INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA DA SUPERFÍCIE DO MAR SOBRE SISTEMAS CONVECTIVOS: UM ESTUDO NUMÉRICO

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1 INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA DA SUPERFÍCIE DO MAR SOBRE SISTEMAS CONVECTIVOS: UM ESTUDO NUMÉRICO Alexandre Araújo Costa* e William R. Cotton Department of Atmospheric Science - Colorado State University Fort Collins, CO, USA * ABSTRACT A two-dimensional cloud-resolving model (CRM) was used to simulate convection during the Tropical Ocean Global Atmosphere Coupled Ocean Atmosphere Response Experiment (TOGA-COARE). A control simulation was performed in which observed, time-evolving, spatially homogeneous sea surface temperatures (SSTs) were used as a lower boundary condition, in order to validate the model. Sensitivity experiments were carried out, in which the SST was increased (SST+) or decreased (SST-) by one degree. The structure of the cloud systems was altered; high-level clouds being favored in SST+ and low- to mid-level clouds favored in SST-. Possible implications regarding the SST regulation are discussed. INTRODUÇÃO A convecção tropical cumpre um papel decisivo na circulação geral da atmosfera terrestre. Sobre os oceanos tropicais, interações oceano-atmosfera são fundamentais para modular a atividade convectiva. Apesar de ser reconhecido que, pelo menos do ponto de vista da larga escala, convecção tende a ocorrer sobre águas quentes, com subsidência sobre águas frias (e.g., Webster 1994), os mecanismos através dos quais a superfície influencia os sistemas de nuvens sobre os oceanos tropicais não foram suficientemente explorados. Dentre as teorias propostas para explicar como a convecção e a temperatura da superfície do mar (TSM) se relacionam nos trópicos, merece destaque a de Ramanathan and Collins (1991), que propuseram a existência de um "termostato". Segundo a referida teoria, sistemas convectivos formados sobre altas TSMs, ao produzirem espessas camadas de nuvens cirrus, bloqueariam a radiação solar, levando ao resfriamento da superfície do oceano. Fu et al. (1992), entretanto, não encontrou evidências da existência de uma relação entre variações da TSM e o campo de cirrus, que seria modulado pela circulação de larga escala, e não pelo estado da superfície. Os estudos realizados para se investigar as interações entre a convecção e a TSM são inconclusivos e isto se deve, em parte, à deficiência das metodologias utilizadas. A análise de correlações estatísticas entre dados obtidos por satélite (por exemplo, a TSM e a cobertura de nuvens) não revela os verdadeiros mecanismos físicos envolvidos, sendo, portanto, incapaz de mostrar relações de causalidade. Por sua vez, o uso de modelos numéricos de larga-escala, como modelos de circulação 2720

2 geral (MCGs), também tem uma deficiência intrínseca. Os processos em escala de nuvem em última instância responsáveis tanto pelo transporte vertical de massa, energia, etc., associado com a convecção, quanto por mudanças no balanço radiativo não podem ser resolvidos por tais modelos. Uma ferramenta alternativa é o uso de modelos de "ensemble de nuvens" (MENs) que, na definição de Randall et al. (1996), modelos capazes de resolver nuvens individuais, cujo domínio é grande o suficiente para conter várias nuvens e cujo tempo de execução é longo o suficiente para conter vários ciclos de vida de nuvens. Ou seja, de um lado, um MEN é capaz de explicitamente resolver os processos que ocorrem internamente em sistemas de nuvens e, por outro, dele se podem extrair informações sobre a estatística desses sistemas. Em virtude disso, MENs têm encontrado múltiplas aplicações nas duas últimas décadas. Por exemplo, Soong and Ogura (1980) e Tao et al. (1987) utilizaram MENs para simular a resposta de sistemas de nuvens a um forçante de larga escala. Krueger (1988) estudou processos de transporte na camada-limite. Interações nuvemradiação foram investigadas por Liu and Moncrieff (1998), Li et al., (1999) e Wu et al. (1999). Estados de quase-equilíbrio da convecção tropical foram simulados por Sui et al. (1994), Grabowski et al. (1996a) e outros. Conforme apontado por Randall et al. (1996) e Moncrieff et al. (1997), MENs podem ser usados na formulação de parametrizações de base física para MCGs, como em Xu (1995) e Alexander and Cotton (1998), que separaram as componentes convectiva e estratiforme de sistemas de nuvens. No presente trabalho, fazemos uma extensão dos estudos de Costa et al. (2000), que usaram um modelo de "ensemble de nuvens" (MEN) bidimensional para investigar a influência da temperatura da superfície do mar (TSM) sobre as características de sistemas convectivos sobre o Pacífico Oeste. MODELO DE "ENSEMBLE" DE NUVENS (MEN) O modelo utilizado é uma versão bidimensional, de "ensemble" de nuvens do Regional Atmospheric Modeling System (RAMS, e.g., Pielke et al. 1992). A microfísica do modelo inclui sete categorias de hidrometeoros, a saber: água de chuva, água de nuvem, cristais de gelo, cristais de neve, agregados, graupel e granizo (Walko et al., 1995). Um modelo de radiação, acoplado à microfísica, contendo 3 bandas de onda curta e 5 de onda longa (e.g., Olsson et al., 1998) é utilizada. Os fluxos de superfície são calculados conforme Louis et al. (1981) e o transporte turbulento é representado por um fechamento em primeira ordem. A grade horizontal do modelo contém 512 pontos, com um espaçamento de 1km. A grade vertical contém 50 pontos, com espaçamento variável (100m próximo à superfície até 500m em altos níveis). Um passo de tempo de 10s foi usado. As fronteiras laterais são cíclicas. O forçante de larga-escala é aplicado conforme Grabowski et al. (1996b), isto é, "nudging" é usado para as componentes do vento, e a contribuição da advecção horizontal e vertical de larga-escala é somada aos campos de temperatura e umidade. 2721

3 OBSERVAÇÕES O caso estudado neste trabalho consiste na evolução dos sistemas de nuvens entre 19 e 26 de Dezembro de 1992, durante uma "rajada de oeste" (ocasião em que os ventos nos baixos níveis, usualmente de leste, são substituídos por ventos de oeste). Uma descrição mais detalhada do caso é encontrada em Moncrieff et al. (1997), Su et al. (1999) e Costa et al. (2000). A Figura 1 mostra a evolução do vento zonal (1a), da velocidade vertical em coordenadas de pressão (omega, 1b) e as tendências advectivas de larga escala para temperatura (1c) e razão de mistura de vapor (1c) durante o referido período. Conforme se vê na Figura 1a, existe uma tendência crescente de substituição de ventos de leste por ventos de oeste em baixos níveis, com os ventos de oeste próximos à superfície atingindo um máximo em 22 de Dezembro. Na larga escala prevalece um movimento ascendente no período, com exceção dos dias 23 e 25 de Dezembro. Picos de resfriamento e umedecimento ocorrem em altitudes entre 6 e 7 km, nos dias 20, 21, 22 e 24 de Dezembro. Como resultado, uma forte atividade convectiva é gerada, produzindo aquecimento e ressecamento convectivos. Entre 19 e 26 de Dezembro de 1992, a TSM apresentou uma tendência de resfriamento, devido aos intensos fluxos de superfície associados à "rajada de oeste". A evolução da TSM usada para alimentar o modelo é mostrada na Figura 2. SIMULAÇÃO DE CONTROLE Na simulação de controle (CONTROL), impôs-se a TSM observada ao MEN. Assim como nas demais simulações, o modelo foi inicializado com uma sondagem homogênea, correspodendo aos ventos, temperatura e razão de mistura observados a 00UTC, em 19 de Dezembro de Uma perturbação aleatória de amplitude máxima 1K foi introduzida no campo de temperatura. Em geral, o MEN reproduziu adequadamente os campos reais, apesar de apresentar uma tendência a uma atmosfera mais seca e fria do que a observada. Erros similares, no entanto, foram relatados por vários pesquisadores que realizaram simulações semelhantes, como em Krueger (1997), Krueger and Lazarus (1999) e Su et al. (1999). As tendências principais, observadas na evolução da precipitação foram bem reproduzidas, resultando em uma ótima concordância qualitativa e quantitativa entre os valores modelado e observado. No período de 6 dias entre 20 e 26 de Dezembro, a precipitação observada foi de 21.9 mm.day -1, enquanto o valor simulado correspondente foi 21.2 mm.day -1. A evolução temporal da precipitação modelada e observada é mostrada na Figura 3a. Os fluxos de calor na superfície calculados pelo modelo também apresentaram boa concordância com as observações. As médias observadas para os fluxos de calor sensível e latente foram, respectivamente, 16.0 Wm -2 e Wm -2 contra 18.6 Wm -2 e Wm -2 gerados pelo modelo. Os fluxos observados e modelados são comparados na Figura 3b. 2722

4 a c b d Figura 1 (a) Vento zonal, em m.s -1 ; (b) omega, em mb.h -1 ; (c) advecção de temperatura, em K.day -1 ; (d) advecção de vapor, multiplicada por L/c p, em K.day -1, em função do tempo e altitude. Ventos de oeste (painel a), movimento ascendente (b), resfriamento (c) and umedecimento (d) aparecem em cinza. SST Dec 20Dec 21Dec 22Dec 23Dec 24Dec 25Dec Time Figura 2 Evolução temporal da TSM observada entre 19 e 26 de Dezembro de 1992, durante o TOGA-COARE. 2723

5 De acordo com observações (e.g., Wu et al. 1998), a região do TOGA- COARE apresentava extensiva cobertura de nuvens entre 20 e 25 de Dezembro de 1992, com valores particularmente baixos de temperatura do topo das nuvens entre 20 e 22 e no dia 24 de Dezembro. Tais características foram corretamente simuladas pelo modelo, como visto, por exemplo, na Figura 4, que mostra a evolução temporal da média horizontal da razão de mistura de água líquida mais sólida. Nesta figura, convecção profunda se forma no segundo dia de simulação, persistindo até o final do quarto dia, quando nuvens cumulus rasas e nuvens cirrus (produzidas pelos eventos convectivos anteriores) passaram a predominar. Nuvens convectivas profundas retornam no sexto dia, permanecendo até próximo ao final da simulação. Tais resultados concordam tanto com as observações quanto com outros estudos numéricos do mesmo caso (e.g., Su et al., 1999). a b Figura 3 Evolução temporal da (a) precipitação modelada versus observada e (b) Fluxos de calor sensível e latente modelados e observados. SENSIBILIDADE AO AUMENTO OU REDUÇÃO DA TSM Dois experimentos de sensibilidade foram realizados, nos quais a evolução na TSM mostrada na Figura 2 foi mantida, mas em que o seu valor foi reduzido (SST-) ou acrescido (SST+) de um grau. Assim como em CONTROL, a TSM foi considerada espacialmente homogênea. Na simulação SST-, como esperado, a atmosfera se mostrou mais fria e seca do que em CONTROL, uma conseqüência da redução do aquecimento e evaporação superficiais. O oposto ocorreu em SST+. A evolução de vários campos associados aos sistemas de nuvens (razão de mistura de material condensado, cobertura de nuvens, precipitação, etc.) em SST- e SST+ foi similar àquela em CONTROL, sugerindo que o forçante de larga escala 2724

6 Figura 4 Média horizontal da razão de mistura do condensado total (líquido mais sólido) como função da altitude e do tempo na simulação de controle. cumpriu um papel mais relevante do que a superfície, na determinação das características dos referidos sistemas. Na média dos 6 últimos dias de simulação, a diferença mais relevante entre os sistemas de nuvens em SST-, SST+ e CONTROL se deu nos perfis verticais da razão de mistura do condensado total e da cobertura de nuvens. Foi observado um excesso de água líquida em SST- na baixa e média troposfera (particularmente entre o topo da camada-limite e o nível de fusão), num valor de até gkg -1, relativamente alto em se tratando de uma média em todo o dominio. Em oposição, em altos níveis, SSTmostrou um déficit de material condensado (gelo), da ordem de até gkg -1 (a cerca de 13 km de altitude). Em termos de cobertura de nuvens, em grande parte da troposfera, a ocorrência de nuvens foi maior em SST- do que em CONTROL. Abaixo do nível de fusão (aproximadamente 4.5km), a cobertura de nuvens em SST- excedeu aquela em CONTROL por até 10%. Em contraste, em altos níveis, devido ao reduzido transporte vertical em SST-, havia menos vapor d'água disponível para a formação de nuvens cirrus (por desentranhamento de gelo na bigorna dos sistemas convectivos), e o resultado foi uma redução de mais de 4% na cobertura de nuvens em SST-. A diferença entre a razão de mistura de material condensado e na cobertura de nuvens em SST- e CONTROL é mostrada na Figura 5. Nos 3km inferiores, SST+ apresentou mais material condensado que CONTROL (máximo excedente de 0.003gkg -1 em média), associado com um excesso de água de chuva e de precipitação. A distribuição vertical do material condensado apresentou-se deslocada para cima, em relação ao perfil encontrado em CONTROL, sugerindo a existência de um transporte vertical mais eficiente. SST+ e CONTROL mostraram aproximadamente a mesma cobertura de nuvens da superfície até 10km, exceto em torno de 3.5km, onde SST+ exibiu um déficit de cerca de 2%. Por outro lado, uma maior cobertura de nuvens foi encontrada em altos níveis em SST+ (excesso de até 18%). A diferença entre a razão de mistura de material condensado e na cobertura de nuvens em SST+ e CONTROL é mostrada na Figura

7 Figura 5 Diferença média (entre 20 e 26 de Dezembro) na razão de mistura de água condensada (líquida mais sólida, esquerda) e cobertura de nuvens (direita) entre SST- e CONTROL em função da altitude. Figura 6 Como na Figura 5, exceto entre SST+ e CONTROL. Apesar da natureza não acoplada das simulações numéricas aqui efetuadas (TSM especificada), informações podem ser obtidas sobre a regulagem da TSM por convecção. Por exemplo, sensibilidades na evaporação e no balanço radiativo à superfície indicam como a temperatura do oceano pode mudar, potencialmente. No conjunto de simulações aqui mostrado, as variações no balanço radiativo na superfície foram pequenos, como mostrados na tabela 5. As variações do fluxo radiativo total assim como as mudanças no fluxo de radiação de onda curta foram pequenas, comparadas àquelas no fluxo de calor latente à superfície. Tais resultados sugerem que o fluxo de calor latente deve exercer uma maior influência ao regular a TSM do que os efeitos radiativos, pelo menos ao nível local. 2726

8 No presente conjunto de experimentos numéricos, as pequenas diferenças no fluxo radiativo total se devem, em grande parte, à possível existência de um mecanismo oposto ao do termostato de cirrus. As diferentes estruturas na cobertura de nuvens em SST+, CONTROL e SST- sugerem que um feedback positivo ocorre na baixa e média troposfera, com mais nebulosidade sendo produzida sobre águas mais frias, nesses níveis; o contrário ocorrendo sobre águas mais quentes. Tal mecanismo, aparentemente, é similar ao encontrado no regime de transição de stratocumulus para cumulus, e simulado por diversos pesquisadores, dentre eles Krueger et al. (1995) e Wyant et al. (1997). Experimento Numérico Fluxo Radiativo Total (Wm -2 ) Fluxo de radiação de onda curta incidente (Wm -2 ) Fluxo de calor latente (Wm -2 ) CONTROL SST SST Tabela 1 Fluxos radiativo total, de radiação solar incidente e de calor latente nos experimentos numéricos CONTROL, SST- e SST+. Todos os valores são médias entre 19 e 26 de Dezembro de CONCLUSÕES Os resultados do presente trabalho podem ser assim sumarizados: 1) Um experimento numérico de controle foi realizado com o objetivo de verificar a capacidade de um MEN em simular as propriedades de sistemas convectivos observados sobre o Pacífico Oeste. A boa concordância entre os campos modelados e observados sugere que o MEN é uma ferramenta adequada para o estudo das características coletivas desses sistemas; 2) Testes de sensibilidade foram efetuados com o objetivo de se avaliar a influência da TSM sobre o comportamento dos sistemas de nuvens simulados. A maior parte dos campos atmosféricos manteve-se similar em todas as simulações, indicando um papel dominante para o forçante de larga-escala (em particular as tendências advectivas de temperatura e umidade); 3) Ainda que nuvens cirrus tenham-se formado em maior quantidade em SST+, o fluxo de radiação solar incidente à superfície foi similar nas três simulações, em oposição ao previsto pela "teoria do termostato". Os resultados sugerem que, ao menos devido a efeitos meramente locais, mudanças na evaporação dão, para a regulagem da TSM, uma contribuição quase uma ordem de magnitude superior à das alterações no balanço radiativo; 4) Parte da similaridade entre os balanços radiativos das três simulações se deve ao fato de que mais nuvens se formaram em baixos e médios níveis nas simulações com valores menores de TSM. Tal mecanismo, aparentemente, é similar ao encontrado no regime de transição entre stratocumulus e cumulus, em que uma maior cobertura de nuvens ocorre sobre águas mais frias; 5) Estudos adicionais, preferencialmente usando-se um modelo acoplado oceano-atmosfera devem ser efetuados, visando contribuir na construção de um modelo conceitual mais completo da regulagem da TSM em oceanos tropicais. 2727

9 AGRADECIMENTOS Esta pesquisa foi financiada pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e pela National Oceanic and Atmospheric Administration. REFERÊNCIAS ALEXANDER, G.D., COTTON, W.R. The use of cloud-resolving simulations of mesoscale convective systems to build a mesoscale parameterization scheme. J. Atmos. Sci., v.55, p , COSTA, A.A., COTTON, W.R., WALKO, R.L., PIELKE, R.A., JIANG, H. SST sensitivities in multi-day TOGA-COARE simulations. J. Atmos. Sci. Aceito, FU, R., DEL GENIO, A.D., ROSSOW, W.B., LIU, W.T. Cirrus-cloud thermostat for tropical sea surface temperatures tested using satellite data. Nature, v.358, p , GRABOWSKI, W.W., MONCRIEFF, M.W., KIEHL, J.T. Long-term behavior of precipitating tropical cloud systems: A numerical study. Q. J. R. Meteor. Soc., v.122, p , 1996b. GRABOWSKI, W.W., WU, X., MONCRIEFF, M.W. Cloud resolving modeling of tropical cloud systems during Phase III of GATE. Part I: Two-dimensional experiments. J. Atmos. Sci., v.53, p , 1996b. KRUEGER, S.K. Numerical simulation of tropical cumulus clouds and their interaction with the subcloud layer. J. Atmos. Sci., v.45, p , KRUEGER, S.K., MCLEAN, G.T., FU, Q. Numerical simulation of the stratus-tocumulus transition in the subtropical marine boundary layer. Part I: Boundarylayer structure. J. Atmos. Sci., v.52, p , KRUEGER, S.K. Intercomparison of multi-day simulations of convection during TOGA-COARE with several cloud-resolving models. In: PREPRINTS, 22 nd CONFERENCE ON HURRICANES AND TROPICAL METEOROLOGY, May, Fort Collins, CO, Amer. Meteor. Soc., p.63-64, KRUEGER, S.K., LAZARUS, S.M. Intercomparison of multi-day simulations of convection during TOGA-COARE with several cloud-resolving and singlecolumn models. In: PREPRINTS, 23 RD CONFERENCE ON HURRICANES AND TROPICAL METEOROLOGY, January, Dallas, TX, Amer. Meteor. Soc., p , LI, X, SUI, C.-H., LAU, K.-M., CHOU, M.-D. Large-scale forcing and cloudradiation interaction in the tropical deep convective regime. J. Atmos. Sci., v.56, p , LIU, C., MONCRIEFF, M.M. A numerical study of the diurnal cycle of tropical oceanic convection. J. Atmos. Sci., v.55, p ,

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