Aula Radar 06 Avaliando Relacao ZR-Aula-2014

Aula 6

• Inferência da Relação Z-R

• Avaliação da relação Z-R

• Classificação Convectivo e Estratiforme

• Classificação Continental e Marítimo

Referências 1) Rosenfeld, Daniel, Carlton W. Ulbrich, 2003: Cloud Microphysical

Properties, Processes, and Rainfall Estimation Opportunities.

Meteorological Monographs, 30, 237–237.

2) Atlas, David; Williams, Christopher R., 2003. The Anatomy of a

Continental Tropical Convective Storm. Journal of Atmospheric

Sciences, vol. 60, Issue 1, pp.3-15

3) Morales, C.A.R, 1991: Distribuição de tamanho de gotas de chuva nos

trópicos: Ajuste de uma função gamma e aplicações. Dissertação de

Mestrado, USP.

4) Houze, 1993: 1993: Cloud Dynamics. Academic Press, 573 pp.

5) Waldvogel, A., 1974: The N0 jump of raindrop spectra. J. Atmos.Sci.,

31, 1068–1078.

6) Tokay, A., and D. A. Short, 1996: Evidence from tropical raindrop

spectra of the origin of rain from stratiform versus convective clouds. J.

Appl. Meteor., 35, 355–371.

Inferência da Relação Z-R

Medidas a partir de disdrômetros

Disdrômetro de Impacto

Joss-Waldvogel

Instrumento utilizado para medir a distribuição de tamanho de gotas

de chuva (DSD ou RDSD) através de um espectrômetro

eletromecânico que mede as gotas de chuva que incidem sobre uma

superfície de 50 cm2.

• Este instrumento baseia-se no princípio de compensação automática da força produzida por uma gota que atinge a superfície do sistema receptor rígido (auto-falante).

• O efeito de compensação faz com que o sistema rígido receba somente uma parte ínfima da energia de movimento na forma de calor.

• Assim, o sistema retorna imediatamente a sua posição inicial, porém tem “deadtime” que pode implicar na sub-amostragem de gotas pequenas quando da queda de gotas grandes.

• Os pulsos elétricos gerados pelo sistema receptor são classificados por um analisador, com 20 canais, que são usados para separar os pulsos elétricos do disdrômetro em 20 diferentes classes de tamanho de gotas.

[0.35,0.45,0.55,0.65,0.75,0.90, 1.1,1.3,1.5,.7,1.95, 2.25,2.55,2.85, 3.15,3.5,3.9, 4.3,4.75, 5.25]

• O pulso gerado pela gota esta relacionado

pela amplitude U em Volts e o diâmetro da

gota incidente D em mm.

U = 0,94D1,47

Disdrômeto ótico a laser

• Parsivel (PARticle SIze and VELocity)

• Thies

Parsivel (PARticle SIze and VELocity )

• Este instrumento mede o tamanho e a

velocidade de queda dos hidrometeoros

caindo sobre um feixe de laser.

• O sensor transmite um feixe de

luz horizontal que é convertido

em um sinal elétrico.

• O sinal muda a medida que os

hidrometeoros caem sobre o

feixe.

• O grau de escurecimento/bloqueio é uma

medida do tamanho do hidrometeoro e a

duração do sinal está relacionado com a

velocidade de queda.

• O sensor PARSIVEL detecta 8 tipos de

hidrometeoros: garoa, mistura de

garoa/chuva, chuva, mistura de

chuva/neve, neve, grãos de neve,

chuva congelada e granizo.

Comprimento de Onda do Laser: 650 nm

Potência do Laser: 1 mW

Dimensões do feixe: 180 x 30 mm (Largura x Diâmetro)

Área da medida: 54 cm²

Tamanho das partículas: 0,2 a 25 mm

Número de Classes: 32 de tamanho e 32 de velocidade

Thies

• Este instrumento tem o mesmo princípio

de detecção do PARSIVEL. Porém com

algumas caracteristicas eletrônicas

diferentes.

Características

Comprimento de onda do Laser: 785 nm

Potência do Laser: 0,5 mW

Área de Medida: 46 cm² (23 x 2.0 cm)

Classificação de Classes: 440

( 22 diâmetro x 20 de velocidade)

Tamanho: 0,16 - 8 mm

Velocidade: 0,2 a 20 m/s

Convertendo gotas ou

hidrometeoros em concentração

Onde Nd(D) é a concentração de gotas por unidade de volume. Lj é o numero de gotas no canal j de diâmetro D que está entre as classes Dj e Dj+1, Dt é o tempo de amostragem, Vt(D) é a velocidade terminal da gota D e A é a área coletora do disdrômetro.

ADVDt

DL

t

j

)(

)( (D)Nd

Avaliação da relação Z-R

Desde MP muitas relações ZR foram criadas……

E mais….. E mais…..

b

Z = ARb

As primeiras classificações das

relações Z-R se restringiam

aos diferentes tipos de chuva

Fujiwara, 1965:

b A

1.46 450 Thunderstor

ms

1.37 300 Rain

Showers

1.48 205 Continuou

s Rain

Posteriormente tivemos as

variações geograficas

Stout and Muller, 1968

A e b em função da distribuição geografica

Muller and Simms, 1966

200

250

300

350

400

450

500

550

600

1.3 1.35 1.4 1.45 1.5 1.55 1.6 1.65

A

b

Arizona

Illinois

Oregon

Alaska

F lorida

N.Carolina

N.JersyIndonesia

Marshall

The building of the tower of Babel by Pieter Bruegel, 1563

Oil on oak panel, Kunsthistorisches Museum Wien, Vienna

Entretanto, a falta de conhecimento

fisico nestas classificações criaram

uma Torre de Babel das relações ZR

Rosenfeld, 2003, AMS -Radar

O modelos de distribuições de gota de chuva (RDSD) mais

aplicados são:

Exponential: Marshall-Palmer (1948), Laws-Parsons (1943), Best (1950)

Gamma: N(D)=N0Dexp[-(3.67+)D/D0]

Deirmendjian (1969), Willis (1984),

Ulbrich (1983)

Log-Normal: Feingold and Levin (1986)

2

2

ln2

ln

exp2ln

)(gT

D

D

D

NDN

)/67,3exp()(

)exp()(

00

0

DDNDN

DNDN

Processos que determinam a RDSD

Wilson and Brandes, 1979:

N(D)

Diâmetro

N

i

iiT DDNN1

)(

Concentração Total de Gotas por volume

N(D)

Diâmetro

N

i

i iDDNLWC

1

3)(6

Conteúdo de água líquida (LWC) e

D0 (diâmetro com 50% de LWC

3)(6 i

DDNLWC ii

10 mm/h

0,6 g/m3

2,7 g/m3

60 mm/h

D0

D0


A modificação da DSD somente

pelo processo de

colisão/coalescência implica em

uma diminuição da concentração de

gotas pequenas e um um aumento

das gotas grandes. Isto implica que

D0 deve aumentar e o número total

de gotas NT deve diminuir.

Provavelmente deve aumentar

também. Neste sentido, N0 diminui

e temos um aumento do parâmetro

A e uma pequena diminuição de b.

Coalescencia


Quebra

A modificação da DSD somente

pelo processo de ruptura implica

em um aumento do número de

gotas pequenas e uma diminuição

das gotas grandes. Portanto, deve

haver um decréscimo de D0 e

aumento em NT. Neste sentido, N0

deve aumentar. A tem uma pequena

diminuição enquanto que b um

pequeno aumento.


A quebra é mais importante para

tamanhos maiores, enquanto que

colisão/coalescência é mais

importante para gotas menores.

Ambos os processo agem de

maneira a aumentar o parâmetro

o que implica em uma diminuição

de b. O parâmetro A irá aumentar

dependendo do processo que

predomina (coalescência –

aumenta; quebra – diminui)

Combinação entre Colisão/Coalescência e Quebra


Uma vez que a acreção de gotas de

nuvem pelas gotas de chuva age no

sentido de aumentar o tamanho de

todas as partículas sem aumentar o

número delas, NT não deve mudar.

Entretanto deve existir um desvio

da distribuição para tamanhos

maiores, logo um aumento de D0.

Como NT é constante, N0 deve

aumentar. Assim, A aumenta e b

pode apresentar uma pequena

alteração.

Acreção


A evaporação reduz em maior grau

o número de gotículas pequenas do

que as grandes. Consequentemente,

NT diminui. Também temos que

uma mudança substancial na DSD

implica em um aumento de , bem

como de D0. Isto implica em uma

diminuição de N0, um aumento de

A e uma diminuição de b.

Evaporação


A presença da corrente ascendente

é o de eliminar as partículas

pequenas da DSD nos níveis mais

baixos. Logo este efeito é similar

ao da evaporação.

Corrente Ascendente


Com a corrente descendente, temos

um aumento do fluxo de gotículas

pequenas o que implica em uma

diminuição de , logo b deve

aumentar. Nesta linha temos que

NT deve aumentar e D0 e A

diminuem

Corrente Descendente


Separação por tamanho

proporciona em um estreitamento

da DSD, o que implica em um

aumento substancial de . Portanto

b e NT devem diminuir. Enquanto

que D0 pode aumentar ou diminuir

e depende da parte da precipitação

que estamos observando, isto

também será válido para A.

Seleção de tamanho


Equilíbrio da DSD: Z = 600 R; D0 = 1.75 mm Hu and Srivastava (1995)

1

10

100

0 50 100 150 200

T ime for reaching equilibrium DSD

Time for main features of DSDe

Tim

e f

or

rea

ch

ing

eq

uil

ibri

um

DS

D [

min

]

R [mm h-1

]

Lifetime of a falling

element in a deep

rainshaft

Impacto da DSD de nuvem na evolução da RDSD

DSD Nuvens Marítimas

Coalescência/gotas de nuvem garoa

Coalescência/garoa gotas de chuva

Mais coalescência gotas grandes

Quebra/ruptura e DSD de equilíbrio

•Se aproxima de D0 por baixo

•DSD Nuvens continentais

Acreção de gotas de nuvem

graupel granizo gotas

grandes quebra DSD de

equilíbrio

Se aproxima de D0 por cima

Variação de D0 para nuvens convectivas marítimas e continentais.

Conteúdo de água líquida [g m-3] em função do diametro mediano

D0 [cm] e concentração total de gotas NT [m-3] para R=30 mm h-1

102

103

104

105

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

NT (30) W (30)

NT(3

0)

[m-3

] W(3

0) [g

m-3]

D0(30) [cm]

DSD All, R=30 m m hr-1

Continental Maritime

Equilibrium

Porque a classificação Continental e Maritima é tão importante?

Enquanto que a chuva é parecida tanto no oceano

como no continente.

As descargas atmosféricas se concentram

basicamente sobre o continente.

Logo isso deve implicar que existe uma diferença entre

a chuva continental e marítima.

Em Nuvens Marítimas temos:

o Mais coalescência chuva D0 < D0e R(Z) menor

o Correntes ascendentes menos intensas

D0 menor R(Z) menor

o Menor evaporação D0 pequeno R(Z) Menor

Em Nuvens Continentais temos:

o Menos coalescência sem garoa sem gotas

pequenas hidrometeoros começam como graupel e

granizo D0 > D0e R(Z) maior

o Correntes ascendentes mais intensas

D0 maior R(Z) maior

o Mais evaporação Maior D0 R(Z) maior

.

Medidas de Disdrometro durante diversas campanhas do TRMM

0.01

0.1

1

10

100

1000

0 1 2 3 4 5 6

Florida Cont

Florida Mar

LBA Cont

LBA Mar

India Cont

India Mar

Kwaj MarN

[m

m m

-3 \

m

m h

r-1

]

D [m m ]

Rosenfeld and Tokay, 2002

1

10

100

20 25 30 35 40 45 50

ZRs "Convective" Z=300R^1.40

"Tropical" Z=250R^1.20

R [

mm

/hr]

Reflectiv ity [dBZ]

W SR-88D ZR

1. Arizona mountain thunderstorms (Foote 1966)

646 1.46

3. Swiss Locarno thunderstorms, continental

(Joss and Waldvogel , 1970) 830 1.50

4. Illinois thunderstorms, continental

(Sims, 1964) 446 1.43

5. Oklahoma thunderstorms, moderate continental

(Petrocchi and Banis, 1980) 316 1.36

6. Congo Squall line. Tropical continental

(Sauvageot, 1994) 425 1.29

7. PurtoRico thunderstorms. Coastal, moderate maritime

(Ulbrich et al., 1999). 261 1.43

8. Darwin Squalls. Coastal, tropical maritime

(Maki et al., 2001) 232 1.38

9. Darwin Convective DSD. Coastal, tropical maritime

(Tokay et al., 1995) 175 1.37

10. COARE Convective DSD. Equatorial maritime

(Tokay and Short, 1996). 139 1.43

11. Marshall Trade wind cumulus. Warm rain maritime

(Stout and Mueller, 1968) 126 1.47

12. Marshall Showers. Equatorial maritime.


E. Equilibrium DSD. 600 1.00

Relação Z-R para precipitação de nuvem continental e

maritima. Taxa de precipitação para Z de 40 e 50 dBZ. Note

um sistemático aumento de R para um dado Z durante a

transição de continental para maritima.

10

100

Ariz

on

a T

S

Lo

ca

rn

o T

S

Illi

no

is T

S

Ok

lah

om

a T

S

Co

ng

o S

qu

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Pu

rto

Ric

o T

S

Da

rw

in S

qu

all

s

Da

rwin

Co

nv

DS

D

CO

AR

E C

on

v D

SD

Ma

rsh

all

Tra

de

Ma

rsh

all

Sh

ow

ers

Eq

uil

ibri

um

DS

D

R (40 dBZ)

R (50 dBZ)

R [

mm

/ h

r]

Type

R (Z) Convective: Continental - M aritime

1E1211109876543

1

20

30

40

50

70

90

Classificação Convectiva e Estratiforme

De acordo com a definição

padrão (Houze, 1993), temos

que ter medidas simultâneas de

velocidade vertical e velocidade

terminal dos hidrometeoros para

poder fazer a classificação de

precipitação como sendo

Convectiva ou Estratiforme.

Waldvolgel (1974) propôs um método baseado na variação do N0 (parâmetro

linear/interceptador) a partir de um ajuste da função exponencial

(N(D) = N0 exp (-D). Valores baixos de N0 estavam associados ao

aparecimento da banda brilhante (neve derretendo)(BB), logo precipitação

estratiforme. Variações repentinas de N0 estavam associados ao

desaparecimento da BB, logo precipitação convectiva, ou mesmo pequenas

alterações de N0 também.

Esta classificação não era muito valida para precipitações nos Trópicos e de

acordo com Tokay e Short (1996) esta classificação é sucetível à variações de

e R.

Em nuvens Maritimas Convectiva :

Mais Coalescencia Chuva D0 < D0e R(Z) Menor

Menor evaporação D0 menor R(Z) Menor

Em nuvem estratiforme :

Agregação de gelo D0 maior R(Z) maior

Maior evaporação D0 maior R(Z) maior .

Classificação Convectiva e Estratiforme

1

10

100

20 25 30 35 40 45 50

Stratiform Z=276 R^1.49

Convective Z=147R^1.55

R [

mm

/hr]

Reflectiv ity [dBZ]

TRM M Z-R

1. Darwin Convective DSD. Coastal, tropical maritime

(Tokay et al., 1995) 175 1.37

a. Darwin Stratiform DSD. Coastal, tropical maritime

(Tokay et al., 1995) 335 1.37

2. Marshall Showers. Equatorial maritime.


b. Marshall continuous. Equatorial maritime.


3. COARE Convective DSD. Equatorial maritime

(Tokay and Short, 1996). 139 1.43

c. COARE Stratiform DSD. Equatorial maritime

(Tokay and Short, 1996). 367 1.30

4. COARE Convective aloft, by updraft

(Ulbrich and Atlas, 2001) 120 1.43

d. COARE Stratiform aloft, by updraft

(Ulbrich and Atlas, 2001) 203 1.46

5. Hurricane eye wall.

(Jorgensen and Willis, 1982) 287 1.27

e. Hurricane rain bands.

(Jorgensen and Willis, 1982) 301 1.38


Relação Z-R para precipitação de nuvens convectivas e

estratiformes. Taxa de precipitação para Z de 30 e 40 dBZ. Note uma sistemática diminuição de R para um dado Z durante a

transição de convectivo para estratiforme.

1

10

Da

rwin

Co

nv

DS

D

Da

rw

in S

tra

t D

SD

Ma

rsh

all

Sh

ow

ers

Ma

rsh

all

Co

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AR

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SD

CO

AR

E S

tra

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SD

CO

AR

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MM

alo

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CO

AR

E S

tra

t P

MM

alo

ft

Fre

de

ric

Ey

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all

Fre

de

ric

Ra

inb

an

ds

Eq

uil

ibriu

m D

SD

R(30 dBZ)

R(40 dBZ)

R [

mm

/ h

r]

Type:

R (Z) Convective - S tratiform

1 a 2b 3 4c d 5 e E

1. Mount Fuji, at height of 1300 m.

(Fujiwara and Yanase, 1968) 240 1.48





a. Marshall Trade wind cumulus, 0 m.


b. Hawaii, Mauna Loa, 800 m.

(Blanchard., 1953) 31 1.71


Relação Z-R para precipitação de nuvens maritimas

orográficas. Taxa de precipitação para Z de 30 e 40 dBZ.

Note um sistemático aumento de R para um dado Z a

medida que subimos.

1

10

100

Fu

ji 1

30

0

Fu

ji 2

10

0

Fu

ji 3

40

0

Tra

de

win

d s

ho

we

rs

Ma

un

a L

oa

80

0

Eq

uil

ibri

um

DS

D

R(30 dBZ)

R(40 dBZ)

R [

mm

/ h

r]

Type:

R (Z) Orographic

1 2 3 bE

a

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