resumo wscra_2010

WSCRA2010 - II Workshop Internacional sobre Clima e Recursos Naturais nos Países de Língua Portuguesa, Bragança, Portugal, 15 - 19 Novembro 2010

Simulação do impacto da albufeira de Alqueva nas 1

condições atmosféricas da região 2 3

João Teixeiraa; Alfredo Rochab, João Sousac 4 5

a CESAM & Department of Physics, University of Aveiro, Aveiro, Portugal, Email: [email protected] 6

b CESAM & Department of Physics, University of Aveiro, Aveiro, Portugal, Email: [email protected] 7

c CESAM & Department of Physics, University of Aveiro, Aveiro, Portugal, Email: 8

[email protected] 9 10 11 12 Resumo 13 No ano de 2002 deu-se o início do enchimento da barragem de Alqueva, criando-se assim o 14 maior lago artificial da Europa com 250 km2 de superfície. 15 Ao longo deste trabalho discutiu-se o impacto desta albufeira nas condições atmosféricas, 16 quer a nível local como regional. Para tal recorreu-se ao modelo WRF com o qual foram 17 feitas duas simulações, uma considerando a albufeira e outra em que se substituiu a 18 superfície de água da albufeira por solo. Desta forma foi possível estudar a influência desta 19 alteração do uso da superfície, na circulação atmosférica na região. 20 Os resultados mostram que a presença da barragem produz perturbações na circulação 21 regional, e que estas perturbações podem estender-se e/ou ser advectadas até centenas de 22 quilómetros para sotavento da albufeira. 23 24 Abstract 25 The filling of the Alqueva storage lake began in 2002 creating the biggest artificial lake in 26 Europe and covering 250 km

2. 27

High-resolution numerical model simulations were used to simulate the atmosphere. Using 28 the WRF model, two experiments were performed: one considering the lake water surface 29 and another where the water surfaced was replaced by soil. A change in the surface 30 coverage will have an impact over the atmospheric circulation both locally and regionally. 31 The model showed that there were circulation anomalies created by the storage lake that 32 were carried downwind by the sea breeze for hundreds of kilometers. 33 34 35

1. Introdução 36

Uma alteração da superfície da Terra leva geralmente a uma alteração das suas 37 propriedades, como por exemplo a sua reflectividade e emissividade. Caso a alteração seja 38 significativa, esses parâmetros alteram o balanço radiativo da região (Bischoff-Gauss et al., 39 2006).Um exemplo destas alterações é a construção de barragens, que substituem uma 40 zona de vale por uma superfície significativa de água – albufeira. 41 A influência no clima local e regional de lagos e albufeiras tem sido observada e está já bem 42 documentada por diversos autores, nomeadamente a interacção destes com processos de 43 meso-escala. (Bates et al., 1993) 44 Em 2002 foi inaugurada na região do Alentejo a barragem de Alqueva, criando assim um 45 lago artificial com 250 km2 de superfície. Dada a sua dimensão, uma transformação deste 46 tipo pode provocar alterações, quer das propriedades, quer na dinâmica da atmosfera, como 47 por exemplo da circulação local (brisa de lago), pois para além de modificar fisicamente a 48 superfície, altera também significativamente a orografia local. 49 O estudo das alterações provocadas pela existência da albufeira torna-se útil, pois permite 50 conhecer como a dispersão de poluentes é afectada pela circulação local criada pela 51 albufeira e como as alterações provocadas por esta modificam a circulação atmosférica na 52 região e o clima local. 53

mailto:[email protected]




Este trabalho refere-se ao estudo do impacto causado pela albufeira de Alqueva nas 54 condições atmosféricas da região. Para tal utilizou-se o modelo atmosférico Weather 55 Research and Forecasting model (WRF) (Skamarock et al., 2005). Foram simulados quatro 56 dias de Agosto de 2008, escolhidos de forma a proporcionar condições favoráveis para a 57 formação e estudo da circulação atmosférica sobre uma grande superfície de água. 58

59

2. Métodos e Dados 60

2.1 Modelo Numérico 61

Neste trabalho foram realizadas duas simulações: uma simulação com a albufeira de 62 Alqueva (ALQ), e uma simulação onde se alterou a superfície de água por solo (SOLO) sem 63 alterar a topografia da bacia. Ou seja, ao nível em que se encontrava a água na albufeira, 64 substitui-se a superfície da albufeira por solo. 65 As simulações tiveram início às 00 horas do dia 24 de Agosto de 2008 e terminaram às 18 66 horas do dia 27. Foram escolhidos três domínios de simulação, para ambos os casos, como 67 mostra a Figura 1. 68

69 Figura 1. Representação dos três domínios utilizados no modelo WRF. 70

Na tabela seguinte está descrita a grelha e condições fronteira utilizadas no modelo. As 71 condições iniciais do modelo são obtidas a partir de simulações realizadas pelo modelo 72 global, Global Forecasting System. 73 74 Quadro 1.Características da grelha utilizada na simulação para os três domínios. 75

d01 d02 d03

Dimensão da malha E-O 75 81 71 Dimensão da malha N-S 74 66 91 Dimensão da malha vertical 28 28 28 ∆x, ∆y (km) 25 05 01 ∆t (min) 150 30 6 Resolução geográfica 10’ 2’ 30’’

76

2.2 Modelo de Circulação 77 A circulação e a vorticidade são as principais medidas de rotação num fluido (Holton, 2004), 78 sendo a primeira a representação da rotação do fluido ao nível macroscópico sobre uma 79 área finita. 80 Num fluido baroclínico, a circulação é gerada pelo termo solenóide de pressão-densidade. 81 Considerando um modelo simples de brisa água-terra, caso a pressão seja uniforme ao 82 longo da superfície, as isóbaras acima da superfície tendem a inclinar para baixo em 83 direcção à água, enquanto que as isopícnicas tendem a inclinar para baixo em direcção à 84 terra (Holton, 2004). 85 De forma a calcular a aceleração resultante da interacção pressão-densidade, pode-se 86 aplicar o teorema da circulação, integrando-o num circuito vertical (Holton, 2004). 87


Sendo a velocidade tangencial média ao longo do circuito considerado, obtém-se: 88 89

(1) 90

91

onde é a pressão à superfície, a pressão num dado nível, a altitude do nível 92

considerado, a distância entre o ponto 1, situado sobre a água, e o ponto 2, situado sobre 93

terra e e é a temperatura média vertical da temperatura sobre o ponto 1 e 2 94 respectivamente. 95 Para o cálculo da circulação térmica, foram escolhidos os pontos onde ocorre o máximo 96 (Ponto 2, 38,156º N -7.613º E) e o mínimo de temperatura (Ponto 1, 38,353º N -7.431º E) à 97 superfície, no domínio d03 entre as 12 e as 20 horas. Desta forma garante-se que a 98 diferença térmica entre os dois pontos é ideal para calcular a aceleração da circulação 99 térmica. 100 Na vertical, utilizou-se o nível mais próximo da superfície e o nível mais próximo da altitude 101 máxima da camada de mistura, onde se fazem sentir os efeitos da albufeira - cerca de 2000 102 m, à hora de maior diferença térmica entre os dois pontos. 103 De forma a comprovar a existência de circulação térmica, foi necessário calcular a 104 velocidade do vento causada por esta. Para tal, integrou-se a equação 1 utilizando o método 105 numérico de Euler implícito. 106 Deve-se saber que dentro da camada de mistura e junto à superfície, o ar é influenciado por 107 forças de atrito turbulento e de arrasto. Estas forças aumentam com a intensidade do vento 108 e têm sempre direcção contrária à sua direcção. (Stull, 2000) 109 As componentes zonal e meridional do atrito turbulento que actua na camada de mistura de 110

altitude podem ser calculadas utilizando a seguinte equação: 111 112

(2) 113 114

onde é a massa, e são respectivamente as componentes zonal e meridional da 115

velocidade do vento e a velocidade de transporte turbulento. 116 Em situações de instabilidade estática, de ventos fracos e forte aquecimento da superfície 117

como é o caso dos dias em estudo, é dado por: 118 119

(3) 120 121 onde: 122 123

(4) 124 125

e , é a aceleração gravítica, é a temperatura potencial virtual à 126

superfície e a temperatura potencial virtual no topo da camada de mistura. Deste modo 127 foi possível adicionar à aceleração da brisa, o efeito da força de atrito. 128 129 130 131


2.3 Vento 132 Para estudar o efeito que a presença da albufeira de Alqueva provoca na intensidade e 133 direcção do vento, subtraíu-se o campo de intensidade do vento da simulação SOLO ao da 134 simulação ALQ. Desta forma, obtemos uma anomalia da intensidade do vento que, quando 135 tem um valor positivo significa que a presença da albufeira provocou um aumento da 136 intensidade do vento. No caso do valor da anomalia ser negativo há um enfraquecimento da 137 intensidade do vento provocado pela albufeira. 138 Este método de cálculo das anomalias é também estendido aos restantes campos 139 calculados das propriedades da atmosfera, como é o caso da evaporação, razão de mistura 140 e água precipitável. 141 142 2.4 Evaporação 143 À quantidade de energia que uma substância liberta ou absorve durante uma transição de 144 fase sem alterar a sua temperatura, designa-se calor latente de vaporização/condensação. 145 Assim sendo, ao dividir o fluxo de calor latente (dado pelo modelo numérico) pelo calor 146 latente de vaporização da água, obtém-se a massa de água que é transferida da superfície 147 para a atmosfera por unidade de área e de tempo, ou seja, a evaporação. 148 A taxa de evaporação pode ser dada por (Gill, 1982): 149 150

(5) 151 152

onde é a velocidade do vento, e são a humidade especifica num nível standard e a 153 humidade especifica ao nível da superfície do mar respectivamente, a densidade do ar e 154

é um coeficiente adimensional denominado por número de Dalton. 155 156 2.4 Razão de Mistura 157 A razão de mistura de vapor de água representa a massa de vapor de água existente por 158 cada unidade de massa de ar seco numa dada parcela de ar. Assim, esta propriedade é um 159 bom indicador na detecção de passagem de brisas, pois estas ao formarem-se tendem a 160 provocar um aumento da razão de mistura. 161 Um valor de extrema importância para o estudo desta propriedade é a razão de mistura de 162 saturação, sendo este o valor de razão entre a massa de vapor de água num dado volume 163 de ar saturado, e a massa de ar seco. 164 165 2.4 Água Precipitável 166 A água precipitável quantifica todo o vapor de água existente numa coluna atmosférica de 167 secção unitária. Assim sendo, esta é um bom indicador do transporte e disperssão do vapor 168 de água existente na atmosfera. 169 Para o cálculo deste valor, integrou-se a razão de mistura em ordem à pressão entre a 170 superfície e o topo da atmosfera. Desta forma, ao calcular a diferença do campo desta 171 propriedade estamos a incluir toda a coluna atmosférica, não existindo saída de água 172 precipitável para fora do domínio de integração. 173

174

3. Resultados e Discussão 175

3.1 Vento 176

Ao longo do tempo, a direcção do vento na albufeira sobre o ponto 1 para a simulação 177 SOLO não sofre alterações significativas, apresentando apenas um decréscimo da sua 178 intensidade. Na simulação ALQ o mesmo já não acontece, pois entre as 12 e as 18 horas, 179 existe uma alteração do sentido do vento. 180


Atendendo à velocidade do vento calculada a partir do teorema de circulação, representada 181 na Figura 2, podemos observar que esta representa a direcção e intensidade do vento que 182 se verifica entre as 12 e as 18 horas para a simulação ALQ. 183 184

185 Figura 2. Evolução temporal, para a simulação ALQ à direita e SOLO à esquerda, da 186 velocidade meridional do vento (m/s) calculada pelo modelo de circulação, velocidade 187

meridional (m/s) simulada pelo modelo no nível e anomalia da temperatura média (K) 188 da camada entre os dois pontos, a verde. 189

190 Para a simulação SOLO já não existe concordância entre as duas velocidades. Deste modo, 191 podemos aferir que a alteração do vento que se verifica entre as 12 e as 18 horas na 192 simulação ALQ está associada à circulação térmica – brisa de lago – tendo como instante 193 de intensidade máxima as 15 horas. 194 No restante período de tempo o modelo de circulação não é capaz de representar a 195 velocidade que se verifica nas duas simulações, pois apesar de existir uma diferença de 196 temperatura média da camada, e sendo esta proporcional à aceleração da circulação, o 197 vento sinóptico (por ser intenso) acaba por dominar a circulação, não permitindo que a brisa 198 se estabeleça. 199 200

201 Figura 3. Campo da intensidade (m/s) e direcção do vento à superfície para a simulação 202 ALQ à direita e SOLO à esquerda para as 15 horas (Norte é no sentido positivo do eixo das 203 ordenadas). 204

205

Ao analisar o campo da intensidade e direcção do vento (Figura 3) pode observar-se que, 206 para além da diminuição da intensidade do vento sobre a albufeira e intensificação em redor 207 desta, o vento é divergente sobre a albufeira para a simulação ALQ. Isto é, os vectores do 208 vento tendem a apontar para o exterior da albufeira. Este resultado está de acordo com o 209


fenómeno de brisa de lago em que o ar mais frio sobre a albufeira tende a ser descendente, 210 causando divergência ao chegar à superfície. As perturbações geradas pela existência da 211 albufeira são posteriormente advectadas para sotavento com a chegada da brisa marítima 212 ao interior, transportando as perturbações até centenas de quilómetros para jusante da 213 albufeira. 214 215 3.2 Evaporação 216 Com a criação da albufeira de Alqueva há um aumento de água disponível para ser 217 evaporada. Assim, é de esperar que exista um aumento desta na simulação ALQ, o que não 218 acontece para todos os instantes de tempo. Entre as 12 e as 18 horas, a evaporação sobre 219 a albufeira é nula, mesmo sendo este o período de radiação solar mais intensa. 220 Como se viu anteriormente a evaporação é dada pela equação 5. Para que esta tenha 221 valores nulos a atmosfera terá que estar saturada e/ou a intensidade do vento terá que ser 222 nula. 223 224

225 Figura 4. Evolução temporal da razão de mistura (kg/kg), razão de mistura de saturação 226 (kg/kg) e intensidade do vento (m/s) para o ponto 1 à superfície, para a simulação ALQ. 227

228 A Figura 4 mostra que as razões de mistura nunca são iguais, e o vento entre as 12 e as 18 229 horas é próximo de zero podendo-se concluir que a diminuição da evaporação neste período 230 se deve à fraca intensidade do vento. Nos restantes instantes de tempo o vento sinóptico 231 intenso domina a circulação, permitindo que haja evaporação. 232 233 3.2 Razão de Mistura 234 Mesmo existindo uma diminuição da evaporação na simulação ALQ, esta é superior ao que 235 a que se verifica na simulação SOLO. Assim, será de esperar que exista uma alteração da 236 estrutura vertical de vapor de água sobre a albufeira. 237 238

239 Figura 5. Corte vertical à longitude de 7,2836º O da diferença de razão de mistura (kg/kg) 240 para o domínio d03 às 12 horas. 241

242 Durante a madrugada existe um ligeiro aumento da razão de mistura na simulação ALQ que 243 permanece constantemente junto da superfície, sendo posteriormente advectado pelo vento 244


sinóptico centenas de quilómetros para além da albufeira. A partir das 12 horas dá-se o 245 desenvolvimento de células de circulação térmica. Ao ascender, o ar expande diminuindo a 246 razão de mistura e, ao subsidir este sofre uma compressão que por sua vez aumenta a 247 razão de mistura. Assim, gera-se uma anomalia negativa entre os 1000 e os 1500 m de 248 altitude sobre uma anomalia positiva, como se pode ver na Figura 5. 249 Posteriormente, com a chegada da brisa marítima, esta estrutura sofre uma inclinação para 250 sotavento, pois o vento em altitude é menos afectado pelo atrito sendo assim mais intenso, 251 e é transportada por advecção. 252 253 3.3 Água precipitável 254 Sendo a água precipitável o conteúdo de vapor de água existente na atmosfera, espera-se 255 que este tenha um comportamento semelhante ao que é observado para a razão de mistura. 256 Assim verifica-se que de madrugada existe um ligeiro aumento de água precipitável, que é 257 advectada para sotavento. 258 No corte YZ da razão de mistura para as 12 horas, há uma anomalia positiva acima da qual 259 se encontra uma anomalia negativa. No entanto, essa anomalia não é visível no campo da 260 diferença de água precipitável. Tal deve-se ao facto de a água precipitável ser a quantidade 261 de vapor de água em toda a coluna, fazendo com que as anomalias se anulem. Com a 262 chegada da brisa marítima (cerca das 20 horas), dá-se a inclinação das anomalias para 263 sotavento em altitude. O transporte destas anomalias é visível no campo de água 264 precipitável, onde se pode observar a advecção de uma anomalia negativa, seguida da 265 anomalia positiva. Esta advecção dá-se por centenas de quilómetros a sotavento da 266 albufeira. 267 268

269 Figura 6. Campo da diferença de água precipitável (mm . m -2 . h-1) para o domínio d02 às 17 270 horas à direita e 21 horas à esquerda. 271

272

4. Conclusão 273 Ao longo deste trabalho teve-se como objectivo o estudo do impacto da albufeira de Alqueva 274 nas condições atmosféricas da região. Observou-se que a alteração da superfície altera o 275 balanço radiativo e fluxos sobre esta, permitindo a geração de uma circulação térmica – 276 brisa de lago – e modificando o regime de circulação atmosférica. Esta, em conjunto com a 277 maior disponibilidade de água, irá alterar a estrutura vertical de vapor de água sobre a 278 região. 279 Observa-se também como a chegada da brisa marítima à albufeira se faz sentir, 280 sobrepondo-se à brisa de lago e transportando consigo a massa de água e perturbações 281 criadas sobre a albufeira até centenas de quilómetros para sotavento desta. 282 De um modo geral, tendo em conta as propriedades estudadas, pode concluir-se que a 283 criação da albufeira alterou de forma significativa as condições atmosféricas, tanto a nível 284 local como reginal. 285 286 287


288

Referências bibliográficas 289

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