanto com intensidade calculada ( 20 mm) muito abaixo do nível observado( mm). A presença do núcleo N1, sendo o núcleo de precipitação mais intenso da região analisada (45 mm), foi detectada de forma bastante discreta pelos esquemas de parametrização 2 ( 5 mm) e parametrizações 4 e 6 ( 3mm). Os resultados obtidos com as parametrizações 3 e 5 não conseguiram detectar a existência desse núcleo. O resultado do modelo usando a 2566 parametrização 4, que é uma variação do modelo de Mellor-Yamada, mesmo apresentando índice pluviométrico abaixo do valor observado, foi o único a prognosticar a correta posição desse núcleo. Na figura 8 são apresentados os dados observados de precipitação na bacia do Rio Grande, no período entre as 9:00 horas do dia 07/02 até as 09:00 horas do dia 08/ Figura 8 Precipitação observada entre as 9:00 horas do dia 07/02 até as 09:00 horas do dia 08/02 Fonte:Furnas/ONS Na figura 9 observa-se uma imagem de satélite das 13:45 h (horário local) do dia 07/02/2002. Nesse horário foram registrados os maiores picos de precipitação observados. Os resultados das simulações com a precipitação acumulada em 24 horas, para o período de 07/02/02 a 08/02/02 00:00Z, são encontrados nas figuras 10 a 16. Figura 9 Imagem de satélite das 13:45 h (horário local) do dia 07/02/ Fonte:Furnas/ONS 2567 Figura 10 Previsão MM5 Parametrização 0 / validade 08/02/2002 Figura 11 Previsão MM5 Parametrização 1 / validade 08/02/2002 Figura 12 Previsão MM5 Parametrização 2 / validade 08/02/2002 Figura 13 Previsão MM5 Parametrização 3 / validade 08/02/ Figura 14 Previsão MM5 Parametrização 4 / validade 08/02/2002 Figura 15 Previsão MM5 Parametrização 5 / validade 08/02/2002 Figura 16 Previsão MM5 Parametrização 6 / validade 08/02/2002 Por analogia com o período anterior, os núcleos foram numerados de acordo com a sua posição geográfica obtendo-se N4: -48,5;-20,0, N5:-48.5;-18.0; N6: -45,5;-20.5 e N7:-45,0; Os esquemas de parametrização 2, 5 e 6 apresentaram valores subestimados para a intensidade de precipitação referente ao núcleo 4 (50 60 mm), quando comparados com os valores disponíveis observados (70 80 mm). Além disso a posição prevista por esses modelos, para o núcleo da precipitação, encontra-se deslocado para leste. Os demais esquemas, além de apresentarem valores extremamente subestimados para o nível de precipitação dessa região ( 20 mm), prognosticaram uma configuração da distribuição de precipitação mais dispersa que a configuração observada. O núcleo 5 só foi detectado pela parametrização 5, ficando um pouco deslocado para leste, mas praticamente com a mesma intensidade. Com relação ao núcleo 6, nenhuma parametrização indicou precisamente a sua posição, sendo que a parametrização 4 foi a que apresentou uma melhor concordância com a sua posição e intensidade, ficando no prognóstico o núcleo um pouco deslocado para sul Todos os esquemas de parametrização, com exceção da parametrização 0, apresentaram uma boa coerência com relação à posição do núcleo 7. Vale ressaltar a região onde ocorreu a precipitação verificada no núcleo 7 é de 2569 topografia bastante acidentada. Com relação à intensidade, as únicas parametrizações que não superestimaram os valores de precipitação foram a 1, 3 e 6. Através da análise da figura 9, podemos notar que a região de maior nebulosidade está coincidente com os núcleos de precipitação previstos pelo modelo. Vale ressaltar, que a posição e a intensidade dos núcleos de precipitação variaram bastante nos diferentes esquemas de parametrização estudados nesse trabalho, demonstrando uma sensibilidade relevante nos prognósticos de precipitação do MM5 a esses esquemas. Caso 2: A figura 16 a seguir, apresenta a precipitação observada entre as 09:00 horas do dia 06/04 e as 09:00 horas do dia 07/04 (horário local), e na figura seguinte é mostrada uma imagem de satélite do período de maior nebulosidade do dia 06/04. A previsão do modelo ETA para esse período, é apresentada nas figuras 18 e 19. O resultado das simulações realizadas com o MM5 estão nas figuras 20 a 25. Figura 17 Precipitação observada entre as 09:00 horas do dia 06/04 e as 09:00 horas do dia 07/04 (horário local) - Fonte:CPTEC/INPE/ONS 2570 Figura 18 Imagem de satélite das 18:45 h (horário local) do dia 06/04/ Fonte:Furnas/ONS Figura 19 Previsão do modelo ETA para o dia 07/04/02 00:00h Z - Fonte:CPTEC/INPE Figura 20 Previsão do modelo ETA para o dia 07/04/02 12:00h Z - Fonte:CPTEC/INPE 2571 Figura 21 Previsão MM5 Parametrização 0 / validade 07/04/2002 Figura 22 Previsão MM5 Parametrização 1 / validade 07/04/2002 Figura 23 Previsão MM5 Parametrização 2 / validade 07/04/2002 Figura 24 Previsão MM5 Parametrização 3 / validade 07/04/ Figura 25 Previsão MM5 Parametrização 4 / validade 07/04/2002 Figura 26 Previsão MM5 Parametrização 5 / validade 07/04/2002 Figura 26 Previsão MM5 Parametrização 6 / validade 07/04/2002 Os dados observados da figura 16 indicam que a precipitação.observada no período se concentrou no leste do estado de São Paulo e sul do estado do Rio de Janeiro. O estado de Minas Gerais não apresentou precipitação. Os resultados estimados pelo modelo ETA apontam para ocorrência de precipitação em todo o litoral da região sudeste e no interior de Minas Gerais. Tal fato também foi percebido com os resultados obtidos com o MM5 quando utilizadas as parametrizações 3 e 4, embora com núcleos de precipitação mais esparsos e de menor intensidade em Minas Gerais. No trabalho de Janjic(1993) é feita uma discussão sobre as possíveis causas da superestimativa de valores de precipitação, que entre outras, podem estar associadas ao esquema tradicional de fechamento da turbulência de Mellor-Yamada. No estudo foi proposto uma nova parametrização para a CLA, tendo sido incorporada no modelo ETA e no esquema da parametrização de índice 4. No entanto, os resultados apresentados no presente trabalho, através das figuras 23 e 24, demonstram que a configuração de precipitação estimados através das parametrizações 3 e 4 apresentam comportamento semelhante. Os resultados obtidos com as parametrizações 0 e 1, foram os que apresentaram os menores índices de precipitação e a menor concentração espacial, mas a precipitação ocorrida no litoral de São Paulo não foi detectada.indicando que tais parametrizações não conseguem prever acuradamente a distribuição de precipitação. Nas simulações realizadas com as parametrizações 2 e 5, que são baseadas no modelo de Blackadar, indicaram a ocorrência de precipitação nas regiões litorâneas, e ausência de chuva no interior da região sudeste. Com o índice de parametrização 6, as simulações apresentaram um resultado semelhante com o obtido através das parametrizações 3 e 4, porém com poucos núcleos de precipitação no interior de Minas Gerais. CONCLUSÕES Os resultados desse trabalho, mesmo que bastante preliminares, apontam para a necessidade de um maior estudo das influências das diferentes parametrizações da CLA, nos campos previstos pelos modelos de mesoescala, principalmente aqueles cujo prognóstico não depende somente da solução numérica das equações de movimento e de energia. A geração de turbulência ocorrida na CLA, devido aos termos de cisalhamento e ao aquecimento ou resfriamento da superfície, exercem fundamental importância no comportamento dos fluxos de calor e umidade que chegam até a alta troposfera, atuando diretamente na microfísica de nuvens. Vale ressaltar que em um cenário caracterizado pela atuação de um sistema frontal, as parametrizações com maior detalhamento dos processos de camada limite apresentaram, de uma maneira geral, resultados coerentes com os dados de precipitação observados. 2573 A discrepância entre os diferentes esquemas de parametrização da CLA, tornaram-se mais importantes à medida que os efeitos locais são determinantes para a descrição dos regimes de precipitação, como o estudado no caso 2. Dessa forma, os resultados obtidos com as parametrizações 2 e 5 apresentaram, neste caso, maior concordância entre si, da mesma forma que as parametrizações 3 e 4, por serem variações de um mesmo modelo de CLA. Algumas simulações apresentaram uma concordância bastante otimista com relação aos dados observados, principalmente os obtidos com as parametrizações 2 e 5 no caso 1, onde os núcleos de precipitação previstos e a sua intensidade ficaram bastante próximos do observado. No caso 2, essas parametrizações foram as únicas que não prognosticaram precipitação em Minas Gerais, em concordância com os dados observacionais. As simulações realizadas apresentaram um desempenho computacional extremamente aceitável do ponto de vista operacional, sem se verificar um aumento do custo computacional derivado dos diferentes usos de parametrizações de CLA. Pretende-se dar continuidade a esse trabalho, no sentido de se verificar operacionalmente qual a parametrização de CLA que mais se adequar às
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