Detecção de tempestade convectiva - Convective storm detection
A detecção de tempestade convectiva é a observação meteorológica e a previsão de curto prazo da convecção úmida profunda (DMC). O DMC descreve as condições atmosféricas que produzem nuvens únicas ou aglomerados de grandes nuvens de extensão vertical, variando de cúmulos congestos a cúmulos - nimbos , o último produzindo tempestades associadas a raios e trovões . Esses dois tipos de nuvens podem produzir clima severo na superfície e no alto.
A capacidade de discernir a presença de convecção úmida profunda em uma tempestade melhora significativamente a capacidade dos meteorologistas de prever e monitorar fenômenos associados, como tornados , granizo , ventos fortes e chuvas fortes que levam a enchentes . Ele se baseia em observações diretas de testemunhas, por exemplo, de observadores de tempestades ; e em sensoriamento remoto , especialmente radar meteorológico . Algumas medições in situ também são usadas para detecção direta, notadamente, relatórios de velocidade do vento de estações de observação de superfície . Faz parte do sistema de alerta integrado , que consiste na previsão, detecção e divulgação de informações sobre condições meteorológicas severas para usuários, como gerenciamento de emergências, observadores e caçadores de tempestades, mídia e público em geral.
História
Tentativas rigorosas de alertar sobre tornados começaram nos Estados Unidos em meados do século XX. Antes da década de 1950, o único método de detectar um tornado era por alguém que o visse no solo. Freqüentemente, a notícia de um tornado chegava a uma agência meteorológica local após a tempestade.
No entanto, com o advento do radar meteorológico, as áreas próximas a um escritório local podem receber um aviso prévio de mau tempo. Os primeiros avisos públicos de tornado foram emitidos em 1950 e os primeiros relógios de tornado e perspetivas convectivas em 1952. Em 1953, foi confirmado que ecos de gancho estão associados a tornados. Ao reconhecer essas assinaturas de radar, os meteorologistas podem detectar tempestades que provavelmente produzem tornados a dezenas de quilômetros de distância.
Mancha de tempestade
Em meados da década de 1970, o Serviço Nacional de Meteorologia dos Estados Unidos (NWS) aumentou seus esforços para treinar observadores de tempestades para identificar e relatar as principais características das tempestades que indicam granizo severo, ventos prejudiciais e tornados, bem como danos a si próprios e enchentes . O programa foi chamado Skywarn , e os observadores foram locais assistentes do xerife , polícias estaduais , bombeiros , motoristas de ambulância , operadores de rádio amador , defesa civil (agora gestão de emergências ) spotters, caçadores de tempestades , e cidadãos comuns. Quando há previsão de mau tempo, os escritórios de serviço meteorológico locais solicitam que esses observadores fiquem atentos ao mau tempo e relatem qualquer tornado imediatamente, para que o escritório possa emitir um aviso oportuno.
Normalmente, os observadores são treinados pelo NWS em nome de suas respectivas organizações e se reportam a eles. As organizações ativam sistemas públicos de alerta, como sirenes e o Sistema de Alerta de Emergência , e encaminham os relatórios ao NWS, que dissemina diretamente as informações e alertas por meio de sua rede NOAA Weather Radio All Hazards . Existem mais de 230.000 observadores meteorológicos Skywarn treinados nos Estados Unidos.
No Canadá , uma rede semelhante de observadores voluntários do tempo, chamada Canwarn , ajuda a detectar o clima severo, com mais de 1.000 voluntários.
Na Europa, várias nações estão organizando redes de observadores sob os auspícios da Skywarn Europe e a Tornado and Storm Research Organization (TORRO) mantém uma rede de observadores no Reino Unido desde os anos 1970.
Os observadores de tempestades são necessários porque sistemas de radar como o NEXRAD e imagens de satélite não detectam tornados ou granizo, apenas indicações de que a tempestade tem potencial. A interpretação dos dados do radar e do satélite geralmente dá um aviso antes que haja qualquer evidência visual de tais eventos, mas a verdade terrestre de um observador pode verificar a ameaça ou determinar que não é iminente. A capacidade do observador de ver o que esses dispositivos de sensoriamento remoto não podem é especialmente importante à medida que a distância do local do radar aumenta, porque o feixe do radar torna-se progressivamente mais alto em altitude mais longe do radar, devido à curvatura da Terra e a propagação do feixe com a distância . Portanto, quando longe de um radar, apenas precipitações e velocidades altas da tempestade são observadas. As áreas importantes podem não ser amostradas ou a resolução dos dados pode ser ruim. Além disso, algumas situações meteorológicas que levam à tornadogênese não são prontamente detectáveis pelo radar e, às vezes, o desenvolvimento de tornado pode ocorrer mais rapidamente do que o radar pode fazer uma varredura e enviar o lote de dados.
Evidência visual
Os observadores de tempestades são treinados para discernir se uma tempestade vista à distância é uma supercélula . Eles normalmente olham para sua parte traseira, a principal região de corrente ascendente e influxo . Sob a corrente ascendente está uma base livre de chuva, e a próxima etapa da tornadogênese é a formação de uma nuvem de parede giratória . A grande maioria dos tornados intensos ocorre com uma nuvem de parede na parte traseira de uma supercélula.
A evidência de uma supercélula vem da forma e estrutura da tempestade e características da torre de nuvem , como uma torre de corrente ascendente dura e vigorosa, um topo de overshooting persistente e / ou grande , uma bigorna dura (especialmente quando cortada para trás contra fortes ventos de nível superior ) e um aparência de saca-rolhas ou estrias . Sob a tempestade e mais perto de onde a maioria dos tornados são encontrados, as evidências de uma supercélula e a probabilidade de um tornado incluem faixas de influxo (especialmente quando curvas), como uma "cauda de castor" e outras pistas, como força de influxo, calor e umidade de influxo de ar, como a saída ou entrada dominante de uma tempestade aparece e a que distância está o núcleo de precipitação do flanco dianteiro da nuvem da parede. A tornadogênese ocorre mais provavelmente na interface do fluxo ascendente e do fluxo descendente do flanco dianteiro , e requer um "equilíbrio" entre o fluxo de saída e o fluxo de entrada.
Apenas paredes de nuvens que giram geram tornados e geralmente precedem o tornado em cinco a trinta minutos. Nuvens de parede giratória são a manifestação visual de um mesociclone . Barrando um limite de baixo nível, a tornadogênese é altamente improvável, a menos que ocorra uma corrente descendente no flanco traseiro , que geralmente é visivelmente evidenciada pela evaporação de nuvem adjacente a um canto de uma parede de nuvem. Freqüentemente, ocorre um tornado no momento em que isso acontece ou logo depois; primeiro, uma nuvem em funil mergulha e, em quase todos os casos, quando atinge a metade do caminho, um redemoinho na superfície já se desenvolveu, significando que um tornado está no solo antes que a condensação conecte a circulação superficial à tempestade. Os tornados também podem ocorrer sem nuvens de parede, sob as linhas de flanco e na vanguarda. Os observadores monitoram todas as áreas de uma tempestade e seus arredores.
Radar
Hoje, a maioria dos países desenvolvidos tem uma rede de radares meteorológicos , que continua sendo o principal método de detecção de assinaturas provavelmente associadas a tornados e outros fenômenos graves como granizo e explosões . O radar está sempre disponível, em lugares e horários onde os observadores não estão, e também podem ver características que os observadores não podem, na escuridão da noite e processos ocultos dentro da nuvem, bem como processos invisíveis fora da nuvem.
Tornados
Na previsão e detecção de tornados de curto prazo, os meteorologistas integram os dados do radar com relatórios de campo e conhecimento do ambiente meteorológico. A análise de radar é aumentada por sistemas de detecção automatizados chamados algoritmos . Os meteorologistas primeiro observam o ambiente atmosférico, bem como suas mudanças, e uma vez que as tempestades se desenvolvam, o movimento da tempestade e a interação com o ambiente.
Uma das primeiras etapas de uma tempestade se organizando em um produtor de tornado é a formação de uma região de eco fraco (WER) com uma corrente ascendente inclinada . Esta é uma área dentro da tempestade onde a precipitação deveria estar ocorrendo, mas é "puxada" para cima por uma corrente ascendente muito forte. A região de eco fraco é caracterizada por refletividade fraca com um gradiente acentuado a refletividade forte acima dela e parcialmente circundando as laterais. A região da precipitação elevada acima do WER é a saliência do eco que consiste em partículas de precipitação que divergem do cume da tempestade que descem à medida que são carregadas na direção do vento. Dentro desta área, uma região de eco fraco limitada ( BWER ) pode então se formar acima e envolvendo o WER. Um BWER é encontrado próximo ao topo da corrente ascendente e quase ou completamente cercado por uma forte refletividade, e é indicativo de uma supercélula capaz de tornadogênese cíclica. Um mesociclone pode descer ou um tornado pode se formar no nível inferior da tempestade simultaneamente com a formação do mesociclone.
Em dados de refletividade (intensidade de precipitação), um gradiente de eco estreito (particularmente na área de entrada) e um formato de leque geralmente indicam uma supercélula . Um entalhe em V ou "eco de águia voadora" tende a ser mais pronunciado com supercélulas clássicas intensas, o tipo de supercélula que produz a maioria dos tornados mais fortes, maiores e mais duradouros. Isso não deve ser confundido com um entalhe de entrada; que é um recuo de nível mais baixo na precipitação onde há pouca ou nenhuma refletividade, indicativo de um fluxo forte e organizado e uma tempestade severa que é provavelmente uma supercélula. O entalhe de influxo traseiro (ou canal de eco fraco) ocorre a leste ou norte de um mesociclone e eco em gancho. Os entalhes de influxo para frente também ocorrem, particularmente em supercélulas de alta precipitação (HP) e sistemas convectivos quase lineares (QLCS).
Nos Estados Unidos e em alguns outros países, são utilizadas estações de radar meteorológico com capacidade Doppler . Esses dispositivos são capazes de medir a velocidade radial , incluindo a direção radial (em direção ou longe do radar) dos ventos em uma tempestade e, portanto, podem detectar evidências de rotação em tempestades a mais de 160 km de distância. Uma supercélula é caracterizada por um mesociclone, que geralmente é observado pela primeira vez em dados de velocidade como uma estrutura ciclônica compacta nos níveis intermediários de uma tempestade. Se atender a certos requisitos de resistência, duração e vorticidade , ele pode desarmar o algoritmo de detecção de mesociclone (MDA). As assinaturas tornádicas são indicadas por um dístico de velocidade de entrada-saída ciclônica, onde ventos fortes fluindo em uma direção e ventos fortes fluindo na direção oposta estão ocorrendo muito próximos. O algoritmo para isso é a assinatura de vórtice de tornado (TVS) ou o algoritmo de detecção de tornado (TDA). TVS é, então, um mesociclone extremamente forte encontrado em um nível muito baixo e se estendendo sobre uma camada profunda da tempestade, não a verdadeira circulação tornádica. O TVS é, no entanto, indicativo de um provável tornado ou um tornado incipiente. O dístico e o TVS geralmente precedem a formação do tornado em 10-30 minutos, mas podem ocorrer quase ao mesmo tempo ou precedem o tornado em 45 minutos ou mais. O radar polarimétrico pode discernir características meteorológicas e não meteorológicas e outras características de hidrometeoros que são úteis para a detecção de tornados e previsão a curto prazo. Refletores não meteorológicos co-localizados com um par, podem confirmar que um tornado provavelmente ocorreu e detritos elevados. Uma área de alta refletividade, ou bola de detritos, também pode ser visível na extremidade do gancho. Os dados polarimétricos ou a bola de detritos são formalmente conhecidos como a assinatura de detritos do tornado (TDS). O recurso de eco em gancho é formado quando o RFD oculta a precipitação em torno do mesociclone e também é indicativo de um provável tornado (a tornadogênese geralmente ocorre logo após o RFD atingir a superfície).
Após a implementação da rede WSR-88D nos Estados Unidos, a probabilidade de detecção de tornados aumentou substancialmente, o tempo médio de entrega aumentou de quatro minutos para treze minutos e um relatório da NOAA de 2005 estima que, como resultado de avisos aprimorados de que há 45 por cento menos fatalidades e 40 por cento menos feridos anualmente. O radar de polarização dupla , sendo implementado na rede NEXRAD dos EUA , pode fornecer um alerta aprimorado de tornados e ventos fortes e granizo associados ao eco do gancho devido às características distintas de queda de precipitação. O radar polarimétrico aumenta a observação e a previsão da precipitação, especialmente as taxas de chuva, a detecção de granizo e a distinção dos tipos de precipitação. As tecnologias de radar propostas, como phased array e CASA, melhorariam ainda mais as observações e previsões, aumentando a resolução temporal e espacial das varreduras nas primeiras, bem como fornecendo dados de radar de baixo nível sobre uma ampla área nas últimas.
Em certos ambientes atmosféricos, os perfis de vento também podem fornecer recursos de detecção de atividade tornádica.
Granizo, aguaceiro e aguaceiro
O granizo se forma em uma corrente ascendente muito intensa em uma supercélula ou em uma tempestade multicelular. Quanto aos tornados, a detecção do BWER e uma corrente ascendente inclinada são indicativas dessa corrente ascendente, mas não levam à previsão de granizo. A presença de um pico de granizo no padrão de refletividade é uma pista importante. É uma área de fraca refletividade que se estende para longe do radar, imediatamente atrás de uma tempestade com granizo. É causado pela radiação do radar que salta de granizo em granizo ou no solo antes de ser refletida de volta para o radar. O atraso de tempo entre a radiação retroespalhada da tempestade e aquela com caminhos múltiplos faz com que a refletividade do granizo pareça vir de uma faixa mais distante do que a tempestade real. No entanto, este artefato é visível principalmente para granizo extremamente grande.
O que é necessário é um conhecimento do conteúdo de água na tempestade, o nível de congelamento e a altura do cume da precipitação. Uma forma de calcular o conteúdo de água é transformar as refletividades na taxa de chuva em todos os níveis nas nuvens e resumi-las. Isso é feito por um algoritmo denominado líquido integrado verticalmente , ou VIL. Este valor representa a quantidade total de água líquida disponível na nuvem. Se a nuvem chover completamente, seria a quantidade de chuva caindo no solo e pode-se estimar com VIL o potencial de enchente .
No entanto, as refletividades são bastante aumentadas pelo granizo e a VIL está superestimando o potencial de chuva na presença de granizo. Por outro lado, meteorologistas do Serviço Meteorológico Nacional descobriram que a densidade de VIL, ou seja, VIL dividida pela altura máxima de 18 dBZ na nuvem, é um bom indicador da presença de granizo quando atinge 3,5. Este é um índice simples de sim / não e outros algoritmos foram desenvolvidos envolvendo VIL e a altura do nível de congelamento. Mais recentemente, a polarização dupla do radar meteorológico mostrou uma detecção direta promissora de granizo.
VIL também pode ser usado para estimar o potencial de explosão . Um downdraft convectivo está ligado a três forças na vertical, a saber, força de gradiente de pressão de perturbação, força de flutuabilidade e carregamento de precipitação. A força do gradiente de pressão foi desprezada, pois tem efeito significativo apenas na corrente ascendente em supercélulas. Com esta suposição e outras simplificações (por exemplo, exigir que o ambiente do pacote aéreo seja estático na escala de tempo do fluxo descendente). A equação de momento resultante é integrada sobre a altura para produzir a energia cinética da parcela ao descer à superfície e é considerada o CAPE negativo de uma parcela de ar seco injetada na tempestade, mais o movimento da célula convectiva. SR Stewart, da NWS, publicou em 1991 uma equação relacionando VIL e os topos de eco que fornecem o potencial para rajadas de superfície usando este conceito. Este é um resultado preditivo que fornece um certo tempo de espera. Com os dados de velocidade Doppler, o meteorologista pode ver o downdraft e as frentes de rajada acontecendo, mas por ser um recurso de pequena escala, algoritmos de detecção foram desenvolvidos para apontar áreas de convergência e divergência sob uma tempestade no visor do radar.
Imagem de satélite
A maioria das áreas povoadas da Terra está agora bem coberta por satélites meteorológicos , que ajudam na previsão de fortes tempestades convectivas e tornádicos. Essas imagens estão disponíveis nos domínios visível e infravermelho . As imagens infravermelhas (IR: 10-13 µm ) permitem estimar a altura do topo das nuvens, de acordo com as sondagens da massa de ar do dia, e as visíveis (vis: 0,5-1,1 µm) mostrarão o formato das tempestades por seu brilho e sombra produzida. Os meteorologistas podem extrair informações sobre o estágio de desenvolvimento e características subsequentes de tempestades, reconhecendo assinaturas específicas em ambos os domínios. As imagens visíveis permitem as imagens mais detalhadas, enquanto as imagens infravermelhas têm a vantagem de estar disponíveis à noite. Sensores em satélites também podem detectar emissões de vapor de água (WV: 6-7 µm), mas principalmente nos níveis intermediários e superiores da troposfera , então tempestades só são vistas depois de serem bem desenvolvidas. É, no entanto, útil na previsão de tempestades convectivas , pois ilustra a localização e o movimento de massas de ar e de umidade, bem como ondas curtas e áreas de vorticidade e elevadores.
Tempestades severas têm uma corrente ascendente muito forte . As parcelas ascendentes de ar nessa coluna aceleram e ultrapassam o nível de equilíbrio (EL) antes de serem puxadas para trás pela flutuabilidade negativa. Isso significa que os topos das nuvens atingirão níveis mais altos do que a nuvem circundante na região de atualização. Este pico de overshooting será perceptível por uma região de temperatura mais fria na tempestade em imagens infravermelhas. Outra assinatura associada a esta situação é o recurso Enhanced-V, onde os topos das nuvens frias formando-se no topo do overshooting se espalham em forma de V à medida que a nuvem é soprada a favor do vento naquele nível. Ambas as feições podem ser vistas em imagens de satélite visíveis, durante o dia, pelas sombras que projetam nas nuvens ao redor.
Em tempestades multicelulares e linhas de tempestade , a corrente de jato de nível médio frequentemente cruza a linha e seu ar seco introduzido na nuvem é negativamente instável. Isso resulta na secagem do ar turvo na região onde o jato mergulha em direção ao solo. Na borda posterior da linha, isso é mostrado como entalhes claros onde é possível encontrar correntes descendentes mais fortes na superfície. Esses tipos de linhas geralmente têm um padrão ondulado muito característico, causado pela interferência das frentes de rajadas vindas de diferentes partes da linha.
Finalmente, em qualquer tipo de tempestade, a poça de ar frio de superfície associada à corrente descendente estabilizará o ar e formará uma área livre de nuvens que terminará ao longo da frente da rajada . Esta frente de mesoescala, ao se mover para uma massa de ar quente e instável, irá levantá-la e nuvens cúmulos aparecerão nas imagens de satélite. Esta linha é provavelmente o ponto de mais convecção e tempestades, especialmente se coincidir com frentes de outras tempestades nas proximidades. Pode-se notar na ponta de uma linha de rajada, no quadrante sudeste de uma supercélula típica (no hemisfério norte), ou em diferentes regiões ao redor de outras tempestades. Eles também podem ser visíveis como um limite de fluxo horas ou dias após a convecção e podem apontar áreas de desenvolvimento favorável de tempestade, a possível direção do movimento e até mesmo a probabilidade de tornados. A velocidade do movimento para a frente do limite de saída ou da frente de rajada modula a probabilidade de tornados e ajuda a determinar se uma tempestade será intensificada por sua presença ou se o fluxo de entrada será sufocado, enfraquecendo e possivelmente matando a tempestade. Tempestades podem se mover ao longo de limites de fluxo de movimento lento ou estacionário e tornados são mais prováveis; enquanto as frentes de rajada de movimento rápido em muitos casos enfraquecem as tempestades após o impacto e são menos propensas a produzir tornados - embora breves tornados possam ocorrer no momento do impacto. Frentes de rajada de movimento rápido podem eventualmente desacelerar e se tornar limites de fluxo de fluxo lento ou estacionário com a característica "área agitada" de campos cúmulos mencionados anteriormente.
Deteção de relâmpagos
Normalmente em conjunto com fontes de dados, como radar meteorológico e satélites, os sistemas de detecção de relâmpagos às vezes são utilizados para localizar onde as tempestades estão ocorrendo (e para identificar o perigo de relâmpagos ). Atualmente, a maioria dos dados de relâmpagos fornecidos em tempo real são de fontes terrestres, especificamente, redes de sensores baseados no solo, embora sensores aerotransportados também estejam em operação. A maioria deles fornece apenas latitude e longitude, tempo e polaridade de ataques nuvem-solo dentro de um intervalo limitado. Aumentando em sofisticação e disponibilidade, e fornecendo dados para uma área muito ampla, são detectores de relâmpagos baseados em satélite que inicialmente incluíam sensores ópticos indicando taxas de flash e localização horizontal, mas agora receptores de radiofrequência que podem identificar flashes dentro da nuvem com a adição de altitude, também.
Os dados de relâmpagos são úteis para sugerir a intensidade e a organização das células convectivas, bem como as tendências da atividade das tempestades (particularmente o crescimento e, em menor grau, a decadência). Também é útil nos primeiros estágios do desenvolvimento de tempestades. Isso era especialmente verdadeiro quando os dados de satélite visível e infravermelho estavam atrasados, mas continua a ser útil na detecção de tempestades em estágios de desenvolvimento antes que haja uma assinatura de radar substancial ou para áreas onde faltam dados de radar. Os próximos avanços em pesquisas e observações devem melhorar as previsões de tempo severo e aumentar o tempo de aviso.
Sistemas pessoais de detecção de relâmpagos também estão disponíveis, o que pode fornecer tempo de ataque, azimute e distância. Além disso, os sistemas de previsão de raios estão disponíveis e são usados principalmente por parques e outras instalações recreativas ao ar livre, ou meteorologistas contratados para fornecer informações meteorológicas para eles.
Veja também
- Laboratório Nacional de Tempestades Severas (NSSL)
- Centro de previsão de tempestades (SPC)
- Agência de Treinamento de Decisão de Aviso (WDTB)
- Robert C. Miller , um pioneiro no campo da previsão de tornados
- Observação de ciclones tropicais
- Previsão do tempo
Referências
Leitura adicional
- Bluestein, Howard B. (2013). Tempestades convectivas severas e tornados: observações e dinâmica . Londres: Springer-Praxis. ISBN 978-3642053801.
- Igreja, C .; D. Burgess; C. Doswell; et al., eds. (Dezembro de 1993). O Tornado: Sua Estrutura, Dinâmica, Predição e Riscos (Monografia Geofísica # 79) . Washington, DC: American Geophysical Union. ISBN 0-87590-038-0.
- Doswell, Charles A. III (Editor) (novembro de 2001). Tempestades convectivas severas (Monografias Meteorológicas, Vol. 28, No. 50) . Boston, MA: American Meteorological Society. ISBN 1-878220-41-1.Manutenção de CS1: texto extra: lista de autores ( link )
- Grazulis, Thomas P. (julho de 1993). Significant Tornadoes 1680-1991: A Chronology and Analysis of Events . St. Johnsbury, VT: The Tornado Project of Environmental Films. ISBN 1-879362-03-1.
- Kessler, Edwin (setembro 1988). Instrumentos e técnicas para observação e análise de tempestades (tempestades: um documentário social, científico e tecnológico, Vol 3) . Norman, OK: University of Oklahoma Press. ISBN 0-8061-2117-3.
links externos
- Detecção de tornado ( NSSL )
- Bancada de teste de clima perigoso da NOAA
- Orientação de alerta de tornado (NWS Warning Decision Training Branch )
- Estrutura e dinâmica da supercélula ( NWS )
- Paradigma e esquema da cascata de tornadogênese ( San Francisco State University )
- Uma introdução à observação e relatórios de tempestades (NWS)
- An Online Meteorology Guide: Severe Storms ( University of Illinois )
- Glossário meteorológico para observadores de tempestades (NOAA Technical Memorandum NWS SR-145)
- Tempestades (NWS JetStream Online Weather School)