Hana Carolina Vieira Silveira
Universidade Federal do Rio de Janeiro - UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil.
Ana Cristina Pinto de Almeida Palmeira
Universidade Federal do Rio de Janeiro - UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil.
Vinícius Albuquerque de Almeida
Universidade Federal do Rio de Janeiro - UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil.
Na noite do dia 2 e madrugada do dia 3 de agosto de 2011, um aquecimento noturno foi observado em diversas estações meteorológicas na cidade do Rio de Janeiro – RJ. Tal aquecimento ocorreu de forma repentina e intensa, com aumento de até 5°C em uma hora no Aeroporto Internacional Tom Jobim (SBGL) e no aeroporto Santos Dumont (SBRJ), e 3,9°C na estação meteorológica do Forte de Copacabana. Normalmente, o ciclo de temperatura diurno é bem caracterizado, de forma que valores mais baixos e mais altos são observados no início da manhã e meio/fim da tarde, respectivamente. No entanto, alguns fenômenos meteorológicos podem provocar alterações neste ciclo, sendo mais comuns quando há a passagem de frente fria. Por meio de reanálises e de uma simulação numérica do evento utilizando o modelo regional de previsão numérica do tempo − o Weather Research and Forecasting – WRF −, foram identificadas características na coluna atmosférica, como uma camada de ar mais seco em níveis médios, logo abaixo de uma camada mais úmida, além de uma inversão térmica próxima à superfície. Esses resultados são semelhantes aos apontados por Johnson (1983) para eventos heat burst, que tem como características o aumento súbito da temperatura do ar simultaneamente à diminuição da umidade em superfície. O heat burst pode estar associado à dissipação de tempestades e é tipicamente de natureza noturna, quando uma camada limite estável se desenvolve neste período, e tem um papel importante para o seu desenvolvimento.
Palavras-chave: Aquecimento noturno, heat burst, Rio de Janeiro.
A temperatura do ar apresenta um ciclo diário médio no qual o valor máximo ocorre cerca de duas horas após o horário em que a radiação incidente é máxima, e o valor mínimo ocorre momentos antes de o nascer do Sol. Entretanto, a atuação de sistemas meteorológicos pode perturbar esse ciclo, de forma que as temperaturas máxima e mínima ocorram em outros períodos (Varejão-Silva, 2006).
Um dos sistemas meteorológicos mais comuns que provocam tais perturbações na região Sudeste do Brasil é a frente fria, na qual, em sua fase pré-frontal, os ventos de quadrante norte provocam o aumento das temperaturas por algumas horas. Eventos de Zonas de Convergência do Atlântico Sul – ZCAS também provocam alterações na temperatura do ar na região de influência do sistema, tendo em vista o aumento da nebulosidade e, consequentemente, a menor incidência da radiação solar em superfície.
No entanto, além dos sistemas meteorológicos mais clássicos, tem-se o heat burst, explosão de calor, em tradução literal, caracterizado pelo súbito aumento da temperatura do ar, com simultânea diminuição da umidade e ventos fortes, com ocorrência tipicamente noturna (Williams, 1963; Johnson, 1983; Bernstein e Johnson, 1994; Mcpherson et al. 2010).
Em 2 de agosto de 2011, na cidade do Rio de Janeiro, foi registrado, simultaneamente, um rápido aquecimento noturno da ordem de 5°C em uma hora em algumas estações meteorológicas, chegando a cerca de 8,3°C em quatro horas em outra. A temperatura máxima do dia em muitas dessas localidades foi observada durante a noite.
Por se tratar de um fenômeno ainda pouco estudado, principalmente no Brasil, este trabalho tem por objetivo geral uma revisão bibliográfica do fenômeno e, como objetivo específico, o estudo do caso ocorrido em 2 de agosto, a partir da observação por estações meteorológicas e reporte de aeroportos, além de buscar o entendimento físico com o auxílio de modelagem numérica.
O heat burst está associado à dissipação de tempestades e é tipicamente de natureza noturna, e a camada limite estável que se desenvolve neste período tem um papel importante para o seu desenvolvimento.
O desenvolvimento de heat burst pode ocorrer por dois processos distintos: o proposto por Johnson (1983) (Figura 1) e por Bernstein e Johnson (1994) (Figura 2). O primeiro processo se dá pela evaporação de gotas de chuva ou da própria nuvem em uma camada seca em níveis médios, resfriando uma parcela de ar, a qual inicia processo de subsidência por um processo adiabático seco. Durante o movimento, a parcela se aquece até alcançar uma camada de inversão térmica próxima à superfície que, com flutuabilidade negativa suficiente, penetra nessa camada e continua se aquecendo até atingir a superfície, com temperatura superior à do ambiente.
Já no estudo de Bernstein e Johnson (1994), um forte influxo em níveis médios relacionadas à tempestade entra na região estratiforme e desce em direção à superfície, contornando a área da chuva principal e deformando a camada estável de superfície.
Para identificar o aquecimento em superfície, foram utilizadas as observações realizadas nas 4 estações meteorológicas disponíveis na cidade do Rio de Janeiro do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET), 3 da rede do sistema AlertaRio, e dos 5 aeródromos da Rede de Meteorologia do Comando da Aeronáutica (REDEMET), conforme Tabela 1.
Para caracterização sinótica do evento foram utilizadas as imagens de satélite no canal do vapor d'água e infravermelho do GOES 12 do CPTEC/INPE e dados de reanálise ERA5 do Centro Europeu de Previsões Meteorológicas de Médio Prazo (ECMWF), com resolução horizontal de 0,25° x 0,25°, e temporal de 1 hora.
Para complementar a análise foi realizada uma simulação c numérica com o modelo WRF - Weather Research & Forecasting Model – com resolução horizontal de 3 km, e temporal de 1 hora.
A característica de parametrização utilizada foi a Tropical Suite, ou seja, microfísica WSM6 (Hong e Lim, 2006), radiação de ondas curtas e longas RRTMG (Iacono et al. 2008), esquema de convecção cumulus de Tiedtke (Zhang e Wang, 2017), esquema YSU PBL (Hong et al., 2006), esquema de camada superficial MM5 (Zhang e Anthes, 1982) e modelo de superfície terrestre Noah (Chen e Dudhia, 2000).
Como condições iniciais e de contorno, foram utilizados os dados de reanálise ERA5 pelo Centro Europeu de Previsões Meteorológicas de Médio Prazo (ECMWF), com resolução horizontal de 0,25° x 0,25° e temporal de 1 hora.
Na sondagem de 21h do dia 2 para o Galeão (SBGL) (Figura 3) pode-se observar inicialmente que a atmosfera próxima à superfície (1000 – 980 hPa) estava seca e condicionalmente estável. É possível notar que a média troposfera se encontrava muito seca, e uma inversão térmica próxima à superfície.
Nas Figuras 4 e 6 se observa a evolução da temperatura do ar (T) e do ponto de orvalho (Td), assim como a variação da temperatura pelo período de 1 hora para estações meteorológicas do INMET e dos aeródromos da REDEMET. Com exceção da Base Aérea de Santa Cruz, em todas os pontos de observação foi registrado o aumento da temperatura do ar (T) simultaneamente à diminuição de Td, principalmente entre 21h e 00Z.
Nas Figuras 5 e 7 se observa a temperatura e a umidade relativa do ar (UR) e a taxa de aquecimento em 15 minutos. Sabe-se que a umidade relativa é uma resposta direta da variação da temperatura, no entanto, é a única variável disponível medida nas estações do Alerta Rio que permite a análise desta natureza. Em todas as localidades foi possível notar o aquecimento noturno de até 4,9°C em 2 horas em São Cristóvão, chegando a uma taxa de 1,8°C/15min no Alto da Boa Vista entre 20h15 e 20h30. A UR também diminuiu, como esperado, saindo de cerca de 70% para 40%.
Nas estações da rede Alerta Rio o valor de Td não é observado, por isso foi utilizado o valor da umidade relativa do ar (UR), ainda que seja uma resposta direta da temperatura do ar.
A Tabela 2 lista os 12 pontos de observação, classificados do maior aquecimento até o menor aquecimento. Destaca-se o Forte de Copacabana, com aquecimento de 8,3°C entre 20Z e 00Z, totalizando 4 horas de duração. O Aeroporto Santos Dumont, com aquecimento de 7°C em apenas 3 horas e, ainda, o Aeroporto Internacional do Rio de Janeiro, com aquecimento de 6°C em 2 horas. Nessas duas últimas localidades houve aquecimento de 5°C em 1 hora.
Foram encontrados 2012 casos em que a temperatura aumentou em pelo menos 0,1°C em 1 hora, e em 88% dos casos o aquecimento foi de até 1°C. Aquecimentos a partir de 3,5°C ocorreram em 1 hora por 7 vezes, representando cerca de 0,35% da amostra (Figuras 8 e 9).
A Figura 10 ilustra a altura geopotencial no nível de 500 hPa em linhas tracejadas vermelhas, pressão ao nível médio do mar (PNMM) em linhas pretas, e magnitude do vento em 200 hPa, para 21Z do dia 2, e 00Z, 03Z e 06Z do dia 3 de agosto de 2011.
A Figura 11 ilustra também a pressão ao nível médio do mar (PNMM) em linhas pretas, vento a 10 metros em barbelas, e vorticidade relativa no nível de 1000 hPa.
A partir das figuras se observa o jato subtropical na altura entre 25 e 30°S, o ciclone extratropical centrado na altura de 35°S, com seu prolongamento associado à frente fria, e ainda a vorticidade relativa negativa sobre o mar. Em superfície observa-se o vento em 21Z do dia 2 e 00Z do dia 3 de quadrante N sobre o estado do RJ, e após este horário, a mudança do vento para quadrante S. Logo, pode-se concluir que uma frente fria em deslocamento em alto mar provocou as mudanças na circulação de ventos em superfície.
A Figura 12 tem imagens de satélite disponibilizadas pelo CPTEC/INPE para as 00h do dia 3 de agosto nos canais do vapor d’água (esquerda) e infravermelho (direita), mostra a banda de nebulosidade, entre as duas massas de ar, indicando a presença da frente fria, conforme observado na reanálise.
Para avaliar a natureza do aquecimento anômalo, buscou-se comparar o aquecimento em estudo com outro evento em condições sinóticas similares. Para isso, selecionou-se o caso de aquecimento noturno observado em 6 de agosto de 2018, quando houve o aumento em até 0,7°C em 1 hora entre 21Z e 22Z no Forte de Copacabana, o que representa cerca de 88% dos casos de aquecimento noturno (Figura 13).
Através da análise das Figuras 14 e 15 se observa o prolongamento do ciclone extratropical, correspondente à região de vorticidade relativa negativa, o jato subtropical em torno da latitude de 25°C. Essas características apontam para a passagem de uma frente fria em alto mar, afastada do continente, com ventos de quadrante S desde o início do aquecimento.
Também foi avaliada a advecção térmica nos dois casos, de 2011 (Figura 16) e 2018 (Figura 17). No primeiro caso, observou-se advecção térmica positiva, de até 0,2°C/s sobre a cidade do Rio de Janeiro, sendo maior sobre o mar, de até 0,4°C/s. No segundo caso, a advecção térmica foi menor, de até 0,1°C/s.
Avaliando para a latitude e longitude do Forte de Copacabana, observa-se que tanto a reanálise quanto a simulação numérica identificam a tendência de aumento da temperatura, principalmente a com resolução espacial de 3 km com o WRF. No entanto, subestimam a temperatura máxima em quase 4°C, sendo 26,1°C a maior temperatura detectada, quando o observado foi de 29,9°C (Figura 18).
Uma das hipóteses para o evento de 2 e 3 de agosto de 2011 é a ocorrência de um heat burst e, para investigar, buscou-se os resultados similares aos encontrados por Johnson (1983), avaliando a evolução temporal de isolinhas θe (K) com a altura (Figura 19). No caso de 2011, o afundamento das isolinhas de θe, desde níveis médios até a superfície, são similares aos encontrados por Johnson (1983), indicando uma parcela de ar em subsidência. Este mesmo padrão não é observado para o caso de 2018.
A Figura 20 apresenta o aquecimento em 1 hora e o vento em barbelas. Observa-se regiões de aquecimento sobre o oceano, próximo ao estado, entre 21Z e 22Z do dia 2 de agosto sobre a RMRJ. Destacam-se os ventos de quadrante N nesse período. É muito evidente uma área de aquecimento no litoral da Zona Sul do Rio de Janeiro entre 20 e 23Z. Observa-se os ventos de NW no litoral da Zona Sul do Rio de Janeiro, no momento do aquecimento mais significativo.
Analisando o SKEWT para 02Z do dia 3, 23h do dia 2, observa-se uma camada mais úmida em torno de 600-700 hPa, e uma mais seca logo abaixo dela. A inversão térmica não é tão pronunciada, mas observa-se uma taxa neutra de aquecimento/resfriamento próximo à superfície. Os skew-T’s tem semelhanças com a sondagem tipo cebola mencionada nas referências (Figura 21).
Na noite do dia 2 e madrugada do dia 3 de agosto de 2011 houve o aumento anômalo das temperaturas do ar simultaneamente à diminuição de Td na cidade do Rio de Janeiro. A frequência de aquecimentos ocorridos numa noite de agosto no Forte de Copacabana é normalmente de até 1°C em uma hora, e aquecimentos superiores a 3,5°C em uma hora se mostraram raros, ocorrendo em menos de 0,5% das vezes.
Neste período, a passagem de uma frente fria pelo oceano e a modificação na circulação de ventos em superfície certamente contribuíram com o aquecimento, evento favorecido pela advecção térmica positiva. Entretanto, para outro evento, em 2018, em condições sinóticas similares, o aquecimento não foi tão expressivo, além de se mostrar comum, representando cerca de 88% dos casos de aquecimento noturno num mês de agosto para o Forte de Copacabana.
Analisando as isolinhas de θe (K), como Johnson (1983), observa-se que uma camada de ar mais seco em subsidência, desde níveis médios até a superfície no evento dos dias 2 e 3 de agosto de 2011. Tal resultado não foi observado no caso em 2018.
Como mostrado na seção 2.8, o heat burst ocorre quando uma massa de ar em subsidência na atmosfera aquece neste processo e chega com temperaturas relativamente mais altas na superfície. A presença de uma camada de ar úmido em níveis médios, uma mais seca logo abaixo, uma inversão térmica próxima à superfície observada no diagrama Skew-T de 21h do dia 2 de agosto do aeroporto Galeão, é similar à mostrada por Johnson (1983), uma sondagem do tipo cebola.
Ainda a partir da simulação numérica, conclui-se que tanto quanto a reanálise, não conseguiu representar a magnitude do evento em termos de temperatura máxima atingida, mas a simulação numérica com o WRF detectou regiões de aquecimento principalmente no litoral da Zona Sul da cidade do Rio de Janeiro, uma região próxima ao Aeroporto Santos Dumont e Forte de Copacabana, localidades onde se observou o aquecimento.
Portanto, a partir dos resultados apresentados neste trabalho, é possível concluir que o aquecimento observado na noite do dia 2 e madrugada do dia 3 de agosto de 2011 é raro, e que apenas o aquecimento pré-frontal não justifica a magnitude do aquecimento. Isso sugere que outros fenômenos, como o heat burst, podem sim ter contribuído com as temperaturas observadas naquela noite.
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Recebido: 14 set. 2023
Aprovado: 20 nov. 2023
DOI: 10.20985/1980-5160.2023.v18n3.1897
Como citar: Silveira, H.C.V., Palmeira, A.C.P.A., Almeida, V.A. (2023). Avaliação de um caso de intenso aquecimento do ar noturno superficial no estado do Rio de Janeiro. Revista S&G 18, 3. https://revistasg.emnuvens.com.br/sg/article/view/1897