Processos Hidrológicos CST 318 / SER 456 Tema 2 – Precipitação ANO 2015 Laura De Simone Borma Camilo Daleles Rennó camilo/prochidr

Processos HidrológicosProcessos Hidrológicos

CST 318 / SER 456CST 318 / SER 456

Tema 2 – Precipitação Tema 2 – Precipitação ANO 2015ANO 2015

Laura De Simone BormaCamilo Daleles Rennóhttp://www.dpi.inpe.br/~camilo/prochidr/

Processos hidrológicosProcessos hidrológicos

2. Precipitação2. Precipitação

1. Alguns conceitos usados em meteorologia2. Mecanismos de formação da chuva3. Tipos de precipitação4. Medidas da precipitação5. Grandezas características6. Tratamento de dados

1. Conceitos1. Conceitos

Precipitação:

•Água proveniente do meio atmosférico que atinge a superfície da terra•Meteorologia – estudo detalhado da precipitação•Hidrologia – precipitação passa a ser de interesse no momento em que ela atinge a superfície do terreno

• Fenômeno alimentador (input) da fase terrestre do ciclo hidrológico:• desencadeador dos processos de escoamento superficial,

infiltração, evaporação, recarga de aqüíferos, vazão de base, etc.

Formas de precipitaçãoFormas de precipitaçãoFormas de precipitação

Características

Chuvisco ou garoa (drizzle, mizzle)

• Precipitação uniforme consistindo de gotas de diâmetro inferior a 0,5mm, de intensidade geralmente baixa (inferior a 1mm/h)

• parte evapora antes de chegar ao chão• Ocorre em oceanos e em regiões subtropicais, cobrindo

grandes áreasChuva (rain) • Precipitação na forma líquida, cujas gotas apresentam diâmetro

superior a 0,5mm• Leve: < 2,5 mm/h• Moderada: 2,5 – 7,6 mm/h• Intensa: > 7,6 mm/h

Granizo (hail) Fragmentos irregulares de gelo (> 5mm), formados pelo congelamento instantâneo de gotículas, produzido por forte ascensão atmosférica. Ocorre durante as tempestades

Orvalho (dew) Forma de precipitação na qual a água contida sob a forma de vapor, na atmosfera, sofre condensação e precipita nas diferentes superfícies. Isso ocorre porque corpos sólidos perdem calor mais rápido para a atmosfera

Neve (snow) Cristais de gelo formados a partir do vapor d’água, quando a temperatura do ar é de 0o C ou menos (nuvens muito frias)

Geada (frost) Formação semelhante à do orvalho. Mas, no caso da geada, há um processo de sublimação e a água precipita diretamente na forma sólida (gelo)

Mudanças de estado da água na Mudanças de estado da água na atmosfera (revisão)atmosfera (revisão)

Fonte: www.aeroclubeparana.com .br/meteorologia

condensação

ocorrem devido a uma variação na temperatura ou na pressão atmosférica

Mudanças de estado da água na Mudanças de estado da água na atmosferaatmosfera

2. Mecanismos de formação de chuva2. Mecanismos de formação de chuva

• Três passos principais(A) Criação de condições saturadas na atmosfera–vapor d’água (evaporação e evapotranspiração)

(B) Resfriamento das massas de ar–Condensação do vapor d’água em água líquida–Formação de nuvens

(C) Crescimento das gotículas por colisão e coalescência–precipitação

(a) Saturação do ar(a) Saturação do ar

calor do sol

Energia

Ponto de saturação ou algum mecanismo de resfriamento

Energia

Taxa de evaporação = taxa de condensação saturação do ar

Medida do vapor d’água na atmosferaMedida do vapor d’água na atmosfera• Umidade absoluta = massa de vapor d’agua/volume de ar

(g.m-3)– Volume varia com a temperatura e pressão

• Umidade específica = massa de vapor d’água/massa de ar (g.kg-1)

– Difícil determinação• Umidade relativa = (pressão de vapor/pressão de

saturação de vapor) * 100 (%)– Facilmente determinável – higrometros

Onde:e – pressão de vapores – pressão de saturação de vapor

http://www.eaulas.usp.br/portal/video.action?idItem=463

Medida do vapor d’águaMedida do vapor d’água

Higrômetros– Substâncias

capazes de absorver umidade atmosférica

• Cabelo• Sais de lítio

www.etec.com.br

Psicrômetro

Umidade relativa (RH)Umidade relativa (RH)• Não a concentração de vapor real da atmosfera, mas

diz quão perto está da saturação• Indicador de ocorrência de chuva – RH = 100% • Característica importante: Pressão de saturação (ou

saturação) de vapor varia com a temperatura

Capacidade de armazenamento de água do ar decresce junto com a temperatura

(b) Resfriamento das massas de ar(b) Resfriamento das massas de ar

A umidade está sempre presente na atmosfera

Mecanismo de esfriamento das nuvens

Ascensão de massas de ar quente

A redução da temperatura promove a redução da pressão de vapor de saturação

Causas da ascensão do ar úmidoCausas da ascensão do ar úmido

Resfriamento e condensação

NuvensNuvens Na atmosfera, o processo de condensação é visível sob a forma de

nuvens Nuvem – aerossol constituído por uma mistura de ar, vapor de água

e gotículas em estado líquido ou sólido São uma espécie de “incubadora” da precipitação e fazem parte do

componente atmosférico do ciclo hidrológico A sua aparência delineia, em geral, o volume de ar onde a

condensação e a saturação estão ocorrendo

(c) Crescimento das gotas de chuva nas (c) Crescimento das gotas de chuva nas nuvensnuvens

Nucleação homogênea ambiente de ar limpo (puro)Colisão das moléculas de vapor d’águaCondição de supersaturaçãoRaramente ocorre

Nucleação heterogênea presença de Núcleos de Condensação de Nuvens (Cloud Condensation Nuclei, CCN)Requer valores de umidade de 1 a 3% acima do valor de saturação

Tipos de precipitaçãoTipos de precipitação A) Precipitações ciclônicas ou frontais

B) Precipitações orográficas

C) Precipitações convectivas

Foto: Mitch Dobrowner

Ciclônica ou frontalCiclônica ou frontalCiclônica ou frontal: compreende a maior parte do volume de água precipitado em uma bacia. Pode ocorrer por vários dias, apresentando pausas com chuviscos. Longa duração e média/forte intensidade, podendo ser acompanhadas de ventos fortes.

Orográfica: muito efetiva em causar precipitação numa mesma área ou região, ano após ano, ou mesmo continuamente durante longos períodos de tempo. São comuns nas regiões montanhosas próximas ao mar. Baixa intensidade e longa duração

Convectivas: podem variar de leve a pesadas, dependendo das condições de umidade e do contraste atmosférico. Tempestades com trovão, que despejam grande volume de água em curto período de tempo e sobre uma área relativamente pequena. Típico das regiões tropicais, onde os ventos são fracos e a circulação de ar é essencialmente vertical. Intensas e de curta duração – chuvas de verão

PerguntasPerguntas Porquê, no verão, ocorrem as chuvas mais pesadas?

O que pode provocar, em termos de chuva, o excesso de NCN´s proveniente das queimadas ?

Medidas da precipitaçãoMedidas da precipitação

Quantifica-se a chuva pela altura de água caída e acumulada sobre uma superfície planaA quantidade de chuva precipitada é coletada em recipientes denominados pluviômetros ou pluviógrafos

pluviógrafopluviômetro

PluviômetroPluviômetro

Cilindro receptor de água com medidas padronizadasO funil protege a água coletada contra radiação solar, diminuindo as perdas por evaporaçãoUma torneira colocada na base do funil permite a coleta do volume de água precipitadoA coleta é feita diariamente, sempre à mesma hora

Onde:P – precipitação (mm)V – volume recolhido (cm3)A – área de captação do anel (cm2) 1 mm chuva – 1 l/m2

Pluviômetro totalizadorPluviômetro totalizador

Recipiente de armazenamento permite o acúmulo de água por uma semana ou maisEnterrado e com certa quantidade de óleo, para formar uma película superficial e evitar a evaporaçãoRetirada da água por meio de um sifãoUtilizado em áreas mais isoladas

Pluviógrafo flutuador (ou de bóia)Pluviógrafo flutuador (ou de bóia)Possui uma área de captação de 200 cm2, composta de um coletor com funil e uma cisterna onde existe uma bóia acoplada ao sistema de pena registradoraQuando a cisterna está cheia, um sistema de sifão a esvazia, e a pena inicia o gráfico no ponto zeroCada sifonada corresponde a 10mm de água, na maioria desses pluviógrafosDurante o tempo de esvaziamento não há registro de chuva, resultando em um erro instrumental

Pluviógrafo de báscula (Pluviógrafo de báscula (tipping buckettipping bucket))

Formado por um funil e um recipiente de perfil triangular dividido em dois compartimentos que coletam pequenas quantidades de água, um de cada vez, semelhante ao movimento de uma gangorraQuando um compartimento enche, ele desce e a água é descartada, enquanto o outro recebe a águaEsse movimento alternado de enchimento é acoplado a um circuito elétrico que aciona o registrador, seja a pena registradora ou o dataloggerCada báscula, representa, normalmente, 0,1 ou 0,2mm de água

Pluviômetros e pluviógrafosPluviômetros e pluviógrafos

Cuidados na instalaçãoCuidados na instalação

Local de instalação: Posicionar em áreas abertas, longe dos prédios e de vegetação altaCaracterísticas do coletor:

Material – alumínio anodizado, aço inoxidável, ferro galvanizado, fibra de vidro, bronze e plásticoDiâmetro – formato cilíndrico, para minimizar a ação dos ventos. Tamanho mais utilizado no Brasil é de 20 cmProfundidade – baixa profundidade não permite o uso do funil (que evita o retorno da gota) e de alta profundidade são mais sensíveis à ação dos ventos

NivelamentoPrecisão das dimensõesPerda por evaporação

Redes hidrometeorológicasRedes hidrometeorológicas

Normalmente se usam dados pluviométricos coletados por um órgão estatal ou regional;Cada país dispõe de uma rede de pluviômetros e são estes dados que são utilizados para qualquer estudo – raramente se instalam pontos de medida individuais para uma investigação concretaRede de pluviômetros – deve estar adequadamente desenhada, dependendo do relevo, da densidade populacional, do interesse para obras hidráulicas, previsão de cheias, etc.Como uma primeira aproximação, em áreas planas deve-se instalar um pluviômetro a cada 250 km2, mas em áreas montanhosas, a densidade deve ser maiorwww.ana.gov.br: Evolução das estações Pluviométricas: http://arquivos.ana.gov.br/infohidrologicas/EvolucaoBrasil.pdf

Grandezas característicasGrandezas características

Altura pluviométrica (h): quantidade de chuva que cai em uma determinada região, representada pela altura de água acumulada no aparelho. Equivale à chuva que se formaria sobre o solo como resultado de dada chuva, caso não houvesse escoamento, infiltração ou evaporação. Expressa, normalmente, em mmDuração (t): intervalo de tempo decorrido entre o instante no qual se iniciou a chuva e o seu término. Expressa, normalmente, em minutos ou horasIntensidade (i): velocidade da chuva, isto é, i = h/t. Expressa, normalmente, em mm/h ou mm/minFreqüência (F): número de ocorrências de uma dada quantidade de precipitação em um dado intervalo de tempo fixoTempo de retorno, ou Período de Retorno ou Período de Recorrência (Tr): representa o tempo médio de anos no qual a precipitação analisada apresente o mesmo valor ou maior

Elaboração de dados pluviométricos Elaboração de dados pluviométricos pontuaispontuais

Depende do objetivo do trabalhoRecursos hídricos: dados de precipitações mensais e anuaisEstudo de cheias: começamos com precipitações máximas diárias (para identificar o dia mais chuvoso), e então aumenta-se o detalhe para identificar horas ou minutos mais chuvososEm qualquer caso, a partir das medidas realizadas em uma estação são computados:

P diáriaP mensalP anualP média mensalP média anual

Necessidade de séries climáticas de longo prazo – em geral com mais de 20 anos

HietogramaHietograma

Gráfico que expressa a precipitação em função do tempoGeralmente representado por um histograma (gráfico de barras)Nas ordenadas podem figurar a altura de precipitação (em mm) ou a intensidade de precipitação (mm/hora)Como unidade de tempo, podem ser selecionado minutos, horas, dias, meses ou anos

Hietograma acumuladoHietograma acumulado

Ruben de la Laina Porto, 2010

Hietograma acumulado adimensionalHietograma acumulado adimensional

Ruben de la Laina Porto, 2010

Intensidade x tempoIntensidade x tempo

Ruben de la Laina Porto, 2010

Curva intensidade-duraçãoCurva intensidade-duração

Expressa a máxima intensidade de precipitação gerada em diversos intervalos de tempoFundamental para o projeto de obras hidráulicas

Precipitação média sobre uma baciaPrecipitação média sobre uma bacia

Problema prático:

Qual é o volume precipitado sobre uma bacia hidrográfica que possui mais de um pluviógrafo/pluviômetro?

Previsão para hoje: chuvas acima da média

Ruben de la Laina Porto, 2010

Polígonos de ThiessenPolígonos de Thiessen

Traçado dos polígonos de Thiessen é absolutamente objetivo – não requer subjetividadeNão considera a influência do relevo

total

nnm S

PSPSPSP

...2211

http://www.piercecollegeweather.com/flash/Thiessen.swf

Mapa de isoietasMapa de isoietas

Mapa de isoietasRepresenta a distribuição espacial da precipitação para um período considerado

Valor das isolinhas: depende do período considerado e da extensão da zona de estudo

isoietas anuais - curvas de 100 em 100mmisoietas diárias – curvas de 10 em 10 mm (eventos extremos)

zona com deficiência de dados: curvas de nível e variação da precipitação com a altitude

total

nn

m S

PSPPSPPSPSP

...22

)( 323

21211

S1

S2

S3 S4

P1

P2

http://www.piercecollegeweather.com/flash/Isohyet.swf

Mapa de isoietasMapa de isoietas

Geoprocessamento/modelagemGeoprocessamento/modelagem

Outros métodos interpoladores: p.e. inverso do quadrado da distânciaVer, p.e. Salgueiro (2005) – Avaliação da rede pluviométrica e análise da variabilidade espacial da precipitação: estudo de caso na bacia do rio Ipojuca em Pernambuco – Dissertação de mestrado

Produtos Meteorológicos:

Satélite e radar

Combinação com dados “in situ”

http://www.cptec.inpe.br

Evolução tecnológicaEvolução tecnológica

Sites interessantesSites interessantes

• Explicando o tempo – climatempo

http://www.youtube.com/watch?v=3X-BYp2gPFY&feature=related

• Cumulus ninbus - HD

http://www.youtube.com/watch?v=6LkInkH6aAo&feature=fvwrel