UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE - UFCG CENTRO DE CIÊNCIAS ATMOSFÉRICAS – DCA PÓS-GRADUAÇÃO EM METEOROLOGIA NUVENS Disciplina: Métodos de Modelagem

UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE - UFCGCENTRO DE CIÊNCIAS ATMOSFÉRICAS – DCA

PÓS-GRADUAÇÃO EM METEOROLOGIA

NUVENS

Disciplina: Métodos de Modelagem Numérica da Atmosfera

Soetânea Santos de OliveiraLeandro Gomes de Sousa

Winícius dos Santos AraújoIvone Cristina Barros Pedroza

EQUIPE:

Professor: Dr. Enilson Palmeira Cavalcanti

9.1 – Tipos de Nuvem e de Nevoeiro e o 9.1 – Tipos de Nuvem e de Nevoeiro e o Mecanismo de FormaçãoMecanismo de Formação

► NuvemNuvem é um conjunto visível de gotículas de água é um conjunto visível de gotículas de água líquida ou de gelo, ou ambas ao mesmo tempo, em líquida ou de gelo, ou ambas ao mesmo tempo, em suspensão na atmosfera.suspensão na atmosfera.

► As nuvens são um tipo de hidrometeoro. Um As nuvens são um tipo de hidrometeoro. Um HidrometeoroHidrometeoro é um conjunto de partículas de água é um conjunto de partículas de água líquida ou sólida em suspensão no ar ou em queda livre líquida ou sólida em suspensão no ar ou em queda livre na atmosfera. na atmosfera.

► As nuvens afetam a atmosfera de vários modos. Elas As nuvens afetam a atmosfera de vários modos. Elas absorvem e refletem a radiação, modificam a absorvem e refletem a radiação, modificam a temperatura do ar, a pressão, e a velocidade do vento, temperatura do ar, a pressão, e a velocidade do vento, produzem precipitação, misturam ar e gases produzem precipitação, misturam ar e gases rapidamente na vertical, removem gases e partículas rapidamente na vertical, removem gases e partículas do ar, e alteram os coeficientes de fotolise.do ar, e alteram os coeficientes de fotolise.

9.1.1 – Classificação das Nuvens9.1.1 – Classificação das Nuvens

► Em 1802, Jean Baptiste Lamark (1744-1829) propôs um Em 1802, Jean Baptiste Lamark (1744-1829) propôs um esquema para classificação de nuvem, porém os tipos de esquema para classificação de nuvem, porém os tipos de nuvens que ele sugeriu não foram aceitos. nuvens que ele sugeriu não foram aceitos.

► Em 1803, Luke Howard propôs um esquema alternativo de Em 1803, Luke Howard propôs um esquema alternativo de identificação das nuvens, que usava nomes com raízes identificação das nuvens, que usava nomes com raízes latinas.latinas.

► Para classificar as nuvens convencionou-se a divisão da Para classificar as nuvens convencionou-se a divisão da troposfera em três camadas, nas quais as nuvens de troposfera em três camadas, nas quais as nuvens de diferentes tipos (gêneros) formam-se mais frequentemente.diferentes tipos (gêneros) formam-se mais frequentemente.

CamadasCamadasAltitude das camadasAltitude das camadas

Regiões PolaresRegiões Polares Regiões Regiões TemperadasTemperadas Regiões TropicaisRegiões Tropicais

Superior Superior 3 a 8 Km3 a 8 Km 5 a 13 Km5 a 13 Km 6 a 18 Km6 a 18 Km

MédiaMédia 2 a 4 Km2 a 4 Km 2 a 7 Km2 a 7 Km 2 a 8 Km2 a 8 Km

InferiorInferior até 2 Kmaté 2 Km até 2 Kmaté 2 Km até 2 Kmaté 2 Km


► CirrusCirrus (Ci) (Ci) – Nuvens isoladas em forma de filamentos – Nuvens isoladas em forma de filamentos brancos e delicados, ou faixas estreitas brancas ou brancos e delicados, ou faixas estreitas brancas ou quase brancas, com aspecto fibroso. São constituídas quase brancas, com aspecto fibroso. São constituídas de cristais de gelo.de cristais de gelo.

► CirrocumulusCirrocumulus (Cc) (Cc) – Lençol ou camada fina de nuvens – Lençol ou camada fina de nuvens brancas, formadas de elementos muito pequenos, brancas, formadas de elementos muito pequenos, semelhantes a grãos, rugas ou flocos, ligados ou não e semelhantes a grãos, rugas ou flocos, ligados ou não e quando estão em grande número, pode conferir ao céu quando estão em grande número, pode conferir ao céu o aspecto granular. São constituídas por cristais de o aspecto granular. São constituídas por cristais de gelo e algumas gotículas d`água. gelo e algumas gotículas d`água.

► CirrostratusCirrostratus (Cs) (Cs) – Véu de nuvens transparente e – Véu de nuvens transparente e esbranquiçado, de aspecto fibroso (como os cabelos) esbranquiçado, de aspecto fibroso (como os cabelos) ou liso, cobrindo total ou parcialmente o céu, ou liso, cobrindo total ou parcialmente o céu, produzindo geralmente fenômenos de halo. São produzindo geralmente fenômenos de halo. São constituídas de cristais de gelo.constituídas de cristais de gelo.

► AltocumulusAltocumulus (Ac) (Ac) – Camada branca ou cinzenta, – Camada branca ou cinzenta, tendo geralmente sombras, usualmente ondulados, ou tendo geralmente sombras, usualmente ondulados, ou compostos de lâminas, massas arredondadas, rolos, compostos de lâminas, massas arredondadas, rolos, etc, que podem estar ou não fundidas, por vezes etc, que podem estar ou não fundidas, por vezes parcialmente fibrosos ou difusos. São constituídas por parcialmente fibrosos ou difusos. São constituídas por gotículas de água, pelo menos em sua maioria.gotículas de água, pelo menos em sua maioria.

Tipos de NuvensTipos de Nuvens

► AltostratusAltostratus (As) (As) – Véu acinzentado ou azulado de – Véu acinzentado ou azulado de aspectos estriado, fibroso ou uniforme, cobrindo o aspectos estriado, fibroso ou uniforme, cobrindo o céu total ou parcialmente, apresentando partes céu total ou parcialmente, apresentando partes suficientemente delgadas para revelar o sol, pelo suficientemente delgadas para revelar o sol, pelo menos vagamente como através dum vidro fosco. menos vagamente como através dum vidro fosco. Não produz fenômeno de halo. São constituídas por Não produz fenômeno de halo. São constituídas por gotículas de água e cristais de gelo.gotículas de água e cristais de gelo.

► NimbostratosNimbostratos (Ns)(Ns) – Camada cinzenta, muitas – Camada cinzenta, muitas vezes escura e suficientemente espessa em toda a vezes escura e suficientemente espessa em toda a sua extensão para esconder o Sol. Existem sua extensão para esconder o Sol. Existem frequentemente abaixo desta camada nuvens frequentemente abaixo desta camada nuvens esfarrapadas, com a qual podem estar ou não esfarrapadas, com a qual podem estar ou não fundidas. São constituídas por gotículas de água e fundidas. São constituídas por gotículas de água e cristais de neve, ou pela misturas dessas cristais de neve, ou pela misturas dessas partículas.partículas.

► StratocumulusStratocumulus (Sc)(Sc) – Camada de nuvens brancas – Camada de nuvens brancas ou cinzentas, quase sempre com partes escuras, ou cinzentas, quase sempre com partes escuras, não-fibrosas (exceto no caso de virga), ondulado ou não-fibrosas (exceto no caso de virga), ondulado ou composto de mosaicos, massas arredondadas, composto de mosaicos, massas arredondadas, rolos, etc., que podem ou não estar fundidos. São rolos, etc., que podem ou não estar fundidos. São constituídas de gotículas de água, acompanhadas constituídas de gotículas de água, acompanhadas de gotas de chuva ou de pelotas de neve.de gotas de chuva ou de pelotas de neve.

9.1.1 – Classificação das Nuvens9.1.1 – Classificação das NuvensTipos de NuvensTipos de Nuvens

► StratusStratus (St)(St) – Camada geralmente cinzenta com uma base – Camada geralmente cinzenta com uma base bastante uniforme, que pode produzir chuviscos, agulhas bastante uniforme, que pode produzir chuviscos, agulhas de gelo ou neve granular. Às vezes o Stratus aparece com a de gelo ou neve granular. Às vezes o Stratus aparece com a forma de bancos esfarrapados. São constituídas por forma de bancos esfarrapados. São constituídas por gotículas de água muito pequenas.gotículas de água muito pequenas.

► CumulusCumulus (Cu)(Cu) – Nuvens isoladas, geralmente esparsas e – Nuvens isoladas, geralmente esparsas e com contornos acentuados, desenvolvendo-se com contornos acentuados, desenvolvendo-se verticalmente com a forma de montões, cúpulas ou torres, verticalmente com a forma de montões, cúpulas ou torres, cujas partes superiores muitas vezes assemelham-se a uma cujas partes superiores muitas vezes assemelham-se a uma couve-flor. As partes destas nuvens iluminadas pelo sol são couve-flor. As partes destas nuvens iluminadas pelo sol são na maiores das vezes, dum branco brilhante; a sua base é na maiores das vezes, dum branco brilhante; a sua base é relativamente escura e quase horizontal. São constituídas relativamente escura e quase horizontal. São constituídas principalmente por gotículas de água.principalmente por gotículas de água.

► CumulonimbusCumulonimbus (Cb)(Cb) – Nuvens pesadas e espessas, com – Nuvens pesadas e espessas, com uma grande extensão vertical em forma de montanhas ou uma grande extensão vertical em forma de montanhas ou torres imensas. Pelo menos, parte da sua porção superior é torres imensas. Pelo menos, parte da sua porção superior é normalmente uniforme, fibrosa ou estriada e quase plana; normalmente uniforme, fibrosa ou estriada e quase plana; desenvolvendo-se, muitas vezes, em forma de uma bigorna desenvolvendo-se, muitas vezes, em forma de uma bigorna ou um vasto penacho. Debaixo da base desta nuvem, ou um vasto penacho. Debaixo da base desta nuvem, freqüentemente muito escura, há normalmente nuvens freqüentemente muito escura, há normalmente nuvens baixas esfarrapadas, fundidas ou não com ela, e baixas esfarrapadas, fundidas ou não com ela, e precipitação. São constituídas por gotículas de água, e precipitação. São constituídas por gotículas de água, e principalmente em sua região superior, por cristais de gelo.principalmente em sua região superior, por cristais de gelo.

9.1.1 – Classificação das Nuvens9.1.1 – Classificação das NuvensTipos de NuvensTipos de Nuvens

► O O nevoeironevoeiro é uma nuvem que toca o solo. No entanto o é uma nuvem que toca o solo. No entanto o nevoeiro não é classificado como uma nuvem e sim como nevoeiro não é classificado como uma nuvem e sim como um tipo separado de hidrometeoro, sendo definido como um tipo separado de hidrometeoro, sendo definido como a suspensão de gotas de água líquida na atmosfera, a suspensão de gotas de água líquida na atmosfera, reduzindo a visibilidade horizontal para menos de 1 km reduzindo a visibilidade horizontal para menos de 1 km (WMO, 1975).(WMO, 1975).

► Se a visibilidade for maior que 1 km, o nevoeiro é Se a visibilidade for maior que 1 km, o nevoeiro é chamado chamado névoanévoa..

► Se o nevoeiro contiver cristais de gelo em vez de água Se o nevoeiro contiver cristais de gelo em vez de água líquida, é chamado líquida, é chamado nevoeiro geladonevoeiro gelado..

► Outros hidrometeoros suspensos no ar são chuva, chuva Outros hidrometeoros suspensos no ar são chuva, chuva congelada, garoa, garoa congelada, neve, neve granular, congelada, garoa, garoa congelada, neve, neve granular, pelotas de neve, prisma de gelo, granizo, saraiva, pelotas pelotas de neve, prisma de gelo, granizo, saraiva, pelotas de gelo e spray. E os hidrometeoros fixos à uma de gelo e spray. E os hidrometeoros fixos à uma superfície são orvalho, orvalho branco, geada, geada superfície são orvalho, orvalho branco, geada, geada branca, escarcha branca, escarcha transparente, e chuva branca, escarcha branca, escarcha transparente, e chuva fria.fria.


► As nuvens ainda podem se formar ao longo As nuvens ainda podem se formar ao longo de frentes atmosféricas, como mostrado na de frentes atmosféricas, como mostrado na figura ao lado.figura ao lado.

► À frente de uma frente fria os tipos de À frente de uma frente fria os tipos de nuvem mais prevalecentes são nuvem mais prevalecentes são cumulonimbus, altocúmulo, cirrostratus, e cumulonimbus, altocúmulo, cirrostratus, e cirrus, e à frente de uma frente quente, cirrus, e à frente de uma frente quente, stratocumulus, stratus, nimbostratus, stratocumulus, stratus, nimbostratus, altostratus, cirrostratus, e cirrus são as altostratus, cirrostratus, e cirrus são as formas mais prováveis.formas mais prováveis.

► As nuvens que se formam através do aquecimento da superfície e da As nuvens que se formam através do aquecimento da superfície e da convecção livre são chamadas convecção livre são chamadas Nuvens ConvectivasNuvens Convectivas..

► As nuvens que aparecem quando ventos horizontais encontram barreiras As nuvens que aparecem quando ventos horizontais encontram barreiras topográficas, como uma montanha, que força o vento a mover-se verticalmente topográficas, como uma montanha, que força o vento a mover-se verticalmente para cima (levantamento orográfico) são chamadas para cima (levantamento orográfico) são chamadas Nuvens OrográficasNuvens Orográficas. .

► As nuvens também podem se formar quando o ar da superfície converge, assim As nuvens também podem se formar quando o ar da superfície converge, assim como quando ventos horizontais convergem ao redor de um centro de baixa como quando ventos horizontais convergem ao redor de um centro de baixa pressão.pressão.

9.1.2 – Formação das Nuvens9.1.2 – Formação das NuvensAs Nuvens se formam por meio de vários mecanismos:As Nuvens se formam por meio de vários mecanismos:

► O tipo de nuvem que resulta de um determinado O tipo de nuvem que resulta de um determinado processo de formação depende da altura do nível de processo de formação depende da altura do nível de condensação de levantamento (LCL), da estabilidade condensação de levantamento (LCL), da estabilidade da atmosfera sobre o LCL, e da taxa de mistura de ar da atmosfera sobre o LCL, e da taxa de mistura de ar circunvizinho entre as nuvens. circunvizinho entre as nuvens.

► Alguns tipos de nuvens formam-se das interações Alguns tipos de nuvens formam-se das interações entre outros tipos de nuvem e o ambiente. entre outros tipos de nuvem e o ambiente. Cirrocumulus, altocumulus e stratocumulus podem Cirrocumulus, altocumulus e stratocumulus podem formar-se quando o topo de uma nuvem cirrostratus, formar-se quando o topo de uma nuvem cirrostratus, altostratus ou stratus esfria rapidamente e a base altostratus ou stratus esfria rapidamente e a base esquenta rapidamente. O resultado dos movimentos esquenta rapidamente. O resultado dos movimentos de flutuabilidade dentro das nuvens produz bolsas de flutuabilidade dentro das nuvens produz bolsas de ar que sobem para formar nuvens cirrocumulus, de ar que sobem para formar nuvens cirrocumulus, altocumulus ou stratocumulus. Nuvens cirrus se altocumulus ou stratocumulus. Nuvens cirrus se formam freqüentemente como uma porção no topo formam freqüentemente como uma porção no topo de uma nuvem cumulonimbus que se dissipa ou de uma nuvem cumulonimbus que se dissipa ou quando uma bolsa de ar úmido entra em uma região quando uma bolsa de ar úmido entra em uma região fria.fria.

9.1.2 – Formação das Nuvens9.1.2 – Formação das Nuvens

► Nevoeiro de radiaçãoNevoeiro de radiação – forma-se quando o ar – forma-se quando o ar próximo ao solo esfria rapidamente durante a noite e próximo ao solo esfria rapidamente durante a noite e ao amanhecer o dia, de forma que a temperatura do ao amanhecer o dia, de forma que a temperatura do ar seja inferior a do ponto de orvalho. ar seja inferior a do ponto de orvalho.

► Nevoeiro de advecçãoNevoeiro de advecção – forma-se quando o ar – forma-se quando o ar quente e úmido move-se sobre uma superfície mais quente e úmido move-se sobre uma superfície mais fria resfriando a temperaturas abaixo do ponto de fria resfriando a temperaturas abaixo do ponto de orvalho. Tais nevoeiros acontecem freqüentemente orvalho. Tais nevoeiros acontecem freqüentemente em regiões litorâneas.em regiões litorâneas.

► Nevoeiro orográficoNevoeiro orográfico – forma-se quando fluxos de – forma-se quando fluxos de ar quente e úmido elevam-se sobre uma barreira ar quente e úmido elevam-se sobre uma barreira topográfica e esfriam adiabaticamente abaixo do topográfica e esfriam adiabaticamente abaixo do ponto de orvalho. A formação deste tipo de nevoeiro ponto de orvalho. A formação deste tipo de nevoeiro é semelhante à formação de uma nuvem orográfica. é semelhante à formação de uma nuvem orográfica.

9.1.3 – Formação de Nevoeiros9.1.3 – Formação de Nevoeiros

► Nevoeiro de EvaporaçãoNevoeiro de Evaporação – – forma-se quando água contida forma-se quando água contida no ar quente e úmido evapora e em seguida mistura-se com no ar quente e úmido evapora e em seguida mistura-se com o ar frio e seco, em que a umidade recondensa. o ar frio e seco, em que a umidade recondensa.

O nevoeiro de evaporação subdivide-se em dois tipos:O nevoeiro de evaporação subdivide-se em dois tipos:

► Nevoeiros de VaporNevoeiros de Vapor: acontece quando água de uma : acontece quando água de uma superfície quente evapora e em seguida sobe resfriando o superfície quente evapora e em seguida sobe resfriando o ar antes de recondensar, dando-se o aparecimento de ar antes de recondensar, dando-se o aparecimento de vapor na subida; vapor na subida; e ose os Nevoeiros FrontaisNevoeiros Frontais: acontece : acontece quando a água dos pingos de chuva esquenta e evapora, quando a água dos pingos de chuva esquenta e evapora, enquanto caem por uma massa de ar fria. A umidade enquanto caem por uma massa de ar fria. A umidade recondensa no ar frio para formar um nevoeiro. Estas recondensa no ar frio para formar um nevoeiro. Estas condições existem freqüentemente à frente de uma condições existem freqüentemente à frente de uma aproximação de frente. Quando o nevoeiro já não tocar o aproximação de frente. Quando o nevoeiro já não tocar o solo, passa a ser uma nuvem stratus. As nuvens stratus solo, passa a ser uma nuvem stratus. As nuvens stratus formam-se freqüentemente da dissipação de um nevoeiro.formam-se freqüentemente da dissipação de um nevoeiro.

9.1.3 – Formação de Nevoeiros9.1.3 – Formação de Nevoeiros

9.2 Processos Pseudoadiabáticos 9.2 Processos Pseudoadiabáticos ÚmidosÚmidos

► Estabilidade Atmosférica na presença de ar Estabilidade Atmosférica na presença de ar úmido;úmido;

► Numa nuvem se o vapor d’água condensa, Numa nuvem se o vapor d’água condensa, libera calor Latente, aumenta a instabilidade e libera calor Latente, aumenta a instabilidade e o potencial da nuvem;o potencial da nuvem;

► Uma parcela de ar subindo adiabaticamente Uma parcela de ar subindo adiabaticamente seca, esfria na razão de -9,8K/Km, se ela seca, esfria na razão de -9,8K/Km, se ela condensar, o calor latente liberado compensa o condensar, o calor latente liberado compensa o resfriamento adiabático seco para +4k/Km. resfriamento adiabático seco para +4k/Km.

9.2 Processos Pseudoadiabáticos 9.2 Processos Pseudoadiabáticos ÚmidosÚmidos

►Processo:Processo: Adiabático úmidoAdiabático úmido: Calor Latente é absorvido : Calor Latente é absorvido

por ar seco, vapor d’água e água líquida.por ar seco, vapor d’água e água líquida. PseudoadiabáticoPseudoadiabático: Calor Latente é absorvido : Calor Latente é absorvido

por ar seco e vapor d’água.por ar seco e vapor d’água.

►Ascensão pseudoadiabática úmida ocorre Ascensão pseudoadiabática úmida ocorre no interior de uma nuvem se ela for no interior de uma nuvem se ela for formada quando:formada quando: O ar está supersaturado e condensa. O ar está supersaturado e condensa.

9.2.1 Lapse Rate Pseudoadiabático9.2.1 Lapse Rate Pseudoadiabático

► Consideramos que o calor latente é absorvido apenas pelo Consideramos que o calor latente é absorvido apenas pelo ar secoar seco e e vapor d’água; vapor d’água; derivamos a derivamos a equação do Lapse equação do Lapse Rate PseudoadiabáticoRate Pseudoadiabático em termos da Temperatura em termos da Temperatura virtual (virtual (TTvv).).

► Numa ascensão pseudoadiabática. A Numa ascensão pseudoadiabática. A Energia do Calor Energia do Calor Latente por unidade de massa do arLatente por unidade de massa do ar (J/Kg) liberada (J/Kg) liberada durante a condensação édurante a condensação é

(9.1)(9.1)

Onde, Onde, LLee é o calor latente de evaporação (J/Kg); é o calor latente de evaporação (J/Kg); v,sv,s = = εεppv,sv,s/p/pdd é a razão de mistura da massa do vapor d’água à é a razão de mistura da massa do vapor d’água à

saturação sobre uma superfície líquida (Kg/Kg).saturação sobre uma superfície líquida (Kg/Kg).


► Combinando (9.1) com a Combinando (9.1) com a Primeira Lei da Primeira Lei da TermodinâmicaTermodinâmica em termos da temperatura em termos da temperatura virtual produzvirtual produz

(9.2)(9.2)

► Substituindo o Substituindo o Volume EspecíficoVolume Específico ααa a = 1/= 1/ρρaa = = R´TR´Tvv/p/paa em (9.2) e rearranjando obtemos em (9.2) e rearranjando obtemos

(9.3(9.3))


► Diferenciando (9.3) com respeito à altitude, e combinando Diferenciando (9.3) com respeito à altitude, e combinando o resultado com a o resultado com a equação do equilíbrio hidrostáticoequação do equilíbrio hidrostático ∂p∂paa/ ∂z = - / ∂z = - ρρaagg e e equação de estadoequação de estado ppaa = = ρρaa R’T R’Tv v temostemos

(9.4)(9.4)

Onde o subscrito Onde o subscrito ww significa significa PseudoadiabáticoPseudoadiabático Quando Quando ∂∂v,sv,s/ ∂z = 0/ ∂z = 0, (9.4) simplifica-se à , (9.4) simplifica-se à equação para o lapse equação para o lapse

rate adiabático seco rate adiabático seco ΓΓdd = g/c = g/cp,dp,d

► Diferenciando a Diferenciando a razão de misturarazão de mistura v,sv,s = = εεppv,sv,s/p/pdd com com respeito à altitude, então substituindo a respeito à altitude, então substituindo a equação de equação de Clausius ClapeyronClausius Clapeyron dpdpv,sv,s =L =Leeppv,sv,s dT/R dT/RvvTT22, onde , onde dT =R’dTdT =R’dTvv/R/Rm m = =

TdTTdTvv/T/Tvv, , v,sv,s = = εεppv,sv,s/p/pdd, R’= , R’= εεRRvv, e, e ∂p ∂pdd/ ∂z = - p/ ∂z = - pddg/R’Tg/R’T produz produz


► Substituindo (9.5) e Substituindo (9.5) e ΓΓdd = g/c = g/cp,dp,d em (9.4) e em (9.4) e rearranjando obtemos a rearranjando obtemos a Temperatura Virtual Temperatura Virtual PseudoadiabáticaPseudoadiabática variando com a alturavariando com a altura comocomo

OndeOnde ΓΓww é o é o Lapse Rate PseudoadiabáticoLapse Rate Pseudoadiabático (K/Km). (K/Km).

(9.5)(9.5)

(9.6(9.6))

9.2.2 Critérios de Estabilidade9.2.2 Critérios de Estabilidade

► Lapse Rate Adiabático SecoLapse Rate Adiabático Seco ((ΓΓdd):): Determina a estabilidade para uma parcela de ar Determina a estabilidade para uma parcela de ar

insaturada.insaturada.

► Lapse Rate PseudoadiabáticoLapse Rate Pseudoadiabático ((ΓΓww):): Determina a estabilidade para uma parcela de ar Determina a estabilidade para uma parcela de ar

saturada (ocorre condensação).saturada (ocorre condensação).


► Ar SaturadoAr Saturado:: O perfil de temperatura virtual O perfil de temperatura virtual

((ΓΓvv) é comparado com o perfil ) é comparado com o perfil pseudoadiabático (pseudoadiabático (ΓΓww););

ΓΓvv = = ΓΓw w ;; Os perfis de temperatura virtual Os perfis de temperatura virtual

3 e 4 são estáveis (3 e 4 são estáveis (ΓΓvv < <ΓΓww) e 1 e ) e 1 e 2 são instáveis (2 são instáveis (ΓΓvv > >ΓΓww).).

► Ar InsaturadoAr Insaturado:: O perfil de temperatura O perfil de temperatura

virtual (virtual (ΓΓvv) é comparado com ) é comparado com o perfil adiabático seco (o perfil adiabático seco (ΓΓdd) ;) ;

ΓΓvv = =ΓΓdd;; Os perfis de temperatura Os perfis de temperatura

virtual 2, 3 e 4 são estáveis virtual 2, 3 e 4 são estáveis ((ΓΓvv < <ΓΓdd) e 1 é instável () e 1 é instável (ΓΓvv > >ΓΓdd).).


► Determinação da estabilidade em múltiplas camadas de ar:Determinação da estabilidade em múltiplas camadas de ar: Comparando a inclinação do perfil do lapse rate de temperatura Comparando a inclinação do perfil do lapse rate de temperatura

virtual ambiente (virtual ambiente (ΓΓvv ) com a inclinação dos perfis de temperatura do ) com a inclinação dos perfis de temperatura do lapse rate de pseudoadiabático (lapse rate de pseudoadiabático (ΓΓww )e seco ( )e seco (ΓΓdd););

Camada 1 está absolutamente instável (Camada 1 está absolutamente instável (ΓΓvv > > ΓΓdd) ;) ; Camada 2 está absolutamente estável (Camada 2 está absolutamente estável (ΓΓvv < < ΓΓww) ;) ; Camada 3 está neutra e seca (Camada 3 está neutra e seca (ΓΓvv = = ΓΓdd);); Camada 4 está Condicionalmente instável (Camada 4 está Condicionalmente instável (ΓΓd d > > ΓΓvv > > ΓΓww) ;) ; Camada 5 e 6 estão Neutras e úmidas (Camada 5 e 6 estão Neutras e úmidas (ΓΓvv = = ΓΓww) .) .


► Temperatura Potencial EquivalenteTemperatura Potencial Equivalente ((θθp,ep,e)) É a temperatura potencial que uma parcela de ar tem se todo vapor É a temperatura potencial que uma parcela de ar tem se todo vapor

d’água for condensado e o calor latente liberado aquecer a parcela; d’água for condensado e o calor latente liberado aquecer a parcela; Suponha que uma parcela com Suponha que uma parcela com θθpp = 298,15 K (25ºC) = 298,15 K (25ºC) sobe sobe

adiabaticamente seca (adiabaticamente seca (ΓΓdd) para o LCL (Lifting condesation level) e então ) para o LCL (Lifting condesation level) e então pseudoadiabaticamente (pseudoadiabaticamente (ΓΓww) para 3 Km, onde perde vapor d’água;) para 3 Km, onde perde vapor d’água;

Se a parcela descer adiabaticamente seca (Se a parcela descer adiabaticamente seca (ΓΓdd) para a superfície, a ) para a superfície, a temperatura potencial final será temperatura potencial final será θθp,ep,e = 306,15 K (33ºC). = 306,15 K (33ºC).


► Ar inicialmente SaturadoAr inicialmente Saturado::(9.8)(9.8)

Onde T é a temperatura inicial atual da parcela saturada(K); Onde T é a temperatura inicial atual da parcela saturada(K); v,sv,s é a razão é a razão de mistura da massa do vapor d’água à saturação naquela temperatura de mistura da massa do vapor d’água à saturação naquela temperatura (Kg/ Kg)(Kg/ Kg)

► Ar inicialmente InsaturadoAr inicialmente Insaturado::

(9.9)(9.9)

Onde TOnde TLCLLCL é a temperatura (K) da parcela se ela foi suspensa é a temperatura (K) da parcela se ela foi suspensa adiabaticamente para o LCL; adiabaticamente para o LCL; vv é a razão de mistura da massa do vapor é a razão de mistura da massa do vapor d’água insaturada na parcela iniciald’água insaturada na parcela inicial


► Definição de uma variável Definição de uma variável que equivale a que equivale a θθp,ep,e de (9.8) de (9.8)

Conceitualmente é o valor de Conceitualmente é o valor de θθp,ep,e numa parcela saturada hipoteticamente à numa parcela saturada hipoteticamente à temperatura da parcela. temperatura da parcela. A temperatura em (9.8) para o: A temperatura em (9.8) para o:

Ar InsaturadoAr Insaturado::► é a temperatura inicial do ambiente , sem Té a temperatura inicial do ambiente , sem TLCLLCL

Ar SaturadoAr Saturado::► É a temperatura da parcela saturadaÉ a temperatura da parcela saturada

► Em termos de os critérios de estabilidade são :Em termos de os critérios de estabilidade são :

9.3 DESENVOLVIMENTO DE NUVENS POR CONVECÇÃO LIVRE

Um nevoeiro ou uma nuvem se forma quando a temperatura das gotinhas no ar (vapor d’água) ficam abaixo da temperatura de ponto de orvalho.

Figura 9.5

d

vv p

pw

622.0

A ICT(Temperatura de Condensação Isentrópica) é mais formalmente definida como a temperatura virtual que a saturação ocorre quando o ar não-saturado se resfria adiabaticamente na constante razão de mistura de vapor d'água. A ICT(k) pode ser aproximada por:

em que é a pressão do ar à superfície (não necessariamente 1000mb), é a temperatura virtual à superfície (k); e supõe-se ser constante entre a superfície e o LCL(Nível de Condensação por Ascensão).

k

v

Lvav

k

v

Lvav

Lv

T

Tp

T

Tp

T/1

0,

,0,

/1

0,

,0,

,

ln48.19

ln66.29357.4880

0,ap

(9.11)

0,vT

v

Entranhamento é uma mistura relativamente fria. O ar frio e seco, a partir do exterior, é forçado a entrar numa nuvem cujo ar é úmido e quente, causando evaporação e resfriamento nos lados da nuvem e forçando suas bordas se estenderem e subir lentamente.

Um modelo simples dos efeitos do entranhamento em nuvens cumulus foi desenvolvido por Stommel (1947). O modelo admite que o entranhamento afeta as temperaturas da nuvem de duas maneiras:

9.4 ENTRANHAMENTO

Figura 9.6

1ª Maneira) Força as nuvens a gastar energia aquecendo o ar entranhado para a temperatura virtual da nuvem. Esta perda de energia (J) da nuvem é:

cvvdp dMTTcdQ )(^

,*1 9.12

em que é a temperatura virtual da nuvem, é a temperatura virtual do ambiente, e é a massa do ar ambiente mais o vapor d'água entranhado na nuvem.

vT^

cdM

Modelo de StommelStommel

vT

2ª Maneira) O entranhamento força as nuvens a gastar energia evaporando a água líquida para manter a saturação do ar seco entranhado. Esta perda de energia (J) é:

9.13

em que é a massa de saturação da razão de mistura do vapor d’água da nuvem , e é a razão de mistura de vapor d’água no exterior da nuvem.


cvsve dMLdQ )(^

,*2

sv,1kgkg( )

v

^

A região de entranhamento também ganha energia do calor latente quando o vapor d'água subindo condensa. O ganho de energia (J) a partir do calor latente liberado é:

9.14

em que é a massa total do ar dentro de uma região de entranhamento da nuvem, que consiste do ar seco, vapor d'água, e água líquida.

svec dLMdQ ,*3

cM


A soma das três fontes de energia são:

*3

*2

*1

* dQdQdQdQ

Fazendo (9.12) - (9.13) teremos no interior da equação o total de energia transformada na região de entranhamento de uma nuvem:

svsveccvsvecvvdp dLMdMLdMTTcdQ ,,

^

,

^

,* )()(

)( ,*

aavdpc dpdTcMdQ

A Eq. da Termodinâmica pode ser escrita como:

9.15

9.16


Dividindo (9.17) por e substituindo resulta em:

vdp Tc , ava pTR /'

9.18vdp

sve

c

c

vdp

vsve

v

vv

a

a

dpv

v

Tc

dL

M

dM

Tc

L

T

TT

p

dp

c

R

T

dT

,

,

,

,

^

,

)'('

Diferenciando (9.18) com respeito a altura e então substituindo e teremos a temperatura virtual mudando de acordo com a altitude no entranhamento da nuvem como:

gzp aa vaa TRp '

Fazendo (9.15) - (9.16) temos:

svec

cvsvevvdpaavdp dL

M

dMLTTcdpdTc ,

^

,

^

,, )]()([ 9.17


dzc

L

Tz

M

Mc

LTT

Tzsv

dp

e

v

vc

c

vsvdp

evv

v

vv ,

,

^

,,

^ 1

9.20

que é a alteração na temperatura virtual potencial de acordo com a altitude na região de entranhamento de uma nuvem.

Quando não ocorre o entranhamento ( ), (9.19) pode ser simplificada, e por meio de outras equações torna-se:

0cdM

zc

L

z

M

Mc

LTT

c

g

z

T sv

dp

ec

c

vsvdp

evv

dp

v

,

,

^

,,

^

,

1 9.19

Multiplicando (9.20) por e dividindo por temos: dz dt


Adicionando alguns termos remanescentes a (9.21) teremos a equação da energia termodinâmica na nuvem como:

vhaa

vsvdp

evv

v

vv KEc

LTT

Tt

)(

1^

,,

^

dt

dQ

dt

dQ

dt

dL

dt

dL

dt

dL

TcirsólarIv

sL

msv

evdp

v ,,

,

9.22

que é a taxa de tempo da alteração da temperatura virtual potencial na nuvem em que é a taxa de entranhamento do ar exterior para dentro da nuvem.

dt

d

Tc

LE

c

LTT

Ttsv

vdp

evvsv

dp

evv

v

vv ,

,

^

,,

^

9.21

dtdMME cc //1


9.5 Equação de Impulso Vertical em uma Nuvem

Adicionando a equação hidrostática a equação (9.25), Adicionando a equação hidrostática a equação (9.25), teremos:teremos:

Onde: Onde: → → são as divergências são as divergências pressão e densidade de nuvens e pressão e pressão e densidade de nuvens e pressão e densidade de ambiente, respectivamente.densidade de ambiente, respectivamente.

Em uma nuvem, velocidades verticais são afetadas Em uma nuvem, velocidades verticais são afetadas por aceleração local, gravidade, gradientes de por aceleração local, gravidade, gradientes de pressão, e turbulência. De (4.74), a equação de pressão, e turbulência. De (4.74), a equação de impulso vertical em Altitude-Cartesiana fica:impulso vertical em Altitude-Cartesiana fica:

O fator de flutuabilidade está definido como:O fator de flutuabilidade está definido como:

→ → temperatura virtualtemperatura virtual

OndeOnde::

→ → densidadedensidade

→ → temperatura virtual potencialtemperatura virtual potencial

Temperatura potencial virtual pode substituir Temperatura potencial virtual pode substituir temperatura virtual potencial dentro de (9.27), mas a temperatura virtual potencial dentro de (9.27), mas a diferença é pequena. Se uma parcela contém água líquida, diferença é pequena. Se uma parcela contém água líquida, como faz acima do nível de condensação, acrescenta-se uma como faz acima do nível de condensação, acrescenta-se uma força descendente a parcela. Condensado o ar circunvizinho força descendente a parcela. Condensado o ar circunvizinho também acrescenta uma força descendente ao ar também acrescenta uma força descendente ao ar circunvizinho. circunvizinho.

O fator de flutuabilidade pode ser ajustado como:O fator de flutuabilidade pode ser ajustado como:

Onde: é o numero que mistura razão de água líquida na Onde: é o numero que mistura razão de água líquida na parcela e ar ambiente, respectivamente (quilogramas por quilograma parcela e ar ambiente, respectivamente (quilogramas por quilograma

de ar seco). de ar seco).

Substituindo (9.28) em (9.26) temos a equação de impulso vertical Substituindo (9.28) em (9.26) temos a equação de impulso vertical como:como:

Reescrevendo o termo gradiente de pressão a partir de Reescrevendo o termo gradiente de pressão a partir de

(2.34), (4.48) e (5.38)(2.34), (4.48) e (5.38)

Substituindo (9.30) em (9.29) para nuvem e ar ambiente temos a Substituindo (9.30) em (9.29) para nuvem e ar ambiente temos a

equação de impulso vertical em uma nuvem como:equação de impulso vertical em uma nuvem como:

Simplificando (9.31), se a perturbação de pressão e o termo Simplificando (9.31), se a perturbação de pressão e o termo de difusão de remoinho são ignorados então, (9.31) torna-se:de difusão de remoinho são ignorados então, (9.31) torna-se:

Onde: w = dzOnde: w = dz∕dt ∕dt Rearranjando (9.32) temos wdw = gBdzRearranjando (9.32) temos wdw = gBdz

Integrando esta equação de uma altura de referência za , onde a

velocidade vertical é wa ,para altura z temos uma expressão

simplificada para a velocidade vertical em uma nuvem:

Rearranjando (9.32) temos

.

Nesta expressão, a velocidade vertical é a Nesta expressão, a velocidade vertical é a integral da flutuabilidade entre a base da nuvem e integral da flutuabilidade entre a base da nuvem e a altitude de interesse.a altitude de interesse.

(9.33) pode ser modificado para dar uma expressão para a energia potencial disponível convectiva (CAPE) que descreve o potencial de crescimento de uma nuvem. O CAPE determina a estabilidade flutuante da atmosfera e correlata positivamente com crescimento de e produção de chuva em nuvens cúmulo

9.6 Energia Potencial Disponível Convectiva

Onde: ZOnde: ZLFCLFC → → é o nível de transmissão grátis (LFC); é o nível de transmissão grátis (LFC); Z ZLNB LNB → → é o nível de flutuabilidade neutro (LNB);é o nível de flutuabilidade neutro (LNB); ӨӨV V → → é a temperatura virtual potencial de um é a temperatura virtual potencial de um

parcelaparcela ascendente de ar; ascendente de ar;

→ → é a temperatura virtual potencial do é a temperatura virtual potencial do ambiente.ambiente.

LFCLFC é a altitude à qual uma parcela de ar subindo fica é a altitude à qual uma parcela de ar subindo fica mais quente que o primeiro ambiente, pode estar mais quente que o primeiro ambiente, pode estar abaixo ou sobre o LCL. abaixo ou sobre o LCL.

LNBLNB é a altitude perto do topo de nuvem a qual ambiente e é a altitude perto do topo de nuvem a qual ambiente e

temperaturas de nuvem igualam.temperaturas de nuvem igualam.

Exemplo :Exemplo : Calcule Calcule CAPECAPE e e w w para uma nuvem cumulonimbus a 10-km em para uma nuvem cumulonimbus a 10-km em

cimacimado oceano e em cima da terra, se em cima do do oceano e em cima da terra, se em cima do

oceano, e em cima de terra, e a média na oceano, e em cima de terra, e a média na

temperatura virtual ambiente entre O e 10 km é temperatura virtual ambiente entre O e 10 km é

ӨӨvv = 288 K em ambos os casos. = 288 K em ambos os casos.

Solução: Solução: De (9.34), CAPE ≈ 511mDe (9.34), CAPE ≈ 511m22 s s-2-2 para o caso do oceano para o caso do oceano CAPE ≈ 2725 mCAPE ≈ 2725 m22 s s-2-2 para o caso de terra. para o caso de terra.

Se wSe wLL é ignorado, de (9.33) temos: w = 32 m s é ignorado, de (9.33) temos: w = 32 m s-1-1 para o caso do para o caso do oceano w = 74 m soceano w = 74 m s-1-1 para o caso de terra. Estes valores são para o caso de terra. Estes valores são mais alto que o máximo observado em cima do oceano e da mais alto que o máximo observado em cima do oceano e da terra, o qual seria w = 10 m sterra, o qual seria w = 10 m s-1-1 e w = 50 m s e w = 50 m s-1-1 respectivamente.respectivamente.

9.7 PARAMETRIZAÇÃO DE CUMULOS9.7 PARAMETRIZAÇÃO DE CUMULOS ► Movimentos verticais de nuvem variam em cima de escalas Movimentos verticais de nuvem variam em cima de escalas

horizontais de dez a centenas de metros. Quando a resolução horizontais de dez a centenas de metros. Quando a resolução horizontal de um modelo é menor que isto, a equação de horizontal de um modelo é menor que isto, a equação de

impulso vertical pode ser usada para reproduzir estrutura de impulso vertical pode ser usada para reproduzir estrutura de nuvem. nuvem.

► A equação de impulso vertical também pode ser usada para A equação de impulso vertical também pode ser usada para reproduzir muito da estrutura mas não os detalhes de um reproduzir muito da estrutura mas não os detalhes de um

sistema de convecção de rajada para resolução da grade de até sistema de convecção de rajada para resolução da grade de até 4 km.4 km.

► Foram desenvolvidas técnicas para estimar os efeitos de Foram desenvolvidas técnicas para estimar os efeitos de nuvens cúmulo através do modelo de escala de subgrade. nuvens cúmulo através do modelo de escala de subgrade. Estas técnicas são chamadas parametrização de cúmulos e Estas técnicas são chamadas parametrização de cúmulos e requerem variáveis de contribuição do ambiente da escala requerem variáveis de contribuição do ambiente da escala

modelo.modelo.

► Estas variáveis são velocidades do vento horizontais e verticais, Estas variáveis são velocidades do vento horizontais e verticais, temperaturas potenciais, e água total que misturam relações temperaturas potenciais, e água total que misturam relações

► Parametrização de cúmulo usam estas variáveis para Parametrização de cúmulo usam estas variáveis para ajustar temperatura potencial, água total, e campos de ajustar temperatura potencial, água total, e campos de

impulso e predizer taxas de precipitação. Os efeitos de uma impulso e predizer taxas de precipitação. Os efeitos de uma parametrização de cúmulo no ambiente da escala modelo parametrização de cúmulo no ambiente da escala modelo

são apenas para efeitos de avaliação.são apenas para efeitos de avaliação.

► Em ajustamentos convectivos úmidos a escala modelo de Em ajustamentos convectivos úmidos a escala modelo de temperatura vertical é ajustado a um perfil crítico, estável temperatura vertical é ajustado a um perfil crítico, estável quando a umidade relativa excede um valor especifico e o quando a umidade relativa excede um valor especifico e o perfil de temperatura é instável com respeito ao ar úmido. perfil de temperatura é instável com respeito ao ar úmido. Durante o ajuste, o perfil de temperatura é ajustado à taxa Durante o ajuste, o perfil de temperatura é ajustado à taxa de pseudoadiabática, a umidade relativa e vapor de água de pseudoadiabática, a umidade relativa e vapor de água

inalterado, a parte condensada precipita, e a entalpia inalterado, a parte condensada precipita, e a entalpia úmida total é conservada.úmida total é conservada.

CONCLUSÃOCONCLUSÃO

► Nuvens formam-se através de convecção livre, convecção Nuvens formam-se através de convecção livre, convecção forçada, orografia e erguendo ao longo de limites forçada, orografia e erguendo ao longo de limites

fronteiriços. fronteiriços.

► Névoas formam radiação esfriando, advecção de ar úmido Névoas formam radiação esfriando, advecção de ar úmido morno em cima de uma superfície fresca, orografia e morno em cima de uma superfície fresca, orografia e

evaporação de água morna em ar frio. evaporação de água morna em ar frio.

► Quando o ar subir em uma nuvem, se expande e esfria Quando o ar subir em uma nuvem, se expande e esfria pseudo-adiabaticamente. pseudo-adiabaticamente.

► Condensação acrescenta energia e flutuabilidade à nuvem, Condensação acrescenta energia e flutuabilidade à nuvem, e o entranhamento de causas de ar externo que esfriam às e o entranhamento de causas de ar externo que esfriam às

extremidades, aumentando a dissipação na nuvem.extremidades, aumentando a dissipação na nuvem.

► A equação de energia termodinâmica para uma nuvem leva A equação de energia termodinâmica para uma nuvem leva em conta a convecção, liberação de calor, entranhamento e em conta a convecção, liberação de calor, entranhamento e

os efeitos de radiação. os efeitos de radiação.

► Em nuvem, a equação hidrostática não é válida; assim, Em nuvem, a equação hidrostática não é válida; assim, uma equação de impulso vertical com um termo de uma equação de impulso vertical com um termo de

aceleração aceleração

inercial é usado.inercial é usado.

FIMFIM

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE - UFCG CENTRO DE CIÊNCIAS ATMOSFÉRICAS – DCA PÓS-GRADUAÇÃO EM METEOROLOGIA NUVENS Disciplina: Métodos de Modelagem