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Capítulo 6 Precipitação

Capítulo 6 Precipitação - zeus.iag.usp.bre7%e3o_2015.pdf · dominante teremos gotas de chuva, flocos de neve ou mesmo granizo como hidrometeoros precipitantes. •Por exemplo,

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Capítulo 6Precipitação

1. Distribuição de tamanho de gotas -DSD

• A precipitação poder ter sido iniciada atravésdo processo de coleta seguida de coalescência& acreção & agregação ou pela simples formação de cristais de gelo.

• A medida que os hidrometeoros atingemtamanhos precipitáveis, eles crescem a partirda coleta de gotículas de nuvens(coalescência/acreção), cristais de gelo(agregação) ou uma combinação entre elas.

• Dessa maneira, dependendo do processodominante teremos gotas de chuva, flocos de neve ou mesmo granizo como hidrometeoros precipitantes.

• Por exemplo, a coalescência é predominante emnuvens quentes com altos valores de LWC

• Nas tempestades de neve, que são nuvens frias, temos o predomínio da agregação.

• Já em nuvens mistas, podemos ter os 3 processos.

• No globo temos que grande parte do volume precipitante se deve à chuva e para caracteriza-la utiliza-se a Taxa de Precipitação (R).

• A taxa de precipitação por sua vez pode ser descrita em função da DSD que expressa a distribuição do número de gotas por volume porintervalo de classe de diâmetro – N(D).

• De uma forma geral, indenpendente da região de observação a concentração de gotas diminui com o aumento do tamanho (diâmetro).

Para caracterizar a DSD utilizamos sensores que contam o número de gotas (disdrômetros) emuma área de 50 cm2 a partir da vibraçãocausada pelo impacto(JOSS) ou mesmo peloespalhamento da luz ousombra (Parsivel e ouThiess).

• As 1o medidas de DSD foram feitas em Otawa(Canadá) durante o verão Canadense pelospesquisadores Marshall e Palmer (1948). Nesteestudo, eles parametrizaram as precipitaçõesnaquela região e descobriram que elas podiamser descritas por uma função do tipo exponencial.

Onde N(D) representa a concentração de gotas porm3, N0 o coeficiente linear (0,08 cm-4) e o coeficiente angular ( = 41R-0,21) que depende de R (taxa de precipitação em mm/h)

DNDN exp)( 0

• Por outro lado, podemos lembrar que a taxa de precipitação pode ser expressa como:

Onde VT(D) representa velocidade terminal de queda dos hidrometeoros e W a velocidadevertical. Na superfície W = 0.

0

3 )()(6

dDWDVDDNR T

N0

DNDN exp)( 0

Além disso, temos também a

distribuição Gama

N(D) = N0 D e-D

DeDNDN 0)(

Ou a distribuição gama generalizada:

Deirmenjian, D.: Electromagnetic

scattering on spherical polidispersions.

Elsevier, New York (1969)

Forma

Escala

2. Rompimento das gotas

• A ruptura das gotas de chuva implica no aparecimento de DSD exponenciais, uma vezque a quebra é dependente do tamanho.

• A medida que a gota cresce, aumenta a chance de rompimento/quebras.

• Este efeito decorre da circulaçãoaerodinâmica induzida na gota de chuva apósesta atingir diâmetros maiores que 3 mm.

• Basicamente a tensão superficial da gota () não é suficiente para segurar as moléculas de água.

• Portanto, a medida que os diâmetros sãomaiores, as gotas se tornam instáveis e se quebram a parte.

• Outro processo de rompimento é a colisãoentre elas, pois dependendo do tamanho, davelocidade relativa e do ponto de impacto, podemos ter a coalescência, o rebatimenteo e o rompimento das gotas.

• Com a ocorrência destes processos, podemoster o aparecimento de certas modas.

Processos de rompimento

• Rompimento do filamento é causado por colisõesinclinadas que possibiliam a criação de novas gotas a partirda desintegração do filamento.

• Rompinento da folha: Após a colisão a gota maiordesaparece, pois a medidaque ela gira em torno do ponto de impacto, ela criavárias gotas menores

• Disco: ocorre quando o impacto acontece no meioda gota coletora, que gerauma uma coalescênciatemporária seguida de rompimento de váriasgotículas pequenas

Equilíbrip

• Após um certo intervalo de tempo em geralassociado ao volume de chuva, a DSD atingeum equilíbrio e a forma da DSD se estabiliza.

Neste processo de equilíbrio temos que as gotas grandesconsomem as pequenas, porém depois de um tempo elas se rompem a parte e aumentam a concentração de gotaspequenas e diminuem a concentração das gotasmaiores

LWC CTE para cada DSDAntes e depois do equilíbrio

R1> R2> R3

3. DSD de flocos de neve

• Flocos de neve representam o maior volume de precipitação sólida, e como tem formasirregulares de agregados e de cristais de nevefica difícil fazer uma medida de seu tamanho.

• Portanto, as medidas da concentração de flocos de neve é feita a partir da massa oudiâmetro de um gota formada a partir do derretimento do floco de neve.

4. Granizo e graupel

• Granizo esta associado ao processo de acreção, ou seja, coleta de gotículas de água super-resfriada pelos cristais de gelo (formados por sublimação ou congelamento)

CM

Ajuste exponencial

CHUVA

Granizo cm

cm

Classificações: Estratiforme e Convectiva

• Estratiforme – generalizada, precipitaçãocontínua associada à ascenção de movimentosde larga escala produzidos por sistemasfrontais, topografia ou mesmo convergênciahorizontal de grande escala.

• Nimbostratus, Cumulus em dissipação.

• Agregação e difusão de vapor.

• Baixo LWC

• Convectiva – Localizada, pancadas de chuva, precipitação associada a convecção de cumulus em atmosfera instável.

• Cg, Cb

• Coalescência e Acreção

• LWC alto.

Outra visão para a Classificação Convectiva e Estratiforme

De acordo com a definição padrão (Houze, 1993), temos que ter

medidas simultâneas de velocidade vertical e velocidade terminal dos hidrometeoros para poder fazer a classificação de precipitação como sendo Convectiva ou Estratiforme.

Waldvolgel (1974) propôs um método baseado na variação do N0 (parâmetro linear/interceptador) a partir de um ajuste da função exponencial (N(D) = N0 exp (-D). Valores baixos de N0 estavam associados ao aparecimento da banda brilhante (neve derretendo)(BB), logo precipitação estratiforme. Variações repentinas de N0 estavam associados ao desaparecimento da BB, logo precipitação convectiva, ou mesmo pequenas alterações de N0 também.

Esta classificação não era muito valida para precipitações nos Trópicos e de acordo com Tokay e Short (1996) esta classificação é sucetível à variações de e R.

Em nuvens Maritimas Convectiva :

Mais CoalescenciaChuva D0 < D0e R(Z) Menor

Menor evaporação D0 menor R(Z) Menor

Em nuvem estratiforme :

Agregação de gelo D0 maior R(Z) maior

Maior evaporação D0 maior R(Z) maior .

Classificação Convectiva e Estratiforme

1

10

100

20 25 30 35 40 45 50

Stratiform Z=276 R^1.49

Convective Z=147R^1.55

R [

mm

/hr]

Reflectiv ity [dBZ]

TRM M Z-R

Do é diâmetrocom 50% de LWC

Zcv < Zst

O modelos de distribuições de gota de chuva (RDSD) maisaplicados são:

Exponential: N(D)=N0exp(-3.67D/D0)Marshall-Palmer (1948), Laws-Parsons (1943), Best (1950)

Log-Normal: Feingold and Levin (1986)

Gamma: N(D)=N0Dexp[-(3.67+)D/D0]Deirmendjian (1969), Willis (1984), Ulbrich (1983)

0

33

0

636

)(6

/

)(/

dDDDNmgLWC

dDDDNmmmZ

L

Processos que determinam a RDSD – Rain DSD

A modificação da DSD somente

pelo processo de

colisão/coalescência implica em:

• diminuição da concentração de

gotas pequenas

• aumento da gotas grandes

Isto implica que:

• D0 deve aumentar

• Número total de gotas NT deve

diminuir.

Coalescencia

Do

Processos que determinam a RDSD

Rompimento

A modificação da DSD somente

pelo processo de ruptura implica

em:

• aumento do número de gotas

pequenas

• diminuição das gotas grandes.

Portanto, deve haver

• decréscimo de D0

• aumento da NT.

• Logo, N0 deve aumentar.

Do

Processos que determinam a RDSD

A quebra é mais importante para

tamanhos maiores, enquanto que

colisão/coalescência é mais

importante para gotas menores.

Combinação entre Colisão/Coalescência e Quebra

Processos que determinam a RDSD

Uma vez que a acreção de gotas de

nuvem pelas gotas de chuva age no

sentido de aumentar o tamanho de

todas as partículas sem aumentar o

número delas

NT não deve mudar.

Entretanto deve existir um desvio

da distribuição para tamanhos

maiores, logo:

• aumento de D0

• Como NT é constante, N0 deve

aumentar.

Acreção

Do

Processos que determinam a RDSD

A evaporação reduz em maior grau

o número de gotículas pequenas do

que as grandes.

• Consequentemente NT diminui.

Também temos uma alteração na

DSD implicando:

• aumento de e D0

• Logo diminuição de N0

Evaporação

Do

Processos que determinam a RDSD

A presença da corrente ascendente

é o de eliminar as partículas

pequenas da DSD nos níveis mais

baixos.

Logo este efeito é similar ao da

evaporação.

Corrente Ascendente

Processos que determinam a RDSD

Com a corrente descendente, temos

um aumento do fluxo de pequenas

partículas.

• diminuição de

• implica no aumento de

Nesta linha temos que

• Aumento de NT

• Diminuição de D0

Corrente Descendente

Do

Processos que determinam a RDSD

Separação por tamanho:

• DSD fica mais estreita

• aumento substancial de .

• NT deve diminuir.

D0 pode aumentar ou diminuir e

depende da parte da precipitação

que estamos observando.

Seleção de tamanho

Do

Impacto da DSD de nuvem na evolução da RDSD

DSD Nuvens Maritimas

Coalescência/gotas de nuvem garoa

Coalescência/garoa gotas de chuva

Mais coalescência gotas grandes

Quebra/ruptura e DSD de equilíbrio

•Se aproxima de D0e por baixo

•DSD Nuvens continentais

Acreção de gotas de nuvem

graupel granizo gotas

grandes quebra DSD de

equilíbrio

Se aproxima de D0e por cima

DoDo

Medidas de Disdrometro durante diversas campanhas do TRMM

0.01

0.1

1

10

100

1000

0 1 2 3 4 5 6

Florida Cont

Florida Mar

LBA Cont

LBA Mar

India Cont

India Mar

Kwaj MarN

[m

m m

-3 \

m

m h

r-1

]

D [m m ]

Rosenfeld and Tokay, 2002