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Índices de Instabilidade Termodinâmica

Universidade de São Paulo Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas IAG -USP. Índices de Instabilidade Termodinâmica. Aluno: Marcelo Vieira. Docente: Rita Y. 19 de Junho 2009. Sumário. Introdução Instabilidade Atmosférica Principais Índices Termodinâmicos

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Índices de Instabilidade Termodinâmica

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  1. Universidade de São Paulo Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas IAG -USP Índices de InstabilidadeTermodinâmica Aluno: Marcelo Vieira Docente: Rita Y. 19 de Junho 2009

  2. Sumário • Introdução • Instabilidade Atmosférica • Principais Índices Termodinâmicos • Artigo I: Análise de índices de instabilidade termodinâmica em São Paulo. • Artigo II: Análise dos índices de instabilidade para previsão de formações convectivas severas para a região do aeródromo do Galeão, Aeroporto Tom Jobim. • Conclusões • Referências

  3. Introdução • Fenômenos naturais, como as tempestades, afetam a vida do homem e podem requerer medidas de urgência e, sem os devidos cuidados, os danos podem ser incalculáveis. Os impactos relacionados a esses fenômenos são significativos e de características econômicas e/ou sociais. • Tempestades severas são sistemas convectivos de mesoescala (ORLANSKI, 1975) capazes de gerar granizo de tamanho grande (com pedras de 2 cm ou mais de diâmetro ao atingirem a superfície), vendavais intensos com força destrutiva (velocidade acima de 26 ms-1) ou tornados (NASCIMENTO, 2005).

  4. Introdução • Diversos parâmetros atmosféricos, chamados de “índices de instabilidade”, já foram desenvolvidos e são freqüentemente usados para auxiliar tanto a pesquisa quanto a previsão operacional de tempestades. • Os índices de instabilidade foram originalmente padronizados para as latitudes médias do Hemisfério Norte (HN), referindo-se, na maioria das vezes, a tempestades observadas nas planícies do meio oeste norte-americano.

  5. Introdução • Os índices de instabilidade são muito importantes em relação às técnicas de previsão de tempo já que possuem a vantagem de serem fáceis de calcular e são mais eficazes quando são combinados objetiva ou subjetivamente com outros dados e situações sinóticas. • Esses índices são utilizados com freqüência nos centros de previsão operacional que dão atenção especial a tempestades e fenôme- nos de mesoescala em geral.

  6. Introdução - Os índices de instabilidade são contextualizados a partir dos conceitos de padrões de estabilidade estática da atmosfera, estudo de perfis termodinâmicos (perfil vertical de temperatura e umidade) obtidos através de radiossondagens (em geral realizadas em aeroportos) e intensidade dosventos.

  7. Introdução • O objetivo deste trabalho é o de apresentar os principais índices termodinâmicos, segundo as definições da AMS (American Meteorology Society) e suas principais características, são eles:

  8. Introdução • Showalter (IS); • Índice de Instabilidade por Levantamento (ILEV); • K; • Cross Totals (CT); • Vertical Totals (VT); • Total Totals (TT); • SWEAT; • Energia Potencial Convectiva Disponível(CAPE); • Energia de Inibição Convectiva (CINE).

  9. Instabilidade Atmosférica Conceito de “Parcela de Ar”: • Sistema fechado (não troca massa com o ambiente); • Termicamente isolado (sobe ou desce na atmosfera adiabaticamente); • A pressão interna da parcela é sempre igual ao do ambiente no mesmo nível; • O ambiente está em equilíbrio hidrostático[1]; • A velocidade da parcela é pequena, isto é, a energia cinética é uma pequena parte da energia total. [1] O fato de o ambiente encontrar-se em equilíbrio hidrostático não implica que a parcela de ar esteja também.

  10. Instabilidade Atmosférica • Fisicamente, podemos considerar que em uma atmosfera estável a temperatura da parcela de ar que ascende de um nível (inicial) é menor do que a temperatura do ambiente que a envolve, logo, a parcela de ar é mais densa e possui tendência de descer até o nível original. Portanto, em uma atmosfera dita estável, existe a inibição do movimento ascendente (ver figura A).

  11. Instabilidade Atmosférica • Analogamente ao estado de estabilidade, temos o estado de instabilidade atmosférica, onde, nesta situação, a parcela de ar possui temperatura maior do que a do ambiente, logo a tendência do movimento da parcela é continuar a ascender, e, em casos extremos, a parcela pode ascender até o limite da troposfera. Esta situação é favorável ao desenvolvimento de grandes nuvens do tipo Cb (Cumulonimbus), que geram fenômenos de tempestades severas.

  12. Instabilidade Atmosférica Figura A – Esquema de condição atmosférica estável e instável Fonte: Salvat, 1980.

  13. Instabilidade Atmosférica • Em meteorologia, comumente se representa a variação da temperatura vertical de um ambiente seco pela letra grega (Γd), e denomina-se como Taxa de Decréscimo Vertical da Temperatura Adiabática, ou do inglês, “lapse-rate” adiabático. • É assumido nesta aproximação que não existe mudança de fase e ausência de vapor d´água – atmosfera seca.

  14. Instabilidade Atmosférica • Podemos sintetizar a condição de estabilidade/ instabilidade atmosférica através da comparação do lapse-rate da parcela (Γ) e do lapse-rate do ambiente seco (Γd): • Γ < Γd (Estaticamente Estável) • Γ = Γd (Estaticamente Neutra) • Γ > Γd (Estaticamente Instável)

  15. Instabilidade Atmosférica Figura B – Esquema das condições de estabilidade/ instabilidade atmosférica através do lapse-rate do ambiente (seco) e da parcela. Fonte: Hoobs, 2004.

  16. Instabilidade Atmosférica Figura B – Esquema das condições de estabilidade/ instabilidade atmosférica através do lapse-rate do ambiente (seco) e da parcela. Fonte: Hoobs, 2004.

  17. http://www.ux1.eiu.edu/~jpstimac/1400/stability.html

  18. Radiossondagem dia 03/abr/2010 12z 27 abril 2010

  19. Atividade • Plotar a radiossondagem no Skew-T – log P • Camadas estáveis/instáveis/neutras/ condicionalmente instáveis

  20. Principais Índices de Instabilidade • I) Índice Showalter (SWI) • Diferença algébrica da temperatura da parcela de ar e do ambiente em 500mb • SWI = T500 – Tp500 [ºC] ... Equação 1 • Onde, T500 é a temperatura do ar ambiente em 500mb e Tp500 é a temperatura de uma parcela de ar após ascender do nível de 850mb até 500mb (considerando saturação). • Atividade: calcular o índice de Showalter para a radiossondagem

  21. Principais Índices de Instabilidade • I) Índice Showalter (SWI) • Este índice também não leva em conta o aquecimento diurno ou a umidade abaixo de 850mb. Portanto, é preciso cautela ao utilizar os resultados deste índice. Tabela 1- Valores de SWI para latitudes médias

  22. Principais Índices de Instabilidade • II) Índice de Instabilidade por Levantamento (Lifted index) • é expresso matematicamente por: • Lifted index = T500 – Tp500 [ºC] ... Equação 2 • O LIFT é nominalmente idêntico ao índice de Showalter (SWI), exceto pelo fato de que a parcela é levantada da superfície. Atividade: calcular o Lifted Index da radiossondagem

  23. LI is generally scaled as follows: • LI 6 or Greater, Very Stable Conditions • LI Between 1 and 6 : Stable Conditions, Thunderstorms Not Likely • LI Between 0 and -2 : Slightly Unstable, Thunderstorms Possible, With Lifting Mechanism (i.e., cold front, daytime heating, ...) • LI Between -2 and -6 : Unstable, Thunderstorms Likely, Some Severe With Lifting Mechanism • LI Less Than -6: Very Unstable, Severe Thunderstorms Likely With Lifting Mechanism

  24. Principais Índices de Instabilidade • III) Índice K • O índice K deve-se a Geoger (1960) e pode ser interpretado como uma medida do potencial de tempestades baseado na taxa vertical de variação de temperatura (lapse-rate), no conteúdo de umidade na baixa troposfera e na extensão vertical da camada úmida. K = (T850 - T500) + Td850 – (T700 – Td700) [ºC] … Equação 3 • Este índice é muito usado para avaliar chuvas fortes, pois a presença de camadas úmidas em 850 e 700mb implica em bastante água precipitável. • Atividade: calcular o índice K da radiossondagem

  25. Principais Índices de Instabilidade • III) Índice K • Quanto mais positivo este índice, maior será a chance de tempestades. • Os valores de K variam conforme a estação do ano e localizações. • Um valor crítico para esse índice é de aproximadamente 30°C e, quanto maior o valor de K, maior a instabilidade atmosférica.

  26. Principais Índices de Instabilidade • IV) Índices IndicesTotals (TT, CT e VT) • O índice Total-Totals (TT) foi desenvolvido por a Miller em 1972. TT é dado pela soma de outros dois índices convectivos, o Vertical Totals e o Cross Totals. Matematicamente: TT = CT + VT ... Equação (4) • VT significa total vertical e expressa o lapse-rate entre dois níveis (850 e 500 mb) • CT significa total transversal e expressa a combinação do teor de umidade nos baixos níveis com as temperaturas superiores.

  27. Principais Índices de Instabilidade • IV) Índices IndicesTotals (TT, CT e VT) VT = T850 – T500 ... Equação (5) CT = Td850 – T500 ... Equação (6) • Substituindo: TT = T850 + Td850 – 2.(T500) ... Equação (7) Atividade: Calcular VT, CT e TT

  28. Principais Índices de Instabilidade • IV) Índices IndicesTotals (TT, CT e VT) • Para valores de TT > 43 a atmosfera está instável e quanto maior for TT, mais instável será o ar. Valores maiores do que 50 para este índice indicam presença de tempestades severas. Tabela 3 - Valores do índice TT para latitudes médias

  29. Principais Índices de Instabilidade • V) Índice SWEAT (Severe Weather Threat Index) • O índice SWEAT também foi desenvolvido por Miller. • Índice utilizado para analisar o potencial de tempestades muito severas (formações de tornados) • Mais refinado do que o índice Total Totals SWEAT = 20(TT - 49) + 12(Td850) + 2(V850) + + V500 +125{sin[Dir(V500 – V850) + 0,2]} … Equação 8

  30. Principais Índices de Instabilidade • V) Índice SWEAT (Severe Weather Threat Index) • O ultimo termo da Equação 8 deve ser considerado como nulo se quaisquer das considerações a seguir não forem satisfeitas: • A direção do vento no nível de 850mb se encontra no intervalo de 130 a 250º; • A direção do vento no nível de 500mb se encontra no intervalo de 210 a 310º; • A diferença entre a direção dos ventos é positiva; • As velocidades do ventos dos níveis de 500 e/ou 850 mb são maiores do que 15 nós (~30Km/h = 8,3 m/s).

  31. Principais Índices de Instabilidade • V) Índice SWEAT (Severe Weather Threat Index) • Não é permitido que qualquer um dos seus termos seja negativo. • Valores maiores do que 300, para esse índice, representam instabilidade na atmosfera. • Valores maiores do que 400 são atribuídos a grandes probabilidades de formação de tornados.

  32. Principais Índices de Instabilidade • VI) Índice CAPE (Energia Potencial Convectiva Disponível) • As tempestades são sustentadas pelo empuxo proveniente das correntes ascendentes. • A força das correntes ascendentes é determinada pela integral do empuxo que a corrente sofre a partir do nível da base da nuvem até uma determinada altura na atmosfera. • Esse empuxo integrado recebe o nome de CAPE e possui unidade de J/Kg e é calculado a partir de um perfil termodinâmico.

  33. Principais Índices de Instabilidade • VI) Índice CAPE (Energia Potencial Convectiva Disponível) • Matematicamente pode ser definido como: ou • Onde: NCE é o nível de convecção espontânea. NPE é o nível de perda de empuxo (topo da nuvem teórico). Rd é a constante universal dos gases para o ar seco.

  34. Principais Índices de Instabilidade

  35. Principais Índices de Instabilidade • VI) Índice CAPE (Energia Potencial Convectiva Disponível) Figura C – Exemplo de diagrama termodinâmico, cálculo do CAPE. Fonte: Dias, 2008. Tabela 4 - Valores do índice CAPE

  36. Principais Índices de Instabilidade • VII) Índice (Energia de Inibição Convectiva) • Matematicamente pode ser definido como: ou • Os limites de integração são diferentes. • Quanto menor é o valor do CINE, mais difícil é a iniciação convectiva de uma parcela da superfície até o NCE. • Valores típicos de CINE variam de 0 J/Kg, ou seja, nenhuma inibição até valores menores que dificultariam a parcela a ascender e começar o processo de formação de nuvem.

  37. equilibrium level severe benign LFC no convection convective inhibition

  38. Aplicações – Artigo I • Artigo I: Análise de índices de instabilidade termodinâmica em São Paulo. • Este artigo foi escrito por Ana Carolina Nóbile Tomaziello e Adilson Wagner Gandu (IAG - USP/SP) e teve o objetivo de determinar as características termodinâmicas do ambiente, associadas a tempestades severas na região da cidade de São Paulo, através do uso de índices termodinâmicos, e, assim, apresentar uma estatística dos valores típicos desses índices de instabilidade para São Paulo, bem como analisar a variabilidade sazonal desses índices relacionada com a quantidade de precipitação em cada mês do ano. • Com base em observações em superfície e perfis verticais determinados por radiossondagens, foram calculados e analisados diversos índices de instabilidade, determinando-se valores limiares e o desempenho dos mesmos na previsão de convecção severa sobre a região. Tomando-se particularmente quatro índices termodinâmicos – IS(SWI), ILEV(LIFT), CAPE e CINE.

  39. Aplicações – Artigo I • Os dados utilizados neste estudo foram, basicamente, de dois tipos: registros da Estação Meteorológica do IAG (Cientec), localizada no bairro da Água Funda (São Paulo - SP), e dados das radiossondagens realizadas no Campo de Marte, localizado na Zona Norte da cidade de São Paulo. O período analisado foi de 1 de janeiro de 2001 a 31 de dezembro de 2005. • Na Estação Meteorológica do IAG são feitos registros de observações de fenômenos atmosféricos de interesse a este trabalho, eventos severos (daqui em diante ES), tais como ocorrência de nuvens do gênero Cumulonimbus (Cb), trovão, trovoada, relâmpago e granizo. Esses registros foram utilizados para classificação dos dias, conforme o seguinte critério: (i) os dias com observação de um ou mais desses fenômenos foram classificados como “dias convectivos”; (ii) os dias sem observação de qualquer um desses fenômenos foram classificados como “dias não convectivos”.

  40. Aplicações – Artigo I • Odesempenho de cada um dos índices de instabilidade foi feito através do uso de skill scores. Skill Scores são utilizados em Meteorologia a fim de validar o sucesso das previsões de tempo. Neste trabalho foram utilizados Probabilidade de Detecção (POD), Razão de Falso Alarme (FAR), Índice de Sucesso Crítico (CSI), Estatística de Desempenho Verdadeiro (TSS) e Índice de Pontuação de Desempenho de Heidke (S). • Para uma previsão perfeita, POD = CSI = TSS = S = 1 e FAR = 0. Por outro lado, para uma previsão totalmente errada, POD = CSI = 0, FAR = 1 e TSS = -1.

  41. Aplicações – Artigo I Tabela 5 – Comparação dos quatro índices de instabilidade para os cinco skill scores. Os valores em negrito indicam o melhor índice de instabilidade em cada skill score. Os índices que apresentam melhor desempenho na previsão de eventos severos na RMSP são o IS e ILEV, se mostrando adequados com o emprego dos novos limiares, sendo que o desempenho de ILEV se destacou como o melhor para a região. CAPE e CINE apresentaram desempenhos de razoáveis a satisfatórios.

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