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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/
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Processos hidrológicosProcessos hidrológicos
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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
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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.
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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)
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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
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Mudanças de estado da água na Mudanças de estado da água na atmosferaatmosfera
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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
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(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
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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
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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
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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
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(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
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Causas da ascensão do ar úmidoCausas da ascensão do ar úmido
Resfriamento e condensação
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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
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(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
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Tipos de precipitaçãoTipos de precipitação A) Precipitações ciclônicas ou frontais
B) Precipitações orográficas
C) Precipitações convectivas
Foto: Mitch Dobrowner
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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
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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 ?
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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
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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
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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
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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
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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
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Pluviômetros e pluviógrafosPluviômetros e pluviógrafos
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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
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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
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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
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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
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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
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Hietograma acumuladoHietograma acumulado
Ruben de la Laina Porto, 2010
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Hietograma acumulado adimensionalHietograma acumulado adimensional
Ruben de la Laina Porto, 2010
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Intensidade x tempoIntensidade x tempo
Ruben de la Laina Porto, 2010
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Curva intensidade-duraçãoCurva intensidade-duração
Expressa a máxima intensidade de precipitação gerada em diversos intervalos de tempoFundamental para o projeto de obras hidráulicas
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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
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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
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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
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Mapa de isoietasMapa de isoietas
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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
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Produtos Meteorológicos:
Satélite e radar
Combinação com dados “in situ”
http://www.cptec.inpe.br
Evolução tecnológicaEvolução tecnológica
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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