Cap 3_Elementos de Hidrometeorologia_2004

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 33 
 
 EElleemmeennttooss ddee HHiiddrroommeetteeoorroollooggiiaa 
 
1. INTRODUÇÃO 
 
A hidrologia de uma região depende principalmente de seu clima e secundariamente de sua topografia 
e geologia. A topografia influencia a precipitação, a ocorrência de lagos, pântanos e a velocidade do 
escoamento superficial. A geologia, além de influenciar a topografia, define o local de armazenamento 
da água proveniente da precipitação, ou seja, na superfície (rios e lagos) ou no subsolo (escoamento 
subterrâneo ou confinada em aqüíferos). 
O clima de uma região é altamente dependente de sua posição geográfica em relação à superfície 
terrestre. Os fatores climáticos mais importantes são a precipitação e o seu modo de ocorrência, 
umidade, temperatura e ventos, os quais diretamente afetam a evaporação e a transpiração. Neste 
capítulo serão abordados os três últimos, uma vez que à precipitação se dedicará um capítulo a parte. 
2. UMIDADE 
Existe sempre alguma água, na forma de vapor, misturado com o ar por toda a atmosfera. A 
condensação deste vapor é que origina a maioria dos fenômenos do tempo: nuvens, chuva, neve, 
nevoeiro, orvalho e etc., assim a compreensão do estudo do vapor d’água na atmosfera é de grande 
importância para a hidrologia. A quantidade de vapor d’água no ar expressa-se simplesmente pela 
relação peso/volume (ex.: gramas/m3) 
Existe um limite para a quantidade de vapor d’água que um dado volume de ar pode suportar, e 
quando esse limite é alcançado, diz-se que o ar está saturado. O ar quente pode suportar mais vapor 
do que o ar frio, para cada grau de elevação da temperatura, verifica-se, também um aumento do 
conteúdo do vapor d’água para a saturação. 
A pressão atmosférica decorre de uma composição de pressões parciais exercidas pelos gases que a 
constituem. A parcela de pressão devida a presença do vapor d’água é denominada pressão de vapor 
d’água (e). Suponha uma superfície de água em evaporação, em um sistema fechado, envolta em ar. 
Notas de Aula – Profa. Ticiana Marinho de Carvalho Studart 
Karine�
Cap 3_Elementos de Hidrometeorologia_22 de set 2003.doc�
 
2Capítulo 1 Hidrologia Aplicada
 
 
 Sob a ação de uma fonte de calor, a água vai sendo evaporada até o estado de equilíbrio, quando o 
ar está saturado de vapor e não pode mais absorvê-lo. As moléculas de vapor d’água exercerão 
então uma pressão, denominada pressão de saturação de vapor d’água (es), para determinada 
temperatura do sistema. 
O valor de es muda com a temperatura como mostra a Figura 1. 
 
 
 
Figura 3.1 – Pressão de saturação de vapor (Fonte: Varejão-Silva, 2001) 
 
A Figura 3.1 mostra que ocorre com a parcela de ar P, com pressão de vapor “e” e temperatura “t”. 
Notas de Aula – Profa. Ticiana Marinho de Carvalho Studart 
 
3Capítulo 1 Hidrologia Aplicada
 
 
Uma vez que o ponto “P” se encontra abaixo da curva de pressão de saturação de vapor, está claro 
que a massa de ar pode absorver mais umidade. Teoricamente a saturação do ar pode se dar por três 
processos básicos: 
1. Processo isotérmico – a temperatura é mantida constante e o vapor d’água é 
incorporado ao ar para suprir sua deficiência de umidade (ds). 
ds = es – e (3.1) 
2. Processo isobárico – a pressão é conservada constante e o ar é submetido a um 
resfriamento até interceptar a curva de saturação de vapor. Está temperatura corresponde a 
temperatura do ponto de orvalho (td). 
3. Livre saturação – se a água evapora livremente dentro da massa de ar, a saturação é 
atingida a pressão e temperaturas diferentes das que tinha inicialmente, uma vez que a 
evaporação necessita de calor (calor latente de evaporação), que é retirado do próprio ar. 
Assim a medida que a umidade e a pressão aumentam, a temperatura diminui. O ponto P irá 
se mover na diagonal até atingir a curva de saturação a uma temperatura tw denominada de 
“temperatura do bulbo úmido”. 
2.1. Umidade Relativa 
Em geral o ar não está saturado; contém apenas uma fração do vapor d’água possível. Essa fração, 
expressa em percentagem, é denominada umidade relativa (ur). 
( )%100
s
r e
eu = 
Tabela 3.1 – Conteúdo de vapor d’água no ar em várias umidades relativas (Fonte: Forsdyke, 1969) 
Conteúdo de vapor d’água (g/m3) 
Temperatura 59,3 34,0 18,7 9,8 4,9 
40°C 100% 57% 31% 17% 8% 
30°C --- 100% 55% 29% 14% 
20°C --- --- 100% 52% 26% 
10°C --- --- --- 100% 50% 
Notas de Aula – Profa. Ticiana Marinho de Carvalho Studart 
 
4Capítulo 1 Hidrologia Aplicada
 
 
0°C --- --- --- --- 100% 
 
O Psicrômetro é o instrumento empregado para a medição da umidade atmosférica. Ele consiste de 
dois termômetros – o de bulbo úmido e o de bulbo seco. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.2 – Diagrama de um psicrômetro, mostrando o princípio do termômetro de bulbo úmido. 
 (Fonte: Villela, 1975) 
 
O valor de “e” para uma dada temperatura é obtido pela equação: 
 
( ) ( )ww ttee −=− γ (3.2) 
Onde: 
tw – Temperatura do termômetro de bulbo úmido 
t – Temperatura do termômetro de bulbo seco 
ew – Pressão de vapor correspondente a temperatura tw (Tabela 3.2) 
γ – Constante do psicrômetro (γ = 0,6, se e (mb), t (°C) e velocidade do ar entre os bulbos 
de 3m/s e γ = 0,485 se e (mmHg) ) 
Notas de Aula – Profa. Ticiana Marinho de Carvalho Studart 
 
5Capítulo 1 Hidrologia Aplicada
 
 
 
Tabela 3.2 – Pressão de saturação de vapor (es) em mmHg em função da temperatura em °C. 
es 
t (o C) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 
-10 2.15 
-9 2.32 2.30 2.29 2.27 2.26 2.24 2.22 2.21 2.19 2.17 
-8 2.51 2.49 2.47 2.45 2.43 2.41 2.40 2.38 2.36 2.34 
-7 2.71 2.69 2.67 2.65 2.63 2.61 2.59 2.57 2.55 2.53 
-6 2.93 2.91 2.89 2.86 2.84 2.82 2.80 2.77 2.75 2.73 
-5 3.16 3.14 3.11 3.09 3.06 3.04 3.01 2.99 2.97 2.95 
-4 3.41 3.39 3.37 3.34 3.32 3.29 3.27 3.24 3.22 3.18 
-3 3.67 3.64 3.62 3.59 3.57 3.54 3.52 3.49 3.46 3.44 
-2 3.97 3.94 3.91 3.88 3.85 3.82 3.79 3.76 3.73 3.70 
-1 4.26 4.23 4.20 4.17 4.14 4.11 4.08 4.05 4.03 4.00 
-0 4.58 4.55 4.52 4.49 4.46 4.43 4.40 4.36 4.33 4.29 
------- ------- ------- ------- ------- ------- ------- ------- ------- ------- ------- 
0 4.58 4.62 4.65 4.69 4.71 4.75 4.78 4.82 4.86 4.89 
1 4.92 4.96 5.00 5.03 5.07 5.11 5.14 5.18 5.21 5.25 
2 5.29 5.33 5.37 5.40 5.44 5.48 5.53 5.57 5.60 5.64 
3 5.68 5.72 5.76 5.80 5.84 5.89 5.93 6.97 6.01 6.06 
4 6.10 6.14 6.18 6.23 6.27 6.31 6.36 6.40 6.45 6.49 
5 6.54 6.58 6.54 6.68 6.72 6.77 6.82 6.86 6.91 6.96 
6 7.01 7.06 7.11 7.16 7.20 7.25 7.31 7.36 7.41 7.46 
7 7.51 7.56 7.61 7.67 7.72 7.77 7.82 7.88 7.93 7.98 
8 8.04 8.10 8.15 8.21 8.26 8.32 8.37 8.43 8.48 8.54 
9 8.61 8.67 8.73 8.78 8.84 8.90 8.96 9.02 9.08 9.14 
10 9.20 9.26 9.33 9.39 9.46 9.52 9.58 9.65 9.71 9.77 
11 9.84 9.90 9.97 10.03 10.10 10.17 10.24 10.31 10.38 10.45 
12 10.52 10.58 10.66 10.72 10.79 10.86 10.93 11.00 11.08 11.15 
13 11.23 11.30 11.38 11.75 11.53 11.60 11.68 11.76 11.83 11.91 
14 11.98 12.06 12.14 12.22 12.96 12.38 12.46 12.54 12.62 12.70 
15 12.78 12.86 12.95 13.03 13.11 13.20 13.28 13.37 13.45 13.54 
16 13.63 13.71 13.80 13.90 13.99 14.08 14.17 14.26 14.35 14.44 
Notas de Aula – Profa. Ticiana Marinho de Carvalho Studart 
 
6Capítulo 1 Hidrologia Aplicada
 
 
17 14.53 14.62 14.71 14.80 14.90 14.99 15.09 15.17 15.27 15.38 
18 15.46 15.56 15.66 15.76 15.96 15.96 16.06 16.16 16.26 16.36 
19 16.46 16.57 16.68 16.79 16.90 17.00 17.10 17.21 17.32 17.43 
20 17.53 17.64 17.75 17.86 17.97 18.08 18.20 18.3118.43 18.54 
21 18.65 18.77 18.88 19.00 19.11 19.23 19.35 19.46 19.58 19.70 
22 19.82 19.94 20.06 20.19 20.31 20.43 20.58 20.69 20.80 20.93 
23 21.05 21.19 21.32 21.45 21.58 21.71 21.84 21.97 22.10 22.23 
24 22.27 22.50 22.63 22.76 22.91 23.05 23.19 23.31 23.45 23.60 
25 23.75 23.90 24.03 24.20 24.35 24.49 24.64 24.79 25.08 25.09 
26 25.31 25.45 25.60 25.74 25.89 26.03 26.18 26.32 26.46 26.60 
27 26.74 26.90 27.05 27.21 27.37 27.53 27.69 27.85 28.00 28.16 
28 28.32 28.49 28.66 28.83 29.00 29.17 29.34 29.51 29.68 29.85 
29 30.03 30.20 30.38 30.56 30.74 30.92 31.10 31.28 31.46 31.64 
30 31.82 32.00 32.19 32.38 32.57 32.76 32.95 33.14 33.33 33.52 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Notas de 
Figura 3.3 – Psicrômetro 
Aula – Profa. Ticiana Marinho de Carvalho Studart 
 
7Capítulo 1 Hidrologia Aplicada
 
 
 
 
 
A Figura 3.4 mostra o mapa da umidade relativa média anual no Brasil, medida pelo INMET, no 
período de 1930 a 1990 (Normais Climatológicas). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.4 – Umidade relativa anual (Fonte: INMET(http://www.inmet.gov.br/produtos) 
 
3. TEMPERATURA 
Geograficamente, há uma tendência de elevação de temperatura a medida que se aproxima do 
Equador. Verifica-se, entretanto, que a topografia e a vegetação pode comprometer este 
comportamento. 
Durante o dia, a incidência da radiação solar provoca o aquecimento da superfície, que alcança sua 
temperatura máx a algumas horas após o sol ter alcançado o seu zênite. As camadas inferiores da 
atmosfera são aq
Devido a diverso
temperatura tam
0,65°C/100m). O
Associados aos p
im
uecidas pela radiação de onda longa emitida pela superfície terrestre. 
s processos de troca de calor no sistema Terra-Atmosfera, existe uma distribuição de 
bém segundo a direção vertical, conhecida como gradiente vertical de temperatura (-
 estudo desse gradiente é importante para a influência da estabilidade atmosférica. 
rocessos de evolução do ar, são definidos três gradientes teóricos: 
Notas de Aula – Profa. Ticiana Marinho de Carvalho Studart 
 
8Capítulo 1 Hidrologia Aplicada
 
 
 
1. Gradiente de temperatura adiabática seca (αd) 
• Parcela de ar ascendente 
• Expande-se devido ao decréscimo de pressão 
• Temperatura decresce (-1°C/100m) 
2. Gradiente de temperatura adiabática saturada (αs) 
• Quando a parcela de ar em ascensão atinge o nível de condensação, a 
pressão continua decrescente. 
• Gradiente menor (-0,54°C/100m) 
3. Gradiente de temperatura pseudo-adiabático 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.4 – Formas de precipitação. (Fonte: Raudikivi, 1979). 
 
3.1. Estabilidade e Instabilidade Convectiva 
Uma vez que ar aquecido decresce em densidade, ele tende a se tornar mais leve. Entretanto a 
superfície terrestre não é homogênea e faz com que o ar seja aquecido de forma desigual, o que 
resulta no aparecimento de camadas de ar com diferentes densidades; surgem então forças 
ascendentes que elevam o ar mais quente (mais leve) através do ar vizinho mais frio (mais denso). 
Obviamente, o gradiente de temperatura dentro de uma camada atmosférica é diferente daqueles 
referentes a adiabática seca e a adiabática saturada. A relação entre o gradiente e a temperatura do 
ambiente atmosférico (γ) e o gradiente da adiabática seca é que determina a umidade convectiva do 
ar. Seja, por hipótese, que uma partícula de ar seco em equilíbrio térmico com o meio ambiente seja 
levada, por algum motivo, a uma altitude maior que a inicial. O movimento ascendente da partícula 
Notas de Aula – Profa. Ticiana Marinho de Carvalho Studart 
 
9Capítulo 1 Hidrologia Aplicada
 
 
não modifica a estrutura da atmosfera circunvizinha. Como a parcela sob verticalmente, ela esfria a 
uma taxa (Γ) (adiabática seca), enquanto que a temperatura ambiente decresce a uma taxa ( γ ). 
a) Se Γ<γ : 
 Γ (parcela) γ (ambiente) 
 
 
 
 
 
 
 
 
tparc < tamb mais frio, mais denso, parcela desce (estável) 
 
b) Se Γ>γ : 
 γ (ambiente) Γ (parcela) 
 
 
 
 
 
 
tparc > tamb mais quente, menos densa, parcela sobe (instável) 
 
Figura 3.5 – Estabilidade e Instabilidade Convectiva (Fonte: VILLELA,1975) 
Caso a parcela não esteja saturada, começará, no inicio a comportar-se como ar seco em ascensão 
(αd). Entretanto, em um dado momento, chegará à temperatura de ponto de orvalho e passará a 
comporta-se como ar saturado (αs). A umidade que foi condensada do ar resfriado em ascensão torna-
se visível como nuvem, sendo a sua base representativa do nível de condensação. O topo da nuvem 
continua a se desenvolver até alcançar uma camada estável. 
 
 
Notas de Aula – Profa. Ticiana Marinho de Carvalho Studart 
 
10Capítulo 1 Hidrologia Aplicada
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4. Vento 
 
O ar está em movimento
uma vez que, ao retirar a
umidade, faz com que o p
São necessários dois fato
para medida destas grand
em alguns tipos, também
direção (em graus) e a ve
pelo vento com relação ao
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
N
Figura 3.6 – Nuvem cumulonimbus (Fonte: INMET) 
 e isto é sentido como vento. Ele influencia processos hidrometeorológicos, 
 camada de ar saturado próxima ao solo e substituí-la por uma com menos 
rocesso de evaporação seja contínuo. 
res para especificar o vento: direção e velocidade. Os instrumentos utilizados 
ezas são os anemômetros, que medem a velocidade do vento (em m/s) e, 
 a direção (em graus), e os anemógrafos, que registram continuamente a 
locidade instantânea do vento (em m/s), a distância total (em km) percorrida 
 instrumento e as rajadas (em m/s). 
Figura 3.7 – Anemômetro 
otas de Aula – Profa. Ticiana Marinho de Carvalho Studart 
 
11Capítulo 1 Hidrologia Aplicada
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.8 – Anemógrafo 
Devido a sua posição em relação a circulação geral da atmosfera, o Nordeste tem vento prevalecentes 
do sudeste, que podem se tornar mais zonais de acordo com a época do ano (estação chuvosa). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.9 – Direção média dos ventos de superfície em janeiro. (Fonte: Raudikivi, 1979) 
 
 
 
 
 
Notas de Aula – Profa. Ticiana Marinho de Carvalho Studart 
 
12Capítulo 1 Hidrologia Aplicada
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.10 – Campos de umidade relativa, movimento 
vertical (500mb) e campos de vento 
(200mb e 850mb) (Fonte: NMC/SAD). 
 
 
Notas de Aula – Profa. Ticiana Marinho de Carvalho Studart