Propriedades Microfísicas da Precipitação em

Tempestades com Raios Ascendentes

Jessica Cristina dos Santos Souza

Rachel Ifanger Albrecht

Marcelo Magalhães Fares Saba

Introdução Antecedentes:

Raios iniciados de altas estruturas são estudados desde o final da década de 30. Os pioneiros são os trabalhos de McEachron (1939, 1941), que obteve imagens e mediu a corrente de um líder ascendente.

Figura 2 - Raio ascendente no Empire State Building em Nova York. Fonte: [1]

t1

t1

t1 t2

t3 t4 t5

t6 t7 t8

RA

t0

As etapas da ocorrência de raios ascendentes podem ser representadas pelas seguintes imagens:

Introdução

Figura 1 – Sequencia temporal da propagação dos líderes negativos (azul) e positivos (vermelho) de um raio NS positivo (+CG) sobre estruturas altas (torres) (t0 à t4) e a subsequente indução de líderes positivos ascendentes nestas estruturas (t5) e formação dos raios ascendentes (RA) (t6 à t8). Fonte: Warner et al. (2012).

Introdução

Motivação:

Poucos países possuem registros de raios ascendentes, entre eles os EUA, o Canadá, o Japão e a Áustria. No Brasil, o ponto inicial para estudar este fenômeno foi baseado em uma análise prévia da incidência de raios na área urbana da cidade de São Paulo no período de 1999 a 2011.

Figura 3 – Incidência de raios NS detectados pela rede RINDAT durante o período de 1999 a 2011 para uma área de 10 km de raio em torno do Pico do Jaraguá. A escala de cores indica o número de descargas de retorno em 250 m x 250 m. Fonte: Saba et al. (2012).

Figura 4 – Foto de um raio ascendente no Pico do Jaraguá, São Paulo.

Fonte: Saba et al. (2012).

Introdução

Motivação:

Local de registro dos RA’s:

Figura 9 – Pico do Jaraguá localizado na cidade de São Paul e no Brasil (a) e as duas torres de transmissão (b). Fonte: Saba, 2012 .

(a) (b)

Introdução Motivação:

Zoom de 1°

Corte Latitudinal

Corte Longitudinal

Figura 5 - Dados de refletividade do radar (dBZ) do produto CAPPI do radar São Roque para o dia 16/01/2014 às 17:01 GMT para o segundo nível (3 km) (a) com zoom de 1 grau (b)

(a) (b)

(a)

(b)

Figura 6 - Dados de refletividade do radar (dBZ) do produto CAPPI do radar São Roque para o dia 16/01/2016 às 17:01 GMT com a altura em função da latitude (a), altura em função da longitude (b), respectivamente longitude e latitude fixas e torre do pico do Jaraguá marcado com ▲ nas figuras;

Introdução

Motivação:

(a) (b)

Figura 7 - Classificação da precipitação em convectiva (= vermelho) e estratifome (= azul) (a) e valores de refletividade variando com a altura, plotados com latitude e longitude fixas nas coordenadas da torre do pico de Jaraguá (b) para o dia 16/01/2014 às 17:01 GMT.

Figura 8 – Visão tridimensional e temporal (cores são o tempo determinado no painel superior) de um dos RA (23:24:40 UTC) gerados durante a varredura do radar da Figura 4. As figuras estão centradas no Pico do Jaraguá (triângulos). Adaptado de Souza et al. (2015a,b)

Motivação:

Na tabela 1, destaca-se uma preferência da ocorrência de RA’sna região estratiforme dos sistemas convectivos. A maioria dos casos tiveram a banda brilhante do radar perceptível indicando uma precipitação estratiforme.

Ano Número de Raios

Ascendentes Classificação Convectiva x

Estratiforme Presença de Banda Brilhante

do Radar

2012 43 Estratiforme Sim (24) Não (19)

2013 17 Estratiforme Sim (15) Não (2)

2014 28 Convectiva (3)

Estratiforme (25) Sim (7)

Não (21)

2015 30 Convectiva (10)

Estratiforme (20) -

2016 22 Convectiva (1)

Estratiforme (21) -

Introdução

Tabela 1. Características gerais das tempestades que produziram os raios ascendentes.

Objetivos:

Determinar as propriedades microfísicas das tempestades que geram RA, determinando o tipo de hidrometeoros presente nas porções convectiva e estratiforme da precipitação, baseado em observações de radar polarimétrico. Mais especificamente serão explorados

(i) a distribuição espacial e temporal e

(ii) a estrutura vertical da precipitação e atividade elétricas das tempestades que geraram RA.

Por fim, baseado nesses resultados, serão procuradas essas mesmas características em outras tempestades a fim de

(iii) identificar possíveis RA nas demais estruturas altas de grandes centros urbanos.

Introdução

Dados:

Para a caracterização da distribuição espacial e temporal e da estrutura vertical da precipitação e atividade elétricas das tempestades que geraram RA (itens (i) e (ii) dos objetivos) os dados a serem utilizados consistem em medidas concomitantes de vários sensores (vídeo, raios e radar) de 56 RA ocorridos em 17 tempestades diferentes entre 2014 e 2016 (Tabela 2).

Data Hora (UTC) Data Hora (UTC) Data Hora (UTC)

2014-11-08 031359 2015-09-08 203153 2016-02-26 042345

2014-11-08 031824 2015-09-08 203519 2016-02-26 043349

2014-11-08 032342 2015-09-08 204316 2016-03-03 164029

2014-12-12 200555 2015-09-08 204843 2016-03-10 233637

2014-12-19 234641 2015-09-28 042409 2016-03-10 234426

2015-02-05 133842 2015-09-28 050906 2016-03-10 234706

2015-02-05 140523 2015-11-13 235626 2016-03-31 203520

2015-02-05 141513 2015-12-12 192554 2016-03-31 204121

2015-03-11 032828 2015-12-12 193838 2016-03-31 204341

2015-09-07 204115 2015-12-12 193838 2016-03-31 204801

2015-09-07 210019 2015-12-19 211013 2016-03-31 205351

2015-09-08 051737 2015-12-19 212041 2016-03-31 205538

2015-09-08 051934 2015-12-19 212517 2016-03-31 205849

2015-09-08 200647 2015-12-19 221022 2016-03-31 210304

2015-09-08 201626 2015-12-19 221719 2016-03-31 210443

2015-09-08 201827 2015-12-19 233322 2016-03-31 210853

2015-09-08 202017 2016-01-27 202728 2016-03-31 211005

2015-09-08 202151 2016-02-05 220150 2016-03-31 212010

2015-09-08 202459 2016-02-05 221123 2016-03-31 212430

Tabela 2 – Data e hora (HHMMSS) dos 56 RA filmados com câmera rápida correspondentes às tempestades a serem analisadas neste projeto.

Metodologia

Dados

Vídeos de câmeras rápidas do CCST INPE (projeto FAPESP 12/15375-7)

Os RA’s foram identificados e filmados com uma câmera Photron Fastcam 512 PCI, operando com uma taxa de amostragem de 4.000 imagens por segundo (ips) a uma distância de aproximadamente 5 km do Pico do Jaraguá.

Dados de descargas elétricas das Rede Brasileira de Detecção de Descargas Atmosféricas (BrasilDAT) e STARNET

As informações utilizadas da BrasilDAT constituem-se na data e localização, polaridade (discriminação em positiva e negativa) e pico de corrente das descargas de retorno IN e NS.

As informações utilizadas da STARNET constituem-se na data e localização das descargas de retorno NS.

Metodologia

Dados de radar polarimétrico

Serão utilizados dados de três radares polarimétricos . O primeiro é um radar banda-S (RADAR1) e será usado para a caracterização da (i) distribuição espacial e temporal e da (ii) estrutura vertical da precipitação e atividade elétricas das tempestades que geraram RA.

Os outros dois são radares banda-X (RADAR 2 e 3) dos Projeto ChuvaOnline (http://www.chuvaonline.iag.usp.br/) e Projeto SOS-CHUVA (http://soschuva.cptec.inpe.br/) e serão usados para (iii) identificar possíveis RA nas demais estruturas altas da cidade de São Paulo e região.

Metodologia

Figura 10 – Fotos dos radares polarimétricos a serem utilizados : a) radar banda-S do FCTH em Biritiba Mirim-SP, b) radar banda-X do FCTH e Lab. STORM-T

da USP no Parque CienTec em São Paulo-SP, e c) radar banda-X do Projeto SOS-CHUVA a ser instalado na Unicamp em Campinas-SP.

a) RADAR 1 b) RADAR 2 c) RADAR 3

Os dados descritos acima serão manipulados de acordo com as etapas:

Identificar os RAs nos vídeos e os raios NS que os desencadearam

Ler os dados do radar polarimétrico e identificar os sistemas convectivos que geraram os RAs

Algoritmo de classificação de hidrometeoros através das variáveis polarimétricas.

Análise da evolução espacial, vertical e temporal das tempestades

Análise do impacto antropogênico das estruturas altas Incidência de raios ao redor de torres altas

Identificar possíveis RA nas demais estruturas altas

Metodologia

Considerações finais

As regiões metropolitanas de São Paulo e de Campinas são as duas regiões mais populosas do Brasil e estão em constante processo de verticalização. Os resultados obtidos neste projeto de pesquisa serão importantes para a determinação do real impacto da verticalização na incidência de raios e para a proteção contra descargas elétricas, as quais são baseadas em raios descendentes.

Quanto ao enquadramento dos objetivos deste projeto proposto nos objetivos do SOS-CHUVA (FAPESP 15/14497-0), este contribuirá diretamente para os seguintes objetivos específicos do SOS-CHUVA: a) Desenvolver um modelo conceitual da evolução de tempestades em função das variáveis polarimétricas do radar; f) Desenvolver ferramentas de previsão imediata visando determinar a evolução de sistemas já maduros; g) Estudar a ocorrência de descargas elétricas e sua previsibilidade.

Referências • [1]: www.flickr.com/photos/nycismymuse/6041574804/ Acesso em 10/06/216

• Albrecht, R. I., 2004: Características microfísicas da precipitação convectiva e estratiforme associadas à oscilação intrasazonal no sudoeste da Amzônia. Universidade de São Paulo, 117 pp.

• Albrecht, R. I., C. A. Morales, E. V. Mattos, T. S. Biscaro, L. Machado, E. Anselmo, and J. Neves, 2012: TEMPESTADES E TEMPO SEVERO DURANTE O EXPERIMENTO CHUVA-GLM VALE DO PARAÍBA. XVII Congresso Brasileiro de Meteorologia, Gramado, Brazil.

• Blakeslee, R. J., and Coauthors, 2013: Sao Paulo Lightning Mapping Array (SP-LMA ): Network Assessment and Analyses for Intercomparison Studies and GOES-R Proxy Activities. CHVUA International Workshop, Sao Paulo, Brazil, 1–8.

• Machado L.A.T., Silva Dias, M.A.F., Morales, C., Fisch, G., Vila, D., Albrecht, R., Goodman, S.J., Calheiros, A.J.P, Biscaro, T., Kummerow,C. , Cohen, J., Fitzjarrald,D., Nascimento,E. L., Sakamoto, M.S., Cunningham, C., Chaboureau,J.P., Petersen, W.A., Adams, D.K., Baldini, L., Angelis, C.F., Sapucci,L.F., Salio, P., Barbosa, H.M.J, Landulfo, E, Souza, R.A.F., Blakeslee, R.J., Bailey, J., Freitas, S., Lima, W.F.A., and Tokay, A., 2014: The Chuva Project: How Does Convection Vary across Brazil?. Bull. Amer. Meteor. Soc., 95, 1365–1380.doi: http://dx.doi.org/10.1175/BAMS-D-13-00084.1

• McEachron, K. B. Lightning to the Empire State Building , J. Franklin Inst., 227, 1149 – 1217, 1939.

——, 1941: Lightning to the Empire State Building II. Electr. Eng. Am. Inst. Electr. Eng, 60, 885–889.

• Morales, C. A., J. R. Neves, E. A. Moimaz, and K. S. Camara, 2014: Sferics Timing And Ranging NETwork – STARNET: 8 years of measurements in South America. XV International Conference on Atmospheric Electricity, Norman, OK, USA.

• Naccarato, A. C. V. SARAIVA, M. M. F. SABA, and C. SCHUMANN, 2012: First performance analysis of BrasilDAT total lightning network in southeastern Brazil. International Conference on Grounding and Earthing & 5th International Conference on Lightning Physics and Effects (2012).

• Saba, M. M. F., Alves, J. , Schumann, C. , Campos, D. R., Warner, T. A., Bie, L. L. . Upward Lightning in Brazil. In: 22nd International Lightning Detection Conference, 2012, Broomfield. 22nd International Lightning Detection Conference, 2012.

• Schumann,C. Caracterização dos raios ascendentes a partir de observações de câmeras de alta resolução temporal e medidas de campo elétrico , 2013. 26p. Proposta de Tese de Doutorado em Geofísica Espacial – Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, São José dos Campos, 2013.

• Steiner, M., R. A. Houze, and S. E. Yuter, 1995: Climatological Characterization of Three-Dimensional Storm Structure from Operational Radar and Rain Gauge Data. J. Appl. Meteorol., 34, 1978–2007, doi:10.1175/1520-0450(1995)034<1978:CCOTDS>2.0.CO;2.

OBRIGADA!