UNIVERSIDADE EDUARDO MONDLANECurso de Engenharia Civil1HIDROLOGIACaptulo 5 PrecipitaoIntroduo2Atmosfera camada gasosa que envolve a TerraEnorme importncia na circulao da gua, desde que evapora at que precipitaMuito importante na redistribuio da energia proveniente do Sol (que atinge a superfcie do globo de modo no uniforme, quer no espao quer no tempo)Caractersticas da atmosfera variam com o tempo (estaes do ano) e com o espao (regio que envolve, latitude e, em cada latitude, com a altitude)2Caractersticas da atmosfera3Grandes variaes das propriedades, caracterizao em termos mdiosBaixa atmosfera (primeiros 50 km), alta atmosferaOs processos de transporte de gua e energia ocorrem na baixa atmosferaBaixa atmosfera: troposfera (18 km sobre o equador, 6 km sobre os polos), tropopausa, estratosferaTroposfera contm cerca de 75% da massa total da atmosfera, onde ocorrem os fenmenos meteorolgicos3Caractersticas da atmosfera4Troposfera temperatura decresce com a altitude, tipicamente cerca de 6,5 C/kmAcima da troposfera temperatura permanece constante nos primeiros 15 km, depois cresce at cerca de 0 C Principais componentes da atmosfera: azoto e oxignio (cerca de 99%), vapor de gua e dixido de carbono (gases de estufa), ozono (filtra a radiao ultra-violeta). No gasosos: gua (lquida e slida), poeiras importantes para a precipitao4Componentes da atmosfera55Humidade do ar6Tenso do vapor, e presso do vapor de gua numa dada massa de ar, em determinadas condies de presso atmosfrica e de temperaturaTenso do vapor saturado, eswpresso do vapor de gua, quando a massa de ar, em determinadas condies de presso atmosfrica e de temperatura, j no comporta mais vapor de guaHumidade absoluta, .vrelao entre a massa de vapor de gua e o volume de ar hmido que a contm = massa volmica do vapor de gua (kg/m3)6Humidade do ar7Humidade especfica, qvrelao entre as massas de vapor de gua e de ar hmido que existem em determinado volume de ar hmidoHumidade relativa, U relao entre a massa de vapor de gua (mv) num determinado volume de ar e a massa de vapor de gua que saturaria esse volume mesma temperatura (mvs) = e / eswRazo de mistura, w relao entre as massas de vapor de gua e de ar seco que existem num dado volume de ar = 0,622 e / (pae)7Nuvens e precipitao8Nuvens formadas por gotas de gua e partculas de gelo, com gnese no vapor de gua da atmosferaClassificam-se segundo o aspecto:Cmulos grande desenvolvimento vertical e horizontal, de vrios quilmetrosEstratos camadas estreitas e sobrepostas, centenas de quilmetros na horizontalCirros grande altitude, aspecto filiformeNimbos nuvens que produzem precipitaoCombinaes destes nomes (ex cmulos-nimbos)8Nuvens e precipitao9Formam-se gotas de gua (lquida) a partir do vapor de gua quando a presso excede ligeiramente a tenso de saturao do vapor, por efeito de partculas higroscpicas (ncleos de condensao)Partculas higroscpicas sal proveniente do mar, poeirasPresso da gua lquida superfcie das gotas pequenas superior das gotas grandes; gotas pequenas vaporizam-se mais facilmente e esse vapor contribui para o aumento das gotas grandesCrescimento das gotas tambm por coalescncia 9Caractersticas das gotas1010Nuvens e precipitao11Tamanho tpico das gotas que precipitam entre 0,1 e 6 mmTambm se podem formar cristais de geloDependendo das condies de temperatura na queda, os cristais de gelo daro origem a chuva, neve ou granizoPrecipitao implica que haja um processo de contnua substituio do vapor condensado. Para isso, preciso que o ar se encontre em movimento ascensional11Tipos de precipitao12Tipos de precipitao de acordo com as causas do movimento ascensionalprecipitao convectivaprecipitao orogrficaprecipitao frontalprecipitao de convergncia 12Precipitao convectiva13Ocorre quando massas de ar so aquecidas intensamente superfcie do globo, adquirindo uma menor massa volmica do que o ar que se lhes sobrepeO ar menos denso tende a subir na atmosfera, sofrendo um processo adiabtico de arrefecimentoConveco trmica movimento vertical provocado pelas diferenas de temperatura das massas de arSe o ar quente contiver muita humidade e a subida for grande, formar-se- um cmulo tempestades com forte precipitao e trovoada 13Precipitao convectiva1414Precipitao orogrfica15Ocorre quando massas de ar muito hmidas tm de ultrapassar barreiras orogrficas elevadasNa fase inicial da subida, o processo de expanso do ar adiabtico (reduo da presso, baixa de temperatura) Depois de ultrapassada a barreira, o ar volta a descer, sofrendo um processo adiabtico de compressoA barlavento de tais barreiras, o ar mais fresco e a precipitao maior do que a sotavento 15Precipitao orogrfica1616fig 4Precipitao frontal17Ocorre na regio de contacto de massas de ar polares (frias e secas) e tropicais (quentes e hmidas) a latitudes mdias e subtropicaisFrente regio de separao das duas massas de arFrente fria o ar frio desloca-se por baixo do ar quente, elevando-o rapidamente, numa superficie com grande curvaturaFrente quente o ar quente, empurrado pela frente fria, desloca-se suavemente sobre o ar frio ao longo de uma superfcie sem grande curvatura e declive17Precipitao frontal18A frente fria desloca-se com maior velocidade que a frente quente, as duas frentes acabam por unir-seNa frente fria, durante a fase de maturidade do sistema, a turbulncia muito grande, e as precipitaes, muito intensas (tornados nos Estados Unidos)18Precipitao frontal1919Fig 4FrenteoclusaPrecipitao de convergncia20Ocorre quando o ar se desloca superfcie para regies de baixa presso, como a zona de convergncia intertropical, donde pode sair apenas por ascenso a camadas superiores, mas sem dar origem a sistemas frontaisAs maiores tempestades da Terra, os tufes, so geradas nessa zona de convergncia, sobre os oceanos, quando a temperatura da superfcie elevada, com velocidades de vento vrias vezes superior dos ciclones dos sistemas frontais20Precipitao de convergncia21Ciclones formados na zona nordeste do Oceano ndicoAltas temperaturasMovimento de rotao devido ao efeito de Coriolis, turbilhes, ventos de mais de 120 km/hGrande poder de destruioDissipam-se em terra21Precipitao de convergncia22Ciclones formados na zona nordeste do Oceano ndicoAltas temperaturasMovimento de rotao devido ao efeito de Coriolis, turbilhes, ventos de mais de 120 km/hGrande poder de destruioDissipam-se em terra22Precipitao artificial23Lanam-se na atmosfera ncleos de condensaoResultados duvidosos, no consegue criar zona de baixas pressesPor vezes utilizada para evitar queda de granizoRecente (Agosto de 2013) exemplo do Japo: precipitao de 17,5 mm em 24 horas23Precipitao vs evaporao local24No h relao entre a precipitao e a evaporao localgua evaporada transportada para longas distnciasgua que precipita provm de longas distnciasCriao de novos grandes corpos de gua (albufeira de Cahora Bassa) origina alteraes do micro-clima local24Medio da precipitao25P altura = volume / unid. rea, mm ou L/m2Medio local udmetro ou pluvimetro (totalizador ou registador), medio por deteco remota radar meteorolgicoUdmetros funil assente sobre suporte cilndrico, tendo no interior um recipiente acumulador da gua recolhida. Altura da boca do udmetro 1,5 m acima do terreno, dimetro da boca 16 cm. Udmetros registadores (udgrafos) interpe-se um mecanismo de registo entre o funil receptor da precipitao e o recipiente acumulador25Udgrafo de sifo2626sifaoGrfico de um udgrafo de sifo2727regsifaoUdgrafo de bscula2828basculaA, B Reservatrios do balanceiroC manD InterruptorGrfico de um udgrafo de bscula2929regbasculaUdgrafo digitalO registo feito em memria digitalA gigantesca capacidade das actuais memrias electrnicas permite armazenar dados de precipitao em intervalos de tempo muito pequenos, por exemplo, de 1 minutoOs avanos na tecnologia de comunicaes permitem associar o registo digital sua transmisso em tempo real para centros de processamento30Erros de medio31Alterao do campo de vento na proximidade do udmetroEvaporao da guaUdgrafo de sifo no regista a precipitao enquanto o sifo esvaziaUdgrafo de bscula no regista bem o incio e o fim da precipitaoUdgrafo digital depende do mecanismo utilizado para a medio da precipitao em cada intervalo de tempo31Rede udomtrica32Recomendaes de densidades mnimas da WMORegies de clima temperado ou mediterrnico, clima tropical com pouco relevo 600-900 km2/estaoIdem, reas montanhosas 100-250 km2/estaoPequenas ilhas montanhosas 25 km2/estaoZonas ridas e polares 1500-10000 km2/estao32Radar meteorolgico33Radar composto por Transmissor produz energia em determinada frequnciaAntena irradia a energia e intercepta-a depois de reflectidaReceptor detecta, amplifica e transforma os sinais recebidosIndicador de vdeo, onde os sinais so visualizveisIntensidade do sinal recebido cresce com a intensidade da precipitaoPermite determinar a rea onde ocorre precipitao33Radar meteorolgico3434Fig 4-21-30-5-11Radar meteorolgico35Qualidade da medio da precipitao com radar meteorolgico afectada por vrios fenmenosexistncia de ecos no provenientes da precipitaoocultao total ou parcial do feixe emitido por elevaes do terreno ou por obstculos elevados de outra natureza atenuao da radiao pelos gases atmosfricos e pela prpria precipitaopropagao anmala do feixe emitidopresena de gelo em fuso na atmosfera, que intensifica a reflexo da energia emitida35Radar meteorolgico36Medidas do radar exigem calibrao complexa e em tempo real, com informao recolhida por udmetros ou udgrafos instalados no terrenoCom o desenvolvimento da tecnologia, espera-se poder definir com mais rigor o campo da precipitao superfcie do terreno36Radar meteorolgico3737RadarMedio da precipitao por satlitesA informao recolhida por satlites geo-estacionrios permite estimar a precipitao sobre reasrea mnima corresponde a 1 pixel da imagem, actualmente cerca de 90 x 90 km2 Muita investigao em curso para determinar a preciso das estimativas de preciso a partir dos dados de satlites38Preenchimento de falhas39Mtodo da razo normalMtodo do US NWS39Preenchimento de falhasPara alm dos mtodos expeditos, pode recorrer-se tcnica de correlao e regresso lineares (estao com valores em falta varivel dependente, estao prxima varivel independente)40Precipitao intensa41Intensidade mdia da precipitao, I razo entre a quantidade de precipitao e a durao do intervalo de tempo em que ocorreuPrecipitao: ligeira < 1 mm/h, moderada 1 4 mm/h, intensa > 4 mm/hPrecipitaes intensas originam inundaes e eroses41Recordes mundiais de precipitao4242Recordes mundiais de precipitao43Linha envolvente dos recordes mundiais de precipitao P = 50 t0,5, P mm, t min Intensidade mdia da precipitao mundial mxima, mm/hIntensidade mdia da precipitao diminui com a durao435,0t3000tPI-==Recordes mundiais de precipitao4444Caracterizao de precipitaes intensas45Anlise estatstica de sries de mximos anuais da quantidade de precipitao, P(t) cada srie para um intervalo de tempo com a durao tAjustamento de uma funo de distribuio de probabilidade valores de precipitao para determinada durao e com um dado perodo de retorno, P(t,T)Relao entre P, t e T linhas de possibilidade udomtrica P(t,T) = a(T) tn(T); parmetros a,n mtodo do mnimo dos quadrados; 0 < n < 145Curvas IDF46Curvas IDF (intensidade mdia durao frequncia) I(t,T) = a(T) t(n(T) 1) 46Curvas IDF (anexo 11 do RSPDADAR)4747Curvas IDF do Anexo 11 do RSPDADAR No conhecida a base de dados de precipitao utilizada para derivar as curvas IDF do Regulamento para Maputo e para os valores de K para o resto do PasInvestigaes em curso para rever as curvas IDFAlternativa para os valores de K: a partir do rcio entre as precipitaes de 24 h de Maputo e do local em causa, para o mesmo T48Precipitao mxima provvel49PMP mxima precipitao fisicamente possvel para uma dada durao sobre uma dada rea em certa regio geogrfica numa determinada altura do anoPode obter-se a PMP por diversos mtodos:Modelos simplificados de precipitaoMultiplicando a precipitao intensa registada pela razo entre a mxima humidade teoricamente possvel e a humidade registadaEquao do factor de probabilidade49Precipitao mxima provvel50Na utilizao de modelos simplificados de precipitao, considerar que o ar se encontra saturado entrada e seco sadaSugerido para Portugal tomar para PMP a P10000ou 2,5 x P1000Ponce: equao do factor de probabilidade, com K = 15Hershfield sugere K varivel com mdia e durao da chuvada50xMsKxx+=Precipitao mxima provvel5151Precipitao sobre uma regio52Expresso geralHabitualmente, precipitao medida localmente em udmetros ou udgrafosAjusta-se uma funo P(x,y) precipitao medida em vrios postosMtodo da mdia aritmtica52.=AdA)y,x(PA1P)y,x(PPiii=S===N1iiPN1P)y,x(PPrecipitao sobre uma regio5353Mtodo dos polgonos de Thiessen54Funo P(x,y) aproximada por segmentos de rea nos quais a funo constante e tem um valor igual medida efetuada no posto que os defineCada um dos segmentos de rea definido pelo lugar geomtrico dos pontos da rea que esto mais prximos de um posto do que de qualquer outro posto rea de influncia desse postoPosto que define uma determinada rea de influncia pode estar situado fora da rea em anlise54Mtodo dos polgonos de Thiessen55Polgono de Thiessen associado a um determinado posto constitudos pelas mediatrizes aos lados dos tringulos que tm esse posto como vrticerea de influncia do posto resulta da interseco da rea em anlise com o respectivo polgono de ThiessenPrecipitao na rea em anlise mdia ponderada das precipitaes em cada um dos postos com influncia sobre a rea em anlise55iiiPAAPS=Mtodo dos polgonos de Thiessen5656Mtodo das isoietas57Isoietas linhas de igual precipitaoInterpola-se entre postos com a precipitao medida de modo a definir P(x,y) e poder traar as linhas de igual precipitao,Utiliza-se uma rede de tringulos e interpola-se linearmente ao longo dos lados de cada tringuloAs isoietas obtm-se unindo os pontos interpolados de igual precipitao e podem depois ser suavizadas ou arredondadas para obteno de um melhor aspecto visual57.=P)y,x(PMtodo das isoietas58Precipitao na rea em anlise mdia ponderada das precipitaes entre sucessivas isoietasrea onde precipitao > 58()11AA2PPA1P+..+..-+=S.A.P.+.>PP1Mtodo das isoietas5959Comparao entre os mtodos de Thiessen e das isoietas60No mtodo de Thiessen,os coeficientes de ponderao no dependem dos valores registados nos vrios postos; as isoietas variam com os valores registadosO mtodo das isoietas mais subjectivo mas permite considerar factores como o relevo, exposio aos ventos, etc.As isoietas do uma imagem visual da precipitao60Distribuio temporal da precipitao61Distribuio da precipitao apresenta grande variabilidade tambm no tempo61Distribuio temporal da precipitao62Coeficiente da variao da precipitao mensalAno mdio, em relao a uma grandeza hidrolgica, um ano fictcio durante o qual o valor dessa grandeza em fraces sucessivas do ano igual ao valor mdio da grandeza nesses perodosAno mdio apresenta uma variabilidade menor (regularidade maior) do que a mdia dos anos62()P12PPCV121i2iPMS=-=Distribuio temporal da precipitao63Variao da precipitao mensal em ano mdio inferior ao valor mdio dos coeficientes de variao da precipitao mensal dos vrios anos de registoPrecipitao anual em Maputo (1913/14 a 2004/05): mdia 800 mm, desvio-padro 250 mm, mnima 360 mm (2002/03), mxima 1600 mm (1999/00)63Precipitao anual em Maputo6464Precipitao mensal em Maputo (diagrama de Tukey)6565Distribuio espacial da precipitao anual mdia6666PrecipitaoDistribuio espacial da precipitao anual mdia67Precipitao anual mdia em Moambique cerca de 950 mmInfluenciada por:Latitude na regio Sul apenas cerca de 590 mm, no resto do pas atinge cerca de 1070 mmRelevo precipitao mais elevada nas regies de altitude (Alta Zambzia, montanhas de Manica, planaltos de Lichinga, Angnia e Marvia)Distncia ao litoral, sobretudo na regio Sul67