Air Clear Turbulence in the Sothern Brazil: study Cases

Gomes, Francisco Pinheiro; Franca, Gutemberg Borges; Pereira Neto, Antonio Vicente

Francisco Pinheiro Gomes Autor de correspondência: Francisco Pinheiro Gomes, franpg66@gmail.com.

Laboratório de Meteorologia Aplicada, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, RJ, Brasil.

http://orcid.org/0000-0001-7281-4159

Gutemberg Borges Franca

Laboratório de Meteorologia Aplicada, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, RJ, Brasil.

Antonio Vicente Pereira Neto

Laboratório de Meteorologia Aplicada, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, RJ, Brasil.

Autor de correspondência: Francisco Pinheiro Gomes, franpg66@gmail.com.

Figures (7)
Tables (6)

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Figura 1
A região em ênfase representa a FIR Curitiba e os círculos são as ocorrências dos registros de turbulências pelas aeronaves A320 da empresa aérea LATAM no período de 2018 a 2019.

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Figura 2
Densidade de registro de CAT considerando 25.465 registros de AIREP ocorridos na FIR Sul entre 02 de outubro de 2015 a 04 junho de 2019.

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Figura 3
(a) Distribuição de 12.959 registros de VRTG por classe. (b) distribuição horária dos registros conjunto dos VRTG das classes 2 e 3 na FIR Curitiba no período de 01 de dezembro de 2018 a 31 de dezembro de 2019.

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Figura 4
(a) imagem GOES-16 (banda termal, centrada em 13,0 µm) como os pontos em vermelho representando as localizações dos VRTG registrado no dia 29 de setembro de 2018 (conforme ). (b) recorte da carta de superfície das 12 UTC e (c) Corte vertical entre Porto Alegre (SBPA) e Galeão (SBGL), que inclui os perfis de Curitiba (SBCT) e São Paulo (SBMT) das 12 UTC.

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Figura 5
(a) e (b) representa respectivamente o composto C1: perfil do vento (barbelas), θ (linhas brancas aproximadamente disposta ao longo do perfil), TKE (valores no campo representados pelas cores da legenda inferior em valores no intervalo em m².s² e composto C2: Ri (valores no campo representados pelas cores da legenda inferior) e W (curvas brancas com valores negativo e positivo), determinado com dados GFS0,25 das 03Z do dia 29 de setembro de 2018.

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Figura 6
(a), (b) e (c) representa respectivamente o composto C1 representa do perfil do vento (barbelas), θ (linhas brancas aproximadamente disposta ao longo do perfil), TKE (valores no campo representados pelas cores legenda inferior em valores no intervalo em m².s² gerado com dados WRF de 18 km, 6 km e 2 km das 04Z do dia 29 de setembro de 2018.

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Figura 7
(a), (b) e (c) representam respectivamente o composto C2 representa W (curva brancas com valores negativo e positivo), Ri (valores no campo representados pelas cores da legenda inferior) gerado com dados WRF de 18 km, 6 km e 2 km das 04Z do dia 29 de setembro de 2018.

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Figura 4
(a) imagem GOES-16 (banda termal, centrada em 13,0 µm) como os pontos em vermelho representando as localizações dos VRTG registrado no dia 29 de setembro de 2018 (conforme ). (b) recorte da carta de superfície das 12 UTC e (c) Corte vertical entre Porto Alegre (SBPA) e Galeão (SBGL), que inclui os perfis de Curitiba (SBCT) e São Paulo (SBMT) das 12 UTC.

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Figura 5
(a) e (b) representa respectivamente o composto C1: perfil do vento (barbelas), θ (linhas brancas aproximadamente disposta ao longo do perfil), TKE (valores no campo representados pelas cores da legenda inferior em valores no intervalo em m².s² e composto C2: Ri (valores no campo representados pelas cores da legenda inferior) e W (curvas brancas com valores negativo e positivo), determinado com dados GFS0,25 das 03Z do dia 29 de setembro de 2018.

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Figura 6
(a), (b) e (c) representa respectivamente o composto C1 representa do perfil do vento (barbelas), θ (linhas brancas aproximadamente disposta ao longo do perfil), TKE (valores no campo representados pelas cores legenda inferior em valores no intervalo em m².s² gerado com dados WRF de 18 km, 6 km e 2 km das 04Z do dia 29 de setembro de 2018.

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Figura 7
(a), (b) e (c) representam respectivamente o composto C2 representa W (curva brancas com valores negativo e positivo), Ri (valores no campo representados pelas cores da legenda inferior) gerado com dados WRF de 18 km, 6 km e 2 km das 04Z do dia 29 de setembro de 2018.

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Tabela 1
Sumário dos dados.

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Tabela 2
Valores dos intervalos de variação de g nos registros dos VRTG que classificam as classes dos eventos de turbulências definidas com 1 (leve), 2 (moderada) e 3 (severa) para aeronave do tipo A320 LATAM (fonte: adaptado de LATAM (2019)).

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Tabela 3
Parametrizações utilizadas nas simulações com o WRF.

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Tabela 4
Sumário dos índices de CAT.

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Tabela 5
Registros de VRTG e sua severidade durante o dia 29/09/18 (fonte: LATAM, 2019).

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Tabela 6
Percentual de acerto dos índices Ri, Brown, E-1, E-2 e E-3 (GFS0,25 e WRF) versus os registros de VRTG dos cinco casos estudados.

Dados	Freq.	Descrição	Quant.	Período
1. VRTG	variável	registro da aceleração vertical em voo (g).	12.959	01/12/2018 a 31/12/2019
2. AIREP	variável	mensagem codificada de posição proveniente de uma aeronave em voo, contendo informações operacionais e/ou meteorológicas, incluindo localização (latitude, longitude e altitude), da ocorrência de CAT.	25.465	02/10/2015 a 04/06/2019
3. GFS0.25	3 h	análise e previsão com grade (latitude; longitude) de 0.25° por 0.25°.	---	casos selecionados
4. WRF	3 h	previsão com grades de 18, 6, e 2 km com 87 níveis (segundo Kim et al., 2018).	3.840	casos selecionados
5. TEMP	12 h	mensagem codificada das estações de meteorológica de altitude. Neste representa os perfis de temperatura, umidade relativa e vento das localidades de Bueno Aires, Porto Alegre, Curitiba, São Paulo e Rio de Janeiro.	---	casos selecionados
6. Carta de superfície	6 h	informações meteorológicas das estações meteorológicas de superfície.	---	casos selecionados
7. Imagem GOES-16	15 min	imagens dos termal (13,3 µm).	---	casos selecionados
8. METAR	1 h	códigos meteorológicos contendo observações tempo presente, vento, temperatura do ar e pressão atmosférica gerados pelas estações meteorológicas de superfície localizadas nos aeródromos.	---	casos selecionados

Classe 1		Classe 2		Class3 3
−g	+g	−g	+g	−g	+g
≤ 0,6 g	≥ 1,4 g	≤ 0,4 g	≥ 1,6 g	≤ 0,2 g	≥ 1,8 g

Processo físico	Referência
Para convecção profunda	Kain-Fritsch (Kain, 2004)
Para convecção explícita	Kessler (Kessler, 1969)
Para radiação de ondas longa e curta	Rapid Radiative Transfer Model- RRTMG (Iacono et al., 2008)
Para camada limite planetária	Mellor-Yamada Janjic (Janjic, 1994)
Para processos de superfície	Noah Land Surface Model- Noah LSM (Chen e Dudhia, 2001)

índice	Descrição	Referência
1. Richardson (Ri)	$R i = \frac{(\frac{g}{θ_{m}}) (\frac{\partial θ}{\partial z})}{{(\frac{{({δ u}^{2} + {δ v}^{2})}^{\frac{1}{2}}}{δ z})}^{2}},$ onde $(\frac{g}{θ_{m}}) (\frac{\partial θ}{\partial z})$ é a estabilidade estática com g representando a aceleração da gravidade (9,8 m. s⁻²), $θ$ é a temperatura potencial e $θ_{m}$ representa a temperatura potencial no nível médio da camada, e ${(\frac{\partial U}{δ z})}^{2} = {(\frac{{({δ u}^{2} + {δ v}^{2})}^{\frac{1}{2}}}{\partial z})}^{2}$ é o cisalamento vertical, se $R i < 0,25$ existe uma maior probabilidade de ocorrer turbulência, e u e v são respectivamente as componentes zonal e meridional do vento.	Miles Howard (1964)MILES, J.W.; HORWARD L.N. Note on a heterogeneous shear flow. J. Fluid Mech., v. 20, n. 7, p. 331-336, 1964. MARROQUIN, A. An advanced algorithm to diagnose atmospheric turbulence using numerical model output. Preprints. In: 16th Conf. on Weather Analysis and Forecasting, Phoenix, AZ, Amer. Meteor. Soc., p. 79-81, 1988.
	Miles Howard (1964)MILES, J.W.; HORWARD L.N. Note on a heterogeneous shear flow. J. Fluid Mech., v. 20, n. 7, p. 331-336, 1964.
2. Brown (B)	$φ_{m} = \sqrt{0,3 \times {(\frac{\partial v}{\partial x} - \frac{\partial u}{\partial y} + f)}^{2} + {(\frac{\partial v}{\partial x} + \frac{\partial u}{\partial y})}^{2} + {(\frac{\partial u}{\partial x} - \frac{\partial v}{\partial y})}^{2}} .$ , onde $0,3 \times {(\frac{\partial v}{\partial x} - \frac{\partial u}{\partial y} + f)}^{2}$ é a vorticidade absoluta; ${(\frac{\partial v}{\partial x} + \frac{\partial u}{\partial y})}^{2}$ é a deformação por cisalhamento, ${(\frac{\partial u}{\partial x} - \frac{\partial v}{\partial y})}^{2}$ deformação por alongamento e f é parâmetro de Coriolis.	Roach (1970)ROACH, W.T. On the influence of synoptic development on the production of high level turbulence. Quart. J. Roy. Meteor. Soc. v. 96, p. 413-429, 1970. SHARMAN R.D.; PEARSON. M. Prediction of Energy Dissipation Rates for Aviation Turbulence. Part I: Forecasting Nonconvective Turbulence. National Center for Atmospheric Research, 2016. TRIER, S.B.; SHARMAN, R.D. Mechanisms influencing cirrus banding and aviation turbulence near a convectively enhanced upper-level jet stream. Mon. Wea. Rev., v. 144, p. 3003-3027, 2016. doi doi... STORER, L.N.; GILL, P.G.; WILLIANS, P.D. Multi-model ensemble predictions of atmospheric turbulence. Meteorological Applications, v.26, n. 3, p. 416-428, 2019. doi doi...
3. Ellrod-Endlich (E-1)	$\frac{{({△ u}^{2} + {△ v}^{2})}^{\frac{1}{2}}}{△ z}$ x ${[{(\frac{\partial v}{\partial x} + \frac{\partial u}{\partial y})}^{2} + {(\frac{\partial u}{\partial x} - \frac{\partial v}{\partial y})}^{2}]}^{\frac{1}{2}}$	Mancuso Endlich (1966)MANCUSO R.L.; ENDLICH, R.M. Clear air turbulence frequency as a function of wind shear and deformation. Mon. Wea. Rev., v.95, n. 3, p.581-585, 1966.
	Mancuso Endlich (1966)MANCUSO R.L.; ENDLICH, R.M. Clear air turbulence frequency as a function of wind shear and deformation. Mon. Wea. Rev., v.95, n. 3, p.581-585, 1966.
4. Ellrod-Knap (E-2)	$\frac{{({△ u}^{2} + {△ v}^{2})}^{\frac{1}{2}}}{△ z} ({[{(\frac{\partial v}{\partial x} + \frac{\partial u}{\partial y})}^{2} + {(\frac{\partial u}{\partial x} - \frac{\partial v}{\partial y})}^{2}]}^{\frac{1}{2}} - (\frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial v}{\partial y}))$	Ellrod (1985)ELLROD, G.P. Detection of high level turbulence using satellite imagery and upper air data. NOAA Tech. Memo. NESDIS, p. 10-30, 1985.

Data	Hora (UTC)	Classe	Latitude (S)	Longitude (W)	Nível de voo (pés)
29/set/2018	2	1	29,98	51,37	3.192
	4	3	27,16	50,31	33.568
	4	3	27,60	50,82	33.568
	5	1	22,93	43,78	8.796
	14	2	25,39	49,30	3.152
	15	1	23,59	46,72	2.044
	20	1	22,53	46,40	18.500
	23	1	30,11	56,02	31.828

		Nível de voo (pés)	Modelo	GFS					WRF
Caso	Data		Quant. VRTG	Ri	B	E-1	E-2	E-3	Ri	B	E-1	E-2	E-3
I	23/04/2018	32.000	4	20%	100%	100%	80%	100%	100%	100%	80%	100%	100%
II	29/09/2018	33.000	8	100%	100%	100%	100%	100%	100%	100%	88%	100%	100%
III	18/05/2018	15.000	4	75%	100%	100%	100%	100%	100%	100%	100%	100%	100%
IV	21/05/2018	38.000	3	33%	100%	0%	33%	0%	100%	100%	0%	0%	0%
V	27/03/2019	38.000	3	100%	100%	100%	100%	0%	100%	100%	100%	100%	33%
			Média de acerto	66%	100%	80%	83%	60%	100%	100%	74%	80%	67%

[1] Autor de correspondência: Francisco Pinheiro Gomes, franpg66@gmail.com.

Brasil

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Air Clear Turbulence in the Sothern Brazil: study Cases

Abstract