CC54Z - Hidrologia

Precipitação: definição, métodos de medição e grandezas características

Prof. Fernando Andrade

Curitiba, 2014

Universidade Tecnológica Federal do Paraná

• Definir a importância da precipitação

• Analisar os mecanismos de formação da chuva

• Conhecer os equipamentos de medição de precipitação

• Introduzir as grandezas características da precipitação (duração, intensidade e frequência) e sua variabilidade espacial e temporal

Objetivos da aula

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Definição e equipamentos de medição da precipitação

Definição e importância

da precipitação

• Água da atmosfera que atinge a superfície da Terra na forma de chuva, granizo, neve, orvalho, neblina ou geada [1]

• É a única forma de entrada de água em uma bacia hidrográfica (fornece subsídios para a quantificação da hidrologia)

• A chuva é a causa mais importante dos processos hidrológicos de interesse da engenharia e é caracterizada por uma grande aleatoriedade espacial e temporal

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Atmosfera

• A maior parte do ar atmosférico (e do vapor de água) encontra-se na camada chamada troposfera (10 a 12 km)

• A temperatura entre o nível do mar e altitudes na troposfera varia aproximadamente 6,5 ºC a cada quilômetro

• O gradiente de temperatura, a rotação da Terra, as propriedades físicas e químicas do vapor de água determinam a circulação da água na atmosfera

• A hidrometeorologia é a ciência que estuda essas questões

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Àgua da atmosfera

• A água existente na atmosfera está, em sua maior parte, na forma de vapor ( 4% do ar atmosférico) [2]

• A quantidade máxima de vapor que pode ser contida na atmosfera sem condensar é a concentração de saturação (Cs)

• Cs a 20ºC é de aproximadamente 20 g/m3 (quantidades superiores a esta acabam condensando)

• Cs diminui com a diminuição de temperatura do ar (aumento da altitude)

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Formação das chuvas:

concentração de saturação

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Tipos de chuvas

• Chuvas frontais: encontro de duas massas de ar, uma fria e uma quente, que é empurrada para cima onde resfria e condensa

• As massas de ar são lentas e possuem centenas de quilômetros de extensão

• Chuvas frontais têm uma intensidade relativamente baixa e uma duração longa. Podem atingir o mesmo local por vários dias seguidos.

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Tipos de chuvas

• Chuvas orográficas: ocorrem em regiões

em que um grande obstáculo do relevo,

como uma cordilheira ou serra muito alta,

impede a passagem de ventos quentes e

úmidos, que sopram do mar, obrigando o

ar a subir

• No Brasil as chuvas orográficas ocorrem

especialmente ao longo da Serra do Mar

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Tipos de chuvas

• Chuvas convectivas: ocorrem pelo aquecimento de massas de ar, relativamente pequenas, que estão em contato direto com a superfície quente dos continentes e oceanos

• Os processos convectivos produzem chuvas de grande intensidade e de duração curta. Problemas de inundação em áreas urbanas estão, muitas vezes, relacionados às chuvas convectivas

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Tipos de chuvas

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Chuva frontal

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Chuva orográfica

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Chuva convectiva

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Medição da precipitação

• Pluviômetro: recipiente para coletar a água

precipitada com algumas dimensões

padronizadas

• Forma cilíndrica com uma área de

captação da chuva de 400cm2: o volume

de 40ml de água acumulado no

pluviômetro corresponde a 1 mm de chuva

• O pluviômetro é instalado a uma altura

padrão de 1,50m do solo

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Pluviômetro

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Estações pluviométricas:

bacia do Paraná

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Medição da precipitação

• Pluviógrafo: pluviômetros adaptados para realizar medições de forma automática, registrando os dados medidos em intervalos de tempo inferiores a um dia

• Radar: emissão de pulsos de radiação eletromagnética que são refletidos pelas partículas de chuva na atmosfera

• Satélite: estimativas da precipitação a partir de imagens obtidas por sensores instalados em satélites

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Radar

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Satélite

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Grandezas características da precipitação e variabilidade

espaço-temporal

Grandezas características

da precipitação

• Altura (ou lâmina) precipitada: é a espessura média da lâmina de água que cobriria a região atingida se esta fosse plana e impermeável (i.e., mm)

• Duração: é o período de tempo durante o qual a chuva cai

• Intensidade: é a altura precipitada dividida pela duração da chuva (i.e., mm/h)

• Frequência: é a quantidade de ocorrências de eventos iguais ou superiores ao evento considerado

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Variabilidade temporal

• ****

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Variabilidade sazonal

• Tendência da variação da precipitação

com os meses (ou estações) do ano

• Mês seco é aquele que apresenta

precipitação abaixo da média anual

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Frequência

• Em uma série de dados, uma frequência pode ser associada a cada intervalo de precipitação

• Assim, podemos calcular a probabilidade de ocorrência de um limite de precipitação com base na série histórica

• Tempo de retorno TR é o inverso da probabilidade

TR=1/p

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Exemplo

• ****

26

• Com base na série histórica de registros diários de precipitação, calcule a frequência em que os eventos são ultrapassados, a probabilidade de ocorrência e o tempo de retorno

Variabilidade Espacial

• A chuva caracteriza-se por uma grande variabilidade espacial [3]

• A forma de representar a variabilidade espacial da chuva para um evento (i.e., diário, mensal, anual) são as linhas de mesma precipitação desenhadas sobre um mapa (isoietas)

• As isoietas são obtidas por interpolação dos dados pluviométricos e podem ser traçadas de forma manual ou automática

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Mapa de chuva: isoietas

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Chuva média numa área

• Os dados de chuva dos pluviômetros referem-se a uma área de coleta quase pontual (400 cm2)

• Porém, o maior interesse na hidrologia é por chuvas médias que atingem uma região ampla, como a bacia hidrográfica

• O cálculo da chuva média sobre regiões amplas pode ser realizado por métodos de interpolação, como o da média aritmética e o método de Thiessen

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Chuva numa bacia:

média aritmética

30

50 mm

66 mm

44 mm

40 mm

42 mm

Chuva numa bacia:

média aritmética

31

50 mm

70 mm

120 mm

Chuva numa bacia:

média de Thiessen

• No método de Thiessen, ou método do vizinho mais próximo, é definida a área de influência de cada posto fluviométrico

• É calculada uma média ponderada da precipitação com base nestas áreas de influência

• Onde ai é a fração de área da bacia sob influência do posto i e Pi é precipitação medida no posto i

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n

1i

ii PaP

Chuva numa bacia:

Método de Thiessen

33

50 mm

120 mm

70 mm

82 mm75 mm

Chuva numa bacia:

Método de Thiessen

34

50 mm

120 mm

70 mm

82 mm75 mm

Chuva numa bacia:

Método de Thiessen

35

50 mm

120 mm

70 mm

82 mm75 mm

Chuva numa bacia:

Método de Thiessen

36

50 mm

120 mm

70 mm

82 mm75 mm

Chuva numa bacia:

Método de Thiessen

37

50 mm

120 mm

70 mm

82 mm75 mm

Chuva numa bacia:

Método de Thiessen

38

50 mm

120 mm

70 mm

75 mm 82 mm

Chuva numa bacia:

Método de Thiessen

39

50 mm

120 mm

70 mm

75 mm 82 mm

Chuva numa bacia:

Método de Thiessen

40

50 mm

120 mm

70 mm

75 mm 82 mm

Chuva numa bacia:

Método de Thiessen

41

50 mm

120 mm

70 mm

75 mm 82 mm

40%

30%

15%

10%

5%

82.1,075.05,050.3,070.4,0120.15,0P

Referências bibliográficas

[1] TUCCI, C. E. M.. Hidrologia: ciência e aplicação. Porto Alegre. Editora da Universidade, 4 ed. 2009

[2] PINTO, N. et al.. Hidrologia básica. São Paulo. Editora Edgard Blucher, 1976

[3] VILLELLA, S. M., MATTOS, A.. Hidrologia aplicada. São Paulo. Editora McGraw Hill do Brasil, 1975