IMPLEMENTAÇÃO DE SISTEMA DE PREVISÃO DE MARÉS METEOROLÓGICAS NO ATLÂNTICO SUDOESTE ABSTRACT

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1 IMPLEMENTAÇÃO DE SISTEMA DE PREVISÃO DE MARÉS METEOROLÓGICAS NO ATLÂNTICO SUDOESTE Ricardo de Camargo 1, Joseph Harari 2, Pedro L. Silva Dias 1, Amaury Caruzzo 1 & Daniel C. Zacharias 1 1 Instituto Astronômico e Geofísico da USP - Rua do Matão São Paulo SP ricamarg@model.iag.usp.br; pldsdias@model.iag.usp.br; acaruzzo@model.iag.usp.br; daniel@model.iag.usp.br 2 Instituto Oceanográfico da USP - Praça do Oceanográfico São Paulo SP joharari@usp.br ABSTRACT Storm surges over the Atlantic Coast of South America have important effects in terms of coastal erosion, sediment dynamics and harbor activities, among many others. The aim of this project is to present a numerical system for storm surge forecasts in the South-Western Atlantic Ocean, basically from the northern Argentinean shelf (42 S) to the Rio de Janeiro coast (21 S), hereafter called SWAO region. The idealized system would be able to provide disturbances in the surface elevations and shelf currents fields related to the passage of meteorological systems over the studied area. From the meteorological point of view, it is important to mention the cyclogenetic characteristics of the region of interest, which play an important role for storm surge events. The aim is basically to forecast long period oscillations of the mean sea level, which will be combined with progressive high frequency variations, such as tides and wind waves. The proposed system is based on the implementation of the model of oceanic circulation Princeton Ocean Model (POM) to the region of interest with about 1/12 degree resolution, forced with surface winds provided by analysed and/or predicted fields. This work presents some results about the model ability to reproduce extreme events related to storm surges. Once the events of interest can be reproduced adequatelly, they are intented to be predicted through large scale operational meteorological forecasts from National Center for Environmental Prediction - NCEP and Centro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos - CPTEC, as well as through mesoscale meteorological forecasts from ETA/CPTEC and RAMS/IAG. This procedure will provide storm surge forecasts for periods of 120 hours, which will also include mesoscale features in the first 48 hours. The dissemination of these results will be done through the homepage of the Laboratório de Meteorologia Aplicada a Sistemas de Tempo Regionais of Departamento de Ciências Atmosféricas of IAG/USP ( INTRODUÇÃO A porção sul da costa sul-americana do Oceano Atlântico freqüentemente sofre a influência de sistemas meteorológicos de escala sinótica e de mesoescala (Climanálise, 1986), os quais podem induzir perturbações significativas no oceano. Estes distúrbios ocorrem basicamente em duas formas: a ocorrência de variações no nível médio do mar (conhecida como maré meteorológica ) e a geração de ondas de superfície ( ressacas ); ambos efeitos podem acarretar sérias implicações para as atividades humanas na orla marítima. O fechamento de portos devido à condições meteorológicas adversas, os processos de erosão costeira, a destruição de construções à beiramar e as enchentes anômalas são algumas das implicações diretas da passagem de sistemas meteorológicos de escala sinótica e sub-sinótica por regiões costeiras. Define-se maré meteorológica como sendo a diferença entre a maré observada e a maré astronômica (Pugh, 1987). Duas causas provocam a maré meteorológica: as variações da pressão atmosférica e a troca de momentum entre o vento e a superfície do mar. Em geral, os efeitos devidos unicamente à ação da pressão atmosférica são inferiores a 10% do efeito total observado, sendo o restante devido exclusivamente à tensão de cisalhamento do vento na superfície do oceano. A maré meteorológica é, portanto, responsável pelo aumento ou diminuição do nível do mar em relação às marés astronômicas observadas num dado local. Este fenômeno pode implicar em intrusão de água do mar em locais onde isso normalmente não ocorre, causando as grandes inundações; ou então, pode acarretar níveis extremamente baixos, impedindo a navegação nos canais de acesso a portos. É importante enfatizar que ambas as situações apresentam impactos do ponto de vista ecológico nas áreas costeiras. Este trabalho busca explorar situações de interesse pretéritas caracterizadas por marés meteorológicas intensas, para as quais é possível resgatar as correspondentes situações sinóticas através da utilização de análises meteorológicas operacionais dos centros de previsão de tempo, como o Centro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos - CPTEC ou o National Climate and Environmental Prediction - NCEP. Pretende-se avaliar as condições oceânicas através da utilização do modelo numérico de circulação oceânica POM (Blumberg & Mellor, 2646

2 1987). Dispondo das informações meteorológicas, pretende-se simular os distúrbios nas elevações da superfície do mar, bem como nas correntes sobre a plataforma. Os campos analisados de larga escala podem fornecer diretamente os valores do vento de superfície sobre a área oceânica através de interpolação espacial e temporal, ou então podem ser assimilados em modelos meteorológicos de mesoescala, permitindo um maior detalhamento do campo de vento sobre o mar. Este trabalho contempla, portanto, a verificação da qualidade das simulações oceânicas segundo forçantes atmosféricas com diferentes resoluções espaciais e temporais, possibilitando avaliar a viabilidade do estabelecimento de um sistema de previsão deste tipo de fenômeno com base nos prognósticos meteorológicos de escala global e de mesoescala. Para os propósitos deste trabalho, julga-se suficiente a região compreendida pelos paralelos 20 S e 45 S e pelos meridianos 038 W e 065 W, aqui denominada SWAO - South Western Atlantic Ocean. Esta área compreende todo o litoral dos Estados do Rio de Janeiro ao Rio Grande do Sul, o litoral do Uruguai e a parte norte do litoral da Argentina. Cabe ressaltar que será dada ênfase aos fenômenos meteorológicos que afetam as condições oceânicas apenas em termos de variações de elevação da superfície cujos períodos são relativamente longos. Portanto, nesta etapa inicial não será realizado nenhum diagnóstico de ondas na superfície do mar em função das condições atmosféricas (o que iria requerer a utilização de um modelo de geração de ondas pelo vento). Da mesma forma, campos de superfície de temperatura e salinidade da água do mar também não fazem parte do escopo deste trabalho. MATERIAIS E MÉTODOS Para a proposta de modelagem numérica de circulação oceânica na região de estudo, será utilizado o modelo desenvolvido pela Universidade de Princeton, nos Estados Unidos da América, o Princeton Ocean Model. O código que deu origem ao atual modelo de domínio público POM já foi aplicado a diversas escalas espaciais e temporais, tendo representado com sucesso as circulações observadas em diversas regiões. Para os propósitos em questão, os procesamentos do POM foram realizados com uma resolução horizontal da ordem de 1/12 de grau na região de estudo. O domínio computacionalmente mais adequado para os processamentos é orientado de maneira paralela e perpendicular à orientação média da linha de costa na área de interesse, ou seja, o eixo paralelo à costa possui uma inclinação de 45 no sentido horário em relação ao Norte Geográfico (Fig. 1). Figura 1- Mapa geográfico da região SWAO, destacando a área do domínio paralelo e perpendicular à linha de costa. 2647

3 Outro ponto importante a ser mencionado refere-se à importância da maré astronômica na região de estudo, a qual é devidamente considerada nas simulações através da especificação de condições de contorno que envolvem oscilações harmônicas com períodos conhecidos. A inclusão da maré astronômica nos experimentos é relevante, uma vez que, de modo geral, suas amplitudes apresentam mesma ordem de grandeza dos distúrbios induzidos pela atmosfera. Além disso, cabe informar que os processamentos com o POM aqui apresentados foram realizados no modo verticalmente integrado, ou seja, sem descrição do perfil vertical de velocidades. Estatística Básica das Situações de Interesse O tipo de fenômeno que se pretende modelar consiste na geração e propagação de ondas de freqüência sub-tidal que carregam as informações sobre as variações do nível médio do mar. São oscilações com freqüências inferiores às freqüências de maré, sendo geradas pelo efeito da tensão de cisalhamento do vento e que, em determinadas condições, propagam ao longo da costa, dissipando a energia do distúrbio. A detecção destas oscilações pode ser feita através da análise de valores filtrados de séries temporais de elevação do nível do mar. Camargo, Harari & Caruzzo (1999) apresentam uma análise preliminar das ocorrências de marés meteorológicas a partir de um conjunto de dados composto pelas séries horárias de alturas de maré das estações Ubatuba (23 30 S W), Santos (23 57 S W), Cananéia (25 01 S W), Paranaguá (25 30 S W) e Florianópolis (27 57 S W), todas em território brasileiro, e mais Punta del Este, no Uruguai, (35 00 S W). Para cada estação, o nível médio do mar foi definido como sendo a média aritmética de toda a série, enquanto que as flutuações de baixa freqüência foram determinadas através da utilização de um filtro de médias móveis com 48 horas de janela. Por fim, a ocorrência normalizada de eventos positivos e negativos foi obtida, considerando intervalos de 0.02 cm, desde -0.8 m até 0.8 m em torno do nível médio (Figura 2). É possível notar a forma gaussiana de cada curva, como esperado. Além disso, apesar da distribuição heterogênea das estações e de suas peculiaridades locais, é possível notar que, da estação mais ao norte (Ubatuba) para a estação mais ao sul (Punta del Este), há um aumento das ocorrências de eventos associados a oscilações de maior amplitude, tanto para valores negativos como positivos. A razão principal para este comportamento é a intensidade dos sistemas meteorológicos, os quais são, em geral, mais intensos na porção sul da área de estudo, causando portanto efeitos mais proeminentes no oceano. Ubatuba Santos Cananéia Paranaguá Florianópolis Punta del Este Figura 2 Histogramas de ocorrências normalizadas de marés meteorológicas para 6 estações ao longo do Atlântico Sudoeste. 2648

4 Outro aspecto a ser destacado, e já observado em trabalhos anteriores, é a existência de uma defasagem no tempo entre a maré meteorológica em diferentes estações: há um atraso médio entre 30 e 72 horas nas ocorrências de eventos extremos entre Santos e Punta del Este (Figura 3). Para a maioria dos casos abrangidos no trimestre Julho-Agosto-Setembro de 1983, é possível verificar as maiores amplitudes das oscilações na estação localizada mais ao sul. No entanto, alguns eventos foram comparáveis ou até mais intensos em Santos (por exemplo, entre o dia juliano 190 e 200, e entre 250 e 270, na Fig. 3). Figura 3 Comparação entre as oscilações observadas do nível médio do mar em Punta del Este (sólido) e Santos (traço-ponto), de Julho a Setembro de Forçantes Meteorológicas As forçantes meteorológicas de superfície inicialmente consideradas nos processamentos do POM referemse a campos analisados de larga escala diretamente interpolados para a resolução do domínio SWAO. Tais informações são provenientes dos arquivos da Reanálise do NCEP e contém 2,5 de resolução espacial e 6 horas de resolução temporal. Os períodos de interesse para as simulações aqui apresentadas foram detectados no trabalho de Caruzzo & Camargo (1998), a partir da aplicação de um filtro de médias móveis (filtro passa-baixa) à série de dados de altura de maré do Porto de Santos, o qual evidencia as flutuações de baixa frequência do nível do mar. Foram selecionadas duas situações peculiares, as quais podem ser observadas na curva do nível médio de Santos apresentada na Figura 3: a primeira está associada a um aumento do nível médio do mar entre os dias 01 e 05 de Agosto de 1983 (dias julianos 211 a 215) enquanto que a segunda refere-se a uma diminuição do nível médio do mar entre os dias 25 e 29 de Setembro de 1983 (dias julianos 265 e 271). Além desses dois casos, foi realizado um terceiro processamento referente ao período de 10 a 25 de Agosto de 1993, caracterizado por grande variedade de condições atmosféricas sobre o oceano, para o qual dispõe-se de informações atmosféricas de larga escala provenientes da Reanálise do NCEP e também de simulações de mesoescala com o RAMS. Para este caso, portanto, será possível comparar as marés meteorológicas resultantes das forçantes atmosféricas em diferentes escalas espaciais. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados dos dois primeiros experimentos, cujas forçantes atmosféricas foram obtidas diretamente da Reanálise do NCEP, serão apresentados de maneira bastante sucinta e com atenção focalizada nas séries temporais de nível do mar das estações de Punta del Este (Uruguai) e Santos. A Figura 4 mostra as oscilações do nível médio do mar, ou seja, descontado o efeito da maré astronômica, para o período de 1 a 5 de Agosto de Considerando a curva referente a Punta del Este, pode-se observar uma progressiva diminuição do nível médio do mar, a qual culmina em cm negativos próximo às 12Z de 05/08/83. Para a estação de Santos, pode-se observar um pequeno aumento do nível médio da ordem de cm 2649

5 ocorrendo ao redor de 00Z de 03/08/83. A concordância destes valores com as correspondentes observações (dias julianos 211 a 215, Fig. 3) não é das melhores, uma vez que na estação de Santos foram atingidos níveis de cerca de cm acima do nível médio e em Punta del Este, os valores chegaram a cm negativos. Para o período de 25 a 29 de Setembro de 1983 (Fig. 5), a curva do nível médio modelado para Punta del Este indica uma grande diminuição que atinge cerca de 75 cm negativos entre 12Z de 26/09/83 e 00Z de 27/09/83, e a partir daí um aumento não constante que atinge 20 cm positivos em 12Z de 29/09/83; para a estação de Santos, a simulação sugere uma variação do nível médio bem mais suave do que em Punta del Este, atingindo apenas 20 cm negativos em 12Z de 27/09/83. Também neste caso, as comparações com as observações não são totalmente satisfatórias, dado que coincidentemente em Punta del Este e em Santos, o valor mínimo foi de cerca de 40 cm negativos. Figura 4 - Comparação entre as oscilações modeladas nas estações de Punta del Este (sólido) e Santos (traço-ponto) para o período de 1 a 5 de Agosto de Figura 5 - Comparação entre as oscilações modeladas nas estações de Punta del Este (sólido) e Santos (traço-ponto) para o período de 25 a 29 de Setembro de Considerando estes dois casos, pode-se incialmente considerar que a qualidade das simulações ainda deixa a desejar em termos de valores absolutos de marés meteorológicas. Por outro lado, os instantes de ocorrência e a forma geral das curvas de nível médio do mar estão de certa forma bem representados, os quais dependem diretamente da representatividade das condições atmosféricas de larga escala dos campos da Reanálise do NCEP. Outro aspecto a ser levado em consideração é que estes dois experimentos foram inicializados a partir do repouso, ou seja, nível médio e correntes zero em todo o domínio; além disso, o período total simulado em ambos é de 108 horas, que é relativamente curto para comparações mais conclusivas dada a frequência do fenômeno de interesse. Os resultados do terceiro estudo de caso, para o qual se dispõe de forçantes meteorológicas de larga e de mesoescala referentes ao período de 10 a 25 de Agosto de 1993, estão apresentados sob a forma de séries temporais de nível médio do mar nas estações de Paranaguá, Santos e Rio de Janeiro (Fig. 6). A seleção das mesmas deve-se basicamente ao fato de que os campos de mesoescala citados anteriormente não cobrem todo o domínio modelado, sendo devidamente completados com as informações de larga escala, o que restringe a comparação entre as variações do nível médio gerados por condições atmosféricas de diferentes escalas espaciais e temporais a uma determinada porção do domínio SWAO. Neste caso, a simulação cobre um período suficientemente longo de modo a minimizar possíveis distorções devidas à inicialização a partir do repouso, permitindo também avaliar a propagação das perturbações de baixa frequência ao longo do domínio. Vale mencionar inclusive que o período em qestão já foi estudado em trabalhos anteriores (Marone & Camargo, 1994; Camargo, 1998 e Camargo & Silva Dias, in press). É possível observar a semelhança na variabilidade do nível médio do mar para as três estações consideradas, com um certo decaimento em amplitude e um pequeno atraso no tempo de Paranaguá para o Rio de Janeiro (Fig. 6). Mas o ponto importante a ser salientado nestas comparações é que os resultados correspondentes às forçantes de mesoescala são suficientemente distintos daqueles relacionados às forçantes de larga escala, como pode ser verificado nas perturbações positivas do dia 10 e do dia 19 de Agosto para as três estações. Em Paranaguá, por exemplo, a diferença entre as perturbações chega a ser de 10 cm, o que neste caso específico equivale a um aumento de quase 100% do valor sugerido pela mesoescala em relação ao valor sugerido pela escala sinótica. Nas demais estações, as diferenças encontradas são gradativamente menores. Estes resultados, tanto de larga quanto de 2650

6 mesoescala, que apresentam maiores perturbações de baixa frequência na porção sul da área de estudo, concordam de modo qualitativo com as características identificadas nos histogramas apresentados anteriormente. Figura 6 - Comparação entre as séries temporais de nível médio do mar nas estações de Paranaguá (superior), Cananéia (meio) e Ubatuba (inferior), para o período de 10 a 25 de Agosto de 1993, segundo a correspondente forçante meteorológica: larga escala (contínuo) e mesoescala (traço-ponto). Para este período de interesse, as observações de nível do mar são relativamente limitadas, havendo disponibilidade apenas dos dados referentes ao Porto de Paranaguá, Cananéia e Ubatuba (Fig. 7). De uma maneira bem geral, as observações evidenciam a ocorrência de dois distúrbios: um no início e o outro na segunda metade do período de interesse. Nesta figura, a grande semelhança entre as curvas de Paranaguá e Cananéia se deve à grande proximidade das estações consideradas e a escala espacial do fenômeno estudado. É possível notar também a diminuição em amplitude e o atraso no tempo ao considerar Ubatuba em relação a Paranaguá. Sendo assim, ao comparar os resultados modelados para Paranaguá (parte superior da Fig. 6) com as correspondentes observações (Fig. 7), é possível observar novamente que as amplitudes modeladas foram subestimadas, mesmo considerando aquelas geradas por campos atmosféricos de mesoescala; por outro lado, o padrão das variações de baixa frequência do nível médio do mar, considerando os instantes de ocorrência das mesmas, foi reproduzido de maneira plenamente satisfatória. Neste ponto é importante frisar que as estações com informações disponíveis para as comparações localizam-se em porções internas da costa, sendo que em Paranaguá e Cananéia as observações são realizadas na parte interna do estuário, enquanto que em Ubatuba, a estação localiza-se numa pequena enseada; por sua vez, os valores modelados referem-se aos pontos da região costeira mais próximos às correspondentes estações, o que nem sempre garante uma representação satisfatória de locais específicos, dada a resolução das simulações numéricas com o POM (1/12 de grau, o que equivale a cerca de 8,6 km nesta latitude). 2651

7 Figura 7 - Observações do nível médio do mar no Porto de Paranaguá, em Cananéia e em Ubatuba, no período de 10 a 25 de Agosto de Uma segunda forma de visualizar os resultados modelados é apresentada nas Figuras 8 e 9. Nesta representação estão plotadas as distribuições horizontais das perturbações na elevação da superfície livre e nas correntes sobre a plataforma, as quais são geradas pela atuação de sistemas atmosféricos sobre a plataforma continental. Foram escolhidos os instantes 10Z de 15/08/93 e 00Z de 19/08/93, como representativos de condições distintas de elevações da superfície livre do mar e de correntes de deriva. Esta alternativa de representação é conveniente para examinar a extensão horizontal dos distúrbios causados pela influência meteorológica sobre a plataforma continental. CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS FUTURAS Os resultados apresentados indicam a potencialidade da metodologia proposta para modelagem de eventos de marés meteorológicas na região aqui denominada SWAO. As comparações dos resultados fornecidos pelas simulações com o POM com as correspondentes observações sugerem que, de uma maneira geral, o modelo subestima os valores das amplitudes das perturbações de baixa frequência do nível médio do mar. Apesar deste aspecto, as principais feições temporais da variabilidade da superfície livre foram bem representadas. Além disso, foi possível avaliar diferenças entre forçantes atmosféricas de larga e de mesoescala na geração de marés meteorológicas na região de interesse para um período específico de interesse. Pôde-se observar que houve uma sensível melhora na estimativa das perturbações do nível médio do mar quando a forçante atmosférica possui melhor representação no espaço e no tempo. A etapa seguinte dos trabalhos envolve a realização de simulações em períodos de interesse relativamente longos com certa disponibilidade de observações de nível do mar. Neste sentido, o trimestre Julho-Agosto- Setembro de 1983 (exemplificado na Fig. 3) será o próximo período a ser investigado. 2652

8 Figura 8 - Configurações instantâneas dos resultados modelados pelo POM para 10Z de 15/08/93. Parte esquerda: distribuição horizontal de elevação da superfície livre do mar, de acordo com a barra de cores. Parte direita: correntes de deriva integradas na coluna d água, coloridas de acordo com sua magnitude. Figura 9 - Idem à Fig. 8, para o instante 00Z de 19/08/93. Após a fase de verificação da qualidade de simulações referentes a períodos pretéritos de interesse, o procedimento desenvolvido irá subsidiar a implementação de um sistema operacional de previsão de marés meteorológicas no domínio SWAO, o qual se baseará nos diagnósticos e prognósticos de larga e de mesoescala disponíveis no MASTER - Laboratório de Meteorologia Aplicada a Sistema de Tempo Regionais, do Departamento de Ciências Atmosféricas do IAG/USP. Os resultados deverão ser disponibilizados através da homepage sob a forma de gráficos das séries temporais de determinadas estações costeiras (como na Fig. 6) e também sob a forma de distribuições horizontais das perturbações em elevações e correntes sobre a plataforma (como nas Figs. 8 e 9). AGRADECIMENTOS Agradecemos à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), pelo auxílio concedido ao projeto de pesquisa Influências Sinóticas no Atlântico Sudoeste: Modelagem de Marés Meteorológicas na Costa Sul-Sudeste Brasileira processo n. 99/ e também ao Programa PIBIC/CNPq/USP pela concessão de Bolsa de Iniciação Científica a um dos autores. REFERÊNCIAS BLUMBERG, A.F. & MELLOR, G.L A description of a three-dimensional coastal ocean circulation model. In: Three-Dimensional Coastal Ocean Models, Vol. 4, American Geophysical Union, Washington D.C., 208p. CAMARGO, R Estudo Numérico das Circulações Atmosférica e Oceânica na região da Baía de Paranaguá. Tese de Doutoramento. Instituto Astronômico e Geofísico. Universidade de São Paulo, 181p. CAMARGO, R., HARARI, J. & CARUZZO, A Basic Statistics of Storm Surges over the South-Western Atlantic Ocean. Afro-America GLOSS News Vol. 3(2), p

9 CAMARGO, R. & SILVA DIAS, P.L. (in press) The mesoscale adjustment in Paranagua Bay: Case study of the period 10 to 25 August Revista Brasileira de Meteorologia. CARUZZO, A. & CAMARGO, R Influências Sinóticas no Atlântico Sudoeste: Levantamento Preliminar das Situações de Interesse. X Congresso Brasileiro de Meteorologia e VIII Congresso da Federação Latino- Americana e Ibérica de Sociedades de Meteorologia, Anais Digitais. CLIMANÁLISE 1986 Boletim de Monitoramento e Análise Climática, Número Especial, Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos - MCT/INPE MARONE, E. & CAMARGO, R Marés meteorológicas no litoral do Paraná: O evento de 18 de Agosto de Nerítica, Curitiba, v.8(1-2), p.73-85, Editora da UFPR. PUGH, D.T Tides, Surges and Mean Sea Level. John Wiley & Sons. Chichester, U.K. 472 p. 2654