3D QUARTER CIRCLE SHEAR SUPERCELL SIMULATION ON DIFFERENTS FALLVELOCITS TO HAIL

WRF IDEAL CASE:

3D QUARTER CIRCLE SHEAR SUPERCELL SIMULATION ON DIFFERENTS FALLVELOCITS TO HAIL

PAULO BATISTA ARAUJO FILHO

1. INTRODUÇÃO

A compreensão, utilização e a busca de novas implementações em modelos, seja de tempo e clima e/ou superfície terrestre, pode ser considerada uma das fronteiras do conhecimento do Curso de Pós Graduação em Clima e Ambiente do INPA/UEA. Este curso caracterizado como transdisciplinar possibilita que alunos de diferentes áreas do conhecimento tenham contato direto com tais ferramentas tendo então possibilidade de utilizar as mesmas em seus trabalho durante o curso de mestrado e/ou doutorado. Portanto como último requisito para a disciplina  de Métodos Computacionais foi sugerido a utilização do modelo WRF para que fosse utilizado todo o conteúdo da disciplina no projeto em questão. Neste modelo foram selecionados alguns casos idealizados e foi requisitado que cada aluno altera-se um parâmetro. Portanto, para este trabalho, em especial, foi alterada a velocidade de queda de gelo das nuvens através da alteração do parâmetro iHAIL de 0 para 1. O objetivo geral deste trabalho foi ter um primeiro contato com o modelo WRF, utilizando o Python para a geração de gráficos e linguagem de programação para o desenvolvimento dos scripts quando necessário. O objetivo específico foi compreender como a alteração de iHAIL pode afetar a microfísica de nuvens no modelo WRF.  A justificativa para o desenvolvimento este trabalho se dá no possibilidade de contato de mais alunos à modelagem computacional e aplicação do conhecimento aglutinado no decorrer da disciplina num projeto prático.

1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Segundo pesquisadores do Instituto de Ciências Atmosféricas de Manchester as nuvens altas, mesmo com temperaturas inferiores a 0° C, podem ser compostas de água líquida ou gelo super-resfriados. Quando uma nuvem alcança níveis superiores e, portanto, menores temperaturas internas é observado que as gotículas de água não sofre um congelamento instantâneo, sendo observado que uma gota de água pode permanecer em sua fase líquida super-resfriada em temperaturas próximas a -40° C. No entanto, as partículas de gelo formam temperaturas muito mais quentes do que -40° C através de uma série de processos de nucleação e multiplicação de gelo, por isso não é incomum observar nuvens totalmente congeladas à temperaturas próximas à -10° C. As partículas de gelo podem formar-se por congelamento (uma gota líquida congela para criar uma partícula de gelo) ou deposição (onde o material é depositado diretamente da fase de vapor para criar uma partícula de gelo). Em cada caso, a produção de partículas de gelo pode ocorrer de forma homogênea (apenas moléculas de água envolvidas) ou heterogeneamente (outro material sólido auxilia o processo). Na atmosfera, as partículas de gelo podem ser formadas por três processos: i) congelamento homogêneo; ii) congelamento heterogêneo e; iii) deposição heterogênea. O congelamento homogêneo é o processo pelo qual uma gotícula líquida super-resfriada congela sem a ajuda de um núcleo de gelo, sendo mais provável à medida que a temperatura diminui abaixo de -39° C todas as gotas congelarão. O congelamento heterogêneo é o processo pelo qual uma gotícula líquida super-resfriada congela com a ajuda de uma partícula sólida de aerossol que atua como um núcleo de gelo, podendo ser de três formas distintas: 1- nucleação de imersão, ocorre quando a partícula sólida dentro de uma gotícula existente age como um núcleo para a formação de gelo e as gotículas congelam; 2- nucleação de condensação, ocorre quando o vapor de água se condensa em uma partícula sólida para formar uma gota, a partícula então age como um núcleo de imersão e; 3- Nucleação de contato, aqui uma partícula sólida está em colisão com uma gotícula existente e inicia o congelamento dessa gotícula. A deposição heterogênea é o processo pelo qual o vapor de água é depositado sobre um núcleo de gelo e assume uma forma cristalina diretamente sem primeiro estar na fase líquida. Embora este seja considerado teoricamente possível na atmosfera, não há nenhuma evidência experimental clara de que este é um processo atmosférico importante. As propriedades exatas necessárias para que uma partícula de aerossol atuem como núcleos de gelo não são totalmente conhecidas e podem ser diferentes para cada um dos modos acima. Também é provável que a temperatura em que cada modo de nucleação se torne ativa seja diferente mesmo para o mesmo tipo de partícula. Em geral, acredita-se que os núcleos de gelo são bastante diferentes dos núcleos de gotículas, enquanto que os núcleos de gotículas são solúveis, os núcleos de gelo geralmente são insolúveis. Fatores como a forma do tamanho e a estrutura do cristal são considerados importantes para os núcleos de gelo. As medições das concentrações de partículas de gelo na nuvem são muitas vezes, várias ordens de magnitude mais altas, do que as concentrações de núcleos de gelo. Isso ocorre porque existem vários mecanismos de produção de gelo ou multiplicação de gelo em que mais partículas de gelo são produzidas a partir de cristais de gelo existentes na nuvem. Os mecanismos que atualmente são considerados importantes são a fratura mecânica de cristais de evaporação; Fragmentação de grandes gotas durante o congelamento e formação de lascas durante o corte de cristais de gelo. Esta fragmentação ocorre quando uma gota de líquido está em colisão com um cristal de gelo existente e congela instantaneamente, tornando-se parte do cristal. Este último processo é geralmente referido como o processo Hallett – Mossop . As partículas de gelo produzidas por esses processos podem iniciar o congelamento de gotas adicionais por nucleação de contato ou podem crescer em cristais maiores por deposição de vapor. Uma vez que os cristais são nucleados, eles podem crescer rapidamente pela difusão de vapor, especialmente na presença de água superarrefecida, pois é energeticamente mais favorável para a água existir como gelo em vez de líquido a tais temperaturas. Assim, os cristais de gelo crescem à custa de gotículas que se evaporam; Isso é conhecido como o processo de Bergeron.

1. MATERIAIS E MÉTODOS

1. WRF

O Weather Research and Forecasting model (WRF) é um modelo de meso-escala não-hidrostático desenvolvido pelo NCAR (National Center for Atmospheric Research – EUA). O WRF é um modelo de previsão numérica de tempo e clima, sendo a versão 3 a utilizada neste teste trabalho. No WRF existem casos idealizados que permitem um primeiro contato com o modelo sem grandes desafios, como o desenvolvimento de condições de contorno para a inicialização da modelagem. Portanto, para este trabalho foi utilizado um destes casos: o 3D quarter-circle shear supercell simulation (em_quarter_ss), que possui como forçante dados relativos a vinte e quatro (24) horas, estes com intervalos de seis (6) horas cada, distribuídos entre os dias 24 e 25 de janeiro de 2000. Tais dados de forçantes meteorológicas são referentes a uma grade de 30 km sob uma região localizada no leste dos EUA.

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