Esquema automatizado para disparar modelagem de alta resolução

Desenvolver a interface em JAVA para configuração de grade, execução dos modelos atmosféricos e geração de produtos e relatórios.

Para a previsão e monitoramento de sistemas convectivos severos, é proposto um sistema numérico de alta resolução espacial e temporal, modular e flexível baseado no modelo BRAMS. BRAMS (Brazilian developments on the Regional Atmospheric Model System) é baseado na mais recente versão do modelo RAMS (Walko et al., 2000) com vários aperfeiçoamentos e adequações para a simulação da atmosfera na região dos trópicos e sub-trópicos. O RAMS/BRAMS constitui um modelo de previsão numérica da atmosfera desenhado para simular circulações de micro-escalas da camada limite planetária às escalas hemisféricas. O modelo resolve as equações compressíveis e não-hidrostáticas governantes da atmosfera seguindo a aproximação quasi-Boussinesq (Tripoli and Cotton, 1982). Possui ainda o esquema de múltiplo ‘aninhamento (nesting)’ de grades com retro-alimentação entre estas, o que permite a solução simultânea de diversas escalas espaciais relevantes para o problema estudado. O modelo possui um complexo e estado-da-arte conjunto de parametrizações físicas para simular processos tais como: transferência radiativa; trocas de energia, água e momento linear entre a superfície e a atmosfera; transporte turbulento dentro da camada limite planetária, microfísica de nuvens; moderna parametrização convectiva com ensemble de fechamentos e hipóteses e, por fim, transporte e emissão de gases e aerossóis. O estado inicial pode ser definido a partir de vários dados observacionais que podem ser combinados e processados usando seu esquema de assimilação de dados. Como condição de contorno, o modelo possui o esquema 4DDA que permite o estado atmosférico simulado incluir a evolução atmosférica de grande escala fornecida por previsões de modelo globais, como o MCGA do CPTEC. A Figura 1 mostra um exemplo da simulação explícita de um sistema convectivo que se formou perto da cidade de Brasília no dia 02/11/2002. As principais estruturas dinâmicas de um sistema deste porte são bem simuladas, apresentando as correntes ascendentes desde a camada limite planetária (CLP) atingindo 13 km de altura na troposfera. Também aparecem as correntes descendentes que se formam na baixa troposfera (~ 4 km) e penetram a CLP. Os campos de chuva (vermelho) e gelo (cinza) também são mostrados. Do ponto de vista numérico, o BRAMS é um modelo paralelo apto para ser executado eficientemente tanto em arquiteturas escalares quanto vetoriais, multi-processadas ou seriais. O sistema de alocação de memória é dinâmico seguindo o padrão Fortran 90 o que significa que um mesmo executável está preparado para qualquer configuração da(s) grade(s) numérica(s) necessária(s), não havendo necessidade de re-compilar o código quando se altera a discretização espacial e configuração geográfica do modelo. Possui simples e eficiente interface de dados para sua configuração e execução automática. O CPTEC e unidades colaboradoras possuem ampla experiência na automatização de sistemas para a realização completa de todas as fases necessárias à realização do prognóstico numérico do modelo.
Para a consecução desta Meta, se propõe o uso do modelo configurado em alta resolução espacial (espaçamento horizontal de grade de 1 a 3 km) o que permitirá ao modelo resolver explicitamente sistemas convectivos úmidos, precipitantes ou não, sem uso de parametrizações convectivas. Esta solução explícita fornecerá prognósticos ao longo do tempo e em três dimensões espaciais do vento (intensidade e direção), perfis termodinâmicos do ambiente (temperatura, umidade específica, umidade relativa, etc.), de precipitação (água de chuva, granizo) além da estrutura termodinâmica da própria nuvem (temperatura, água de nuvem, de gelo, de chuva, velocidade das correntes ascendentes e descendentes, sua extensão horizontal e vertical, seu ciclo de vida, etc.). Este conjunto de dados municiará o sistema previsor de informações necessárias para definir o grau de severidade, áreas de risco, ocorrência e duração temporal do sistema atmosférico em questão. Os resultados da Meta 2 com o uso de data mining orientará um procedimento automático de configuração e disparo do modelo. A extensão espacial de regiões favoráveis à ocorrência de tempestades determinará o tamanho geométrico e resolução (1 a 3 km) da grade do modelo. Enquanto que toda a física do modelo estará previamente configurada utilizando as melhores opções disponíveis. No entanto, são bem conhecidas as limitações da rede observacional sobre a América do Sul e adjacências. Dados de radares disponíveis possuem um alcance espacial bastante reduzido em comparação à área territorial e também a rede de superfície e de radiossondas. Esta escassez de dados, muito provavelmente, pode não conseguir capturar substancialmente o estado atmosférico em que se desenvolve uma dada tempestade. Desta forma, o estado inicial informado ao modelo atmosférico pode estar descaracterizado e faltando elementos chaves para o estabelecimento de tempestades severas ou não, e assim, prejudicando o desempenho do modelo em simular o(s) sistema(s) existente(s). Por outro lado, os sistemas de análises de dados podem apresentar deficiências em sua formulação e inconsistências com a própria física do modelo atmosférico, prejudicando, novamente o desempenho do sistema. Em função destas limitações, nós propomos uma metodologia complementar que permitirá reforçar a informação de ocorrência de tempestades no âmbito do próprio modelo. Trata-se de produzir uma indução de tempestades onde estas estão de fato ocorrendo. A indução será realizada fisicamente ‘semeando’ bolhas quentes e úmidas em toda extensão vertical da camada limite planetária, através da adição de um campo de perturbação da ordem de 1 K (g/kg) nos campos de temperatura (umidade específica) do estado do modelo nestas regiões. A determinação automática das regiões onde este campo de perturbação atuará será realizada com a assimilação do produto Previsão a Curto Prazo e Evolução de Sistemas Convectivos (FORTRACC, Machado e Laurent, 2004, moara.cptec.inpe.br). O FORTRACC foi desenvolvido com o objetivo de obter a evolução temporal e trajetória dos sistemas convectivos, os quais em geral estão associados com precipitações intensas e rajados de vento. A Figura 2 mostra um exemplo do produto do FORTRACC para as 08:00 GMT do dia 15/08/2006. O sistema fornece informações do ciclo de vida da tempestade: intensificando, estável e desintensificando. Propõe-se, assim, que regiões onde o sistema está se intensificando ou estável este campo de perturbação seja adicionado. Este procedimento ajudará o modelo a capturar a tempestades e sua física fornecerá a evolução temporal e espacial destas.
Um sistema geograficamente referenciado de configuração, preparo de dados, execução do modelo de alta resolução, pós-processamento e visualização dos resultados do modelo será implementado baseado em linguagem computacional JAVA. Esta linguagem é totalmente portável em termos de sistemas operacionais e, assim, útil para gerenciar ações em diversas plataformas computacionais. Esta interface permitirá o acompanhamento em tempo real da evolução do sistema prognosticado pelo modelo e a produção automática de relatórios e avisos.




Bibliografia
Walko R., Band L., Baron J., Kittel F., Lammers R., Lee T., Ojima D., Pielke R., Taylor C., Tague C., Tremback C., Vidale P. Coupled Atmosphere-Biophysics-Hydrology Models for Environmental Modeling. J Appl Meteorol 39: (6) 931-944, 2000

Tripoli, G., and W. Cotton, The Colorado State University three-dimensional cloud-mesoscale model. Part I: General theoretical framework and sensitivity experiments, J. Res. Atmos., 16, 185-219, 1982.

Machado, L., A., T.; Laurent, H. The convective system area expansion over Amazonia and its relationships with convective system life duration and high-level wind divergence. Monthly weather review, v. 132, n. 4, p. 714-725, 2004.

Os fenômenos meteorológicos de mesoescala, como as tempestades severas, são caracterizados por chuvas intensas, ventos fortes, descargas atmosféricas, granizo e até tornados. Como conseqüência, eventos de inundações, principalmente em áreas urbanas, vendavais de grande poder destrutivo e outros fenômenos adversos afetam a agricultura, causam transtornos nos transportes nas grandes cidades, têm impacto na geração e distribuição de energia elétrica em todo o país. Desta forma, causam enormes perdas econômicas nos diversos segmentos produtivos, além de dezenas de mortes por ano no Brasil, e em especial nas regiões sul-sudeste do país.
Como forma de exemplificar, pode ser citada a tempestade que atingiu a cidade de Ribeirão Preto (SP), em 15 de maio de 1994, causando perdas da ordem de USD 3 milhões, além de vários feridos e uma morte. Mais recentemente, entre o fim da tarde e início da noite do dia 27 de janeiro de 2006, uma série de tempestades de caráter local, embebidas em um sistema de escala maior, provocaram transtornos gravíssimos na cidade do Rio de Janeiro. Os problemas na capital fluminense foram de caráter variado, com incidentes de alagamentos, engarrafamentos de dezenas de quilômetros por toda a cidade, fechamento dos aeroportos, e diversos outros transtornos de caráter mais econômico/material. Entretanto o problema de ordem mais grave se deu no ponto de vista de o grande volume de chuvas destas tempestades ter ocasionado perdas humanas.
Um levantamento dos desligamentos ocorridos nas linhas de transmissão do sistema de Furnas, no período de 1996 a 2001 destacou as causas que mais contribuem para o desligamento de linhas de transmissão de energia elétrica, quais sejam: descargas atmosféricas, queimadas, árvores, ventos fortes e queda de torres. No caso específico de desligamentos de linhas transmissão do sistema de Furnas, no período analisado, ocasionados por descargas atmosféricas, encontrou-se uma média de 95 eventos por ano.
Foram muitos os estragos causados pelo vendaval e a chuva de granizo que atingiram o município de Saquarema (RJ) na tarde do dia 15 de maio de 2004. O vento que chegou a 120 km/h foi devastador, destruindo casas, derrubando postes e árvores. Vários prédios tiveram vidros estraçalhados. Segundo o Corpo de Bombeiros e a Defesa Civil de Saquarema, de 1.500 a 2.000 casas foram destelhadas.
Um apanhado dos casos de queda de estruturas de LTS de Furnas, associados a ventos fortes, mostram mais de 40 eventos, no período de 1970 a 2002. Em 27 de fevereiro de 2004, ocorreu a queda de 31 torres de linhas de transmissão no município de Palmital (SP), sendo o evento associado à ocorrência de vento forte, oriundo de tempestades severas.
Quatro outros casos de grande impacto sócio econômico ocorreram mais recentemente, nos anos de 2005 e 2006, no Estado do Paraná e ocasionaram prejuízos significativos para o setor elétrico brasileiro, tendo em vista que as tempestades atingiram e danificaram seriamente torres de transmissão do Sistema de Transmissão de Itaipu, integrado por cinco linhas de transmissão, que cruzam 900 km desde o Estado do Paraná até São Paulo, sendo responsável por grande parte do suprimento de energia da região sudeste.

- Desenvolvimento de um sistema adaptativo para a execução em modo operacional de modelos numéricos em escala convectiva que, capturando as condições atmosféricas favoráveis a tempestades severas em uma dada região, forneçam (sob demanda ou não) a previsão numérica de curto prazo da formação e evolução dos sistemas convectivos. O conjunto de dados gerados norteará a tomada de decisões visando à proteção da sociedade em geral.
- Domínio do conhecimento técnico e científico de sistemas automatizados para previsão de eventos severos que poderá ser disponibilizado para diversos órgãos e instituições regionais do País.