Estudo observacional e numérico da camada limite planetária na região de Alcântara-MA durante março de 2010

• Ano de defesa: 2017
• Autor(a) principal: Diogo Nunes da Silva Ramos
• Orientador(a): Julio Pablo Reyes Fernandez
• Banca de defesa: Luiz Fernando Sapucci, Osvaldo Luiz Leal de Moraes, Felipe Denardin Costa
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Meteorologia
• País: BR
• Resumo em Inglês: The interaction of the physical processes of the planetary boundary layer (PBL) with the tropical precipitation events is still poorly known. The numerical weather prediction (NWP) over this region remains problematic due to the lack of scientific knowledge about the tropical processes within the PBL. The quasi-neutrality hypothesis near the surface in the rainy season of the Northern Coast of Brazil (NCB) motivates the investigation of this work. Despite the scientific and economic importance of this arca (e.g., wind energy, aerospace and military), simulations of near-surface meteorological fields remain limited. Thus, an observational analysis was initially performed considering the data collected by the CHUVA Project from March 1 to 25, 2010 at the Alcântara Launch Center (ALC), situated at the Maranhão state. The NWP deficiencies analysis was possible through the 31) and 1D versions of the WRF model. The verification of the experiments considered three intervals with different synoptic situations: Dry period - 7 to 10/March/2010; UTCV - 11 to 14/March/2010; and ITCZ - 20 to 23/March/2010. Precipitation was predominantly nocturnal, reaching 78\% of the monthly total observed. The vertical thermodynamic and mechanical structure near-surface was slightly variable on days without precipitation, with the predominance of marine PBL. Synoptic systems change PBL in different ways. The UTCV intensifies the dynamic instability by wind shear increase. The ITCZ cooler the layer below 1 km in 4$\cong$ 2$^{o}$C, making the wind calmer and the near-surface more stratified. With the observational confirmation of quasi-neutrality in the rainy season, an interesting fact was discovered: its frequency is highest in the nocturnal period of dry and post-UTCV days. The topographic refinement applied in the WRF3D identified the cliffs and benefited only the precipitation simulation. The non-local PBL parametrization, ACM2, obtained the smallest bias in the numerical experiments, mainly for the PBL depth and the lapse rate of $\theta$. WRF1D allowed again in the determination of U$_{10}$ , whose mean bias was dose to 0.5 m s$^{-1}$ , while the 3D reached 0.7 m s$^{-1}$. The WRF3D deficiency for the atmospheric stability was related to the weak shear of the simulated wind, making the PBL more stable than the indicated observations. However, the methodology employed in the 1D experiments corrected these limitations by enhancing the mixed layer CAPE and the precipitation $\leq$ 10 mm h$^{-1}$ simulations. The results obtained were consistent, with great potential for operational purposes, of research and technological development.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21b/2017/07.25.03.11

A interação dos processos físicos da camada limite planetária (CLP) com os eventos precipitantes tropicais ainda é pouco conhecida. Em virtude dessa lacuna no conhecimento científico, a previsão numérica de tempo para a região permanece problemática. A hipótese de quase-neutralidade próxima da superfície na época chuvosa da região Norte do Nordeste brasileiro motiva a investigação deste trabalho. Apesar da importância científica e econômica dessa área (e.g. energia eólica, setor aeroespacial e militar), as simulações de campos meteorológicos próximos da superfície continuam limitadas. Com isso, uma análise observacional foi inicialmente realizada considerando os dados coletados pelo Projeto CHUVA entre 1 a 25 de março de 2010 no Centro de Lançamento de Alcântara (CLA), estado do Maranhão. A investigação das deficiências numéricas foi possível através das versões 3D e 1D do modelo WRF. A verificação dos experimentos considerou três intervalos com situações sinóticas distintas: período seco - 7 a 10/Março/2010; VCAN - 11 a 14/Março/2010; e ZCIT - 20 a 23/Março/2010. A precipitação foi predominantemente noturna, atingindo 78\% do total mensal observado. A estrutura vertical termodinâmica e mecânica próxima da superfície foi pouco variável nos dias sem precipitação, prevalecendo as características da CLP marítima. Os sistemas sinóticos alteram a CLP de maneiras distintas. O VCAN intensifica a instabilidade dinâmica da CLP através do aumento no cisalhamento vertical do vento. A ZCIT resfria a camada abaixo de 1 km em 4$\cong$ 2 $^{o}$C, tornando o vento mais calmo e estabilizando as camadas próximas da superfície. Com a confirmação observacional da quase-neutralidade no período chuvoso, um fato interessante foi descoberto: sua frequência é maior no período noturno dos dias secos e pós-VCAN. O refinamento topográfico aplicado no WRF3D identificou as falésias e beneficiou apenas a simulação da precipitação. A parametrização de CLP não-local, ACM2, obteve os menores erros nos experimentos 3D e 1D, principalmente para a altura da CLP e o gradiente vertical de $\theta$. A versão 1D permitiu um ganho na determinação de U$_{10}$, cujo viés médio foi próximo de 0,5 m s$^{ -1}$ , enquanto o 3D atingiu 0,7 m s $^{-1}$ . A deficiência do WRF3D para a estabilidade atmosférica esteve relacionada ao fraco cisalhamento do vento simulado, tornando a CLP mais estável do que as observações indicaram. Todavia, a metodologia empregada nos experimentos 1D corrigiram essas limitações, aprimorando as simulações do CAPE e da precipitação $\leq$ 10 mm h $^{-1}$ . Os resultados obtidos foram consistentes, com grande potencial para fins operacionais, de pesquisa e desenvolvimento tecnológico.