ANÁLISE DE FERRAMENTAS
COMPUTACIONAIS UTILIZADAS EM
MODELOS NUMÉRICOS PARA
REPRESENTAÇÃO DE PROCESSOS
ATMOSFÉRICOS, OCEÂNICOS E DE
SUPERFÍCIE
Estrabão
Vol(2):197–199
©The Author(s) 2021
DOI: 10.53455/re.v2i.46
Eliseo Breda Silva
1
, Dirceu Herdies
2
and Mario Francisco Leal De Quadro
3
Resumo
A transformação digital é uma realidade em todas as áreas da atividade humana e vem sendo acelerada pela recente
pandemia da Covid-19. O uso de Inteligência Artificial, Data Analytics, Realidade Aumentada, Robots, dentre outras
tecnologias viabiliza a automação de processos praticamente em todos os segmentos da economia: agricultura,
manufatura e serviços. Entender os fenômenos climáticos e seus impactos no ambiente sempre foi um desafio para
o homem que, desde a antiguidade e até os dias atuais, se depara com situações não previstas, que trazem impacto em
seu dia a dia, colocando, muitas vezes, a própria vida em risco. Na atualidade, além de buscar entender, o que se busca
é prever o clima e seus impactos ambientais, de modo a mitigar os riscos, viabilizar a continuidade do desenvolvimento,
preservando a natureza (fauna, flora, recursos naturais etc). O uso de ferramentas computacionais para modelagem
numérica que representem este fenômenos é de suma importância, endereçando a necessidade de previsões cada
vez mais rápidas e confiáveis. Este projeto analisa ferramentas disponíveis no mercado, que utilizam três modelos
numéricos distintos, descrevendo as funcionalidades existentes e a assertividade na previsão de fenômenos climáticos
em Santa Catarina.
Palavras-chave
NWP, acuracidade, modelos
INTRODUÇÃO
O uso de ferramentas computacionais para modelagem
numérica que representem os processos atmosféricos,
oceânicos e de superfície é de suma importância, permitindo
a simulação de cenários ambientais e identificação de
tendências, com rapidez e segurança. O aumento da
capacidade computacional tornou mais fácil o uso destas
ferramentas, com redução significativa dos tempos de
processamentos, contribuindo, dessa maneira, para a
popularização no uso de modelos numéricos de previsão
do tempo, que inicialmente era muito concentrado em
centros operacionais como, por exemplo, o National
Center for Environmental Prediction (NCEP). Com isso,
começaram a ser adotados também por universidades,
agências governamentais e a iniciativa privada (MASS e
KUO, 1998) durante os últimos 10 anos.
Nesse sentido, os modelos meteorológicos de mesoescala
têm sido utilizados como ferramentas de pesquisa para mel-
horar o entendimento dos processos de meso escala e para
o desenvolvimento e aprimoramento das parametrizações
destes processos para uso em modelos de previsão climática
de larga escala. Três modelos meteorológicos de meso
escala são muito conhecidos entre os especialistas: MM5
(Mesoscale Model – fifth Generation), COAMPS (Coupled
Ocean / Atmospheric Mesoscale Prediction System) e WRF
(Weather Research and Forecasting).
A avaliação da performance e acuracidade destes modelos
é fator crítico para a melhoria e entendimento dos mesmos,
tendo como base seus pontos fortes e fracos. Isto permite
obter importantes informações para o aprimoramento da
acuracidade dos modelos e traz significado para as previsões.
Assim, este trabalho tem o objetivo de avaliar os resultados
de diferentes modelos numéricos utilizados na previsão
de volumes de precipitação, temperatura do ar, umidade
do ar, velocidade e direção dos ventos, radiação e ondas
oceânicas, no estado de Santa Catarina, comparando-os
com os dados observados e calculando os desvios entre
1Mestrando em Clima e Ambiente, Instituto Federal de Santa Catarina,
Florianópolis, Santa Catarina
2Mestrado em Clima e Meio Ambiente - IFSC, Instituto Nacional de
Pesquisas Espaciais
3 Instituto Federal de Santa Catarina, Florianópolis, Santa Catarina
Email: dherdies@gmail.com. (Dirceu Herdies)
Corresponding author:
Eliseo Breda Silva, Mestrando em Clima e Ambiente, Instituto Federal
de Santa Catarina, Florianópolis, Santa Catarina
Email: eliseo.breda.silva@gmail.com.
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eles. Busca-se com isto, gerar indicadores objetivos que
auxiliem os profissionais da área de meteorologia na escolha
de modelos mais assertivos, a depender dos processos
que estiverem estudando. Em particular, será avaliada a
acuracidade dos modelos nas previsões dos eventos extremos
de precipitação, ondas de calor / frio, vendavais e ressacas
oceânicas ocorridos na região nos últimos cinco anos.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Muitos estudos avaliativos de verificação destes modelos tem
sido realizados, a maioria dos quais, focados no modelos
de mesoescala de quinta geração do National Center for
Atmospheric Reserach (NCAR) da Universidade Estadual
da Pensilvânia (MM5; ) (Grell, Dudhia, & Stauffer, 1994).
Entre eles incluem-se as comparações com outros modelos
de várias regiões do mundo, tais como Colle, Westrick,
and Mass (1999), Nutter e Manobianco (1999), White et
al. (1999), Mass et al. (2002), Hong (2003), e Colle et al.
(2003a, b).
O trabalho de White et al. (1999) avaliou seis modelos
no oeste dos Estados Unidos durante a estação fria (Janeiro,
Fevereiro e Março) e demonstrou que ocorreu variação
considerável no viés de cada modelo. O estudo mostrou
que os maiores erros ocorreram nos modelos de previsão
que apresentavam maior resolução horizontal. Os resultados
também mostraram a necessidade de comparações multi
modelos, de modo a permitir identificar os erros e vieses
relacionados à física dos modelos e os benefícios e pontos
fracos em função do aumento da resolução.
Usando o MM5 com resolução horizontal de 4 Km, Hanna
e Yang (2001) avaliaram a performance do modelo num
período de 4 dias, comparando a velocidade e direção do
vento observadas a 10 m,acima da superfície do solo com os
resultados do modelo. Os resultados mostraram que o erro
médio (EM) e a raiz do erro quadrático médio (REQM) do
erro da velocidade média horária do vento foram de 1.5 e 2.5
m/s, respectivamente, para um intervalo de velocidades do
vento entre 2.8 m/s e 3.4 m/s. O EM e REQM foram de -2
graus e 66 graus, respectivamente. Eles sugeriram que estas
incertezas na velocidade e direção do vento foram causadas
principalmente por processos de turbulência randômicos, que
não puderam ser simulados pelos modelos, mesmo o com
variações nos terrenos e uso da terra.
Muitos estudos também têm focado em comparações entre
os modelos de previsão MM5 e NCEP Eta (ONCLEY E
DUDHIA 1995; MANNING E DAVIS 1997; ; COLLE
et al. 1999, 2000, 2003a; CHENG E STEENBURGH
2005) (White et al., 1999). Oncley e Dudhia (1995)
constataram que o aumento excessivo da umidade do solo nas
simulações levou a um viés de resfriamento durante o dia,
gerando aumento no fluxo de calor latente (resfriamento
evaporativo) e diminuição do calor sensível. Usando o MM5,
Manning e Davis (1997) demonstraram que o acréscimo
da porção de gelo nas montanhas, como condição inicial,
aprimoraram o viés de frio nas baixas altitudes durante o dia.
No que diz respeito a acuracidade da previsão de
precipitação, não se observa uma rápida evolução nos
últimos anos se comparada com a acuracidade de outras
variáveis meteorológicas (Olson, Junker, & Korty, 1995).
De acordo com os autores, os erros nas previsões
quantitativas da precipitação são resultados principalmente
das incertezas relativas as condições iniciais, resolução
horizontal insuficiente em regiões de topografia acidentada,
além de deficiências nas parametrizações dos modelos no
que diz respeito à microfísica e convecção.
Após estudar as previsões de precipitação no oeste
dos Estados Unidos utilizando MM5, Colle et al. (1999;
2000) Colle et al. (1999) mostraram que, durante a estação
fria, a acuracidade do modelo aumentou com a redução
espacial do grid de 36 para 12 km. Entretanto, a redução
adicional do grid espacial para 4 Km gerou baixo incremento
na acuracidade, exceto para chuvas pesadas, devido a
superpredição da precipitação nas partes altas dos terrenos.
Wang e Seaman (1997) chegaram a conclusão semelhante
em seus estudos de modelagem para ambos os grids de 12
e 36 km, utilizando o mesmo critério de parametrização
convectiva. Eles concluíram que usando a parametrização
convectiva com a grade espacial de 12 km houve melhora
na previsão da quantidade de precipitação, o que não ocorreu
com a grade espacial de 36 km.
Por outro lado, Gallus (1999) constatou que houve um
pequeno benefício na previsão da quantidade de precipitação
usando a parametrização convectiva, quando da redução da
grid espacial de 78 para 12 km.
METODOLOGIA
O projeto analisará os três modelos disponíveis no mercado
(WRF, Eta e BRAMS), do ponto de vista de funcionalidades
existentes e assertividade na previsão de fenômenos
climáticos em Santa Catarina. A escolha destes três modelos
foi baseada na disponibilidade de dados observados para a
área de estudo selecionada.
Metodologia utilizada será a seguinte:
(i)
descrição da documentação técnica disponível e versões
para instalação de ferramentas que utilizam os três modelos
citados para uso em ambiente de laboratório;
(ii)
instalação dos modelos na base computacional do
Laboratório de Meteorologia do IFSC;
(iii)
realização de testes estatísticos com os dados gerados
pelos modelos e, se aplicável, de parametrizações e demais
configurações dos modelos para a área selecionada;
(iv)
busca na base histórica de informações de clima
e fenômenos naturais em nosso estado, que possam ser
utilizadas para os testes de uso prático das ferramentas
escolhidas.
(v)
Avaliação de casos específicos.
.
CONCLUSÕES
Conclui-se que existem grandes variabilidades e incertezas
no uso dos modelos numéricos para a representação
e previsão dos processos atmosféricos, oceânicos e de
superfícies, sendo necessária análise detalhada e cuidadosa
para escolha do que utilizar, quando utilizar, com que
bases de dados, de modo que os resultados obtidos sejam
representativos e tenham acuracidade.
O produto final que será um relatório técnico, contendo as
funcionalidades existentes em cada ferramenta, procurando
Silva, Herdies and Quadro 199
destacar tanto as disponíveis em todas como as específicas
de cada uma, possibilitando uma leitura de que diferenciais
existem entre elas.
Também serão apresentados os resultados dos testes
práticos realizados, a fim de que seja possível identificar
a assertividade de cada ferramenta no tratamento das
informações e fenômenos climáticos analisados
.
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