A dinâmica da pluma costeira da Lagoa dos Patos, Brasil

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1 A dinâmica da pluma costeira da Lagoa dos Patos, Brasil Wilian. C. Marques 1, Igor, O. Monteiro, Osmar. O. Möller & Elisa H. Fernandes 1 Laboratório de Oceanografia Física, Departamento de Física, Universidade Federal do Rio Grande, 475 Alfredo Huch, Caixa Postal 474, Rio Grande, RS, Brasil. wilian_marques@yahoo.com.br; igoromonteiro@yahoo.com.br; dfsomj@furg.br; dfsehf@yahoo.com.br RESUMO: Os processos dinâmicos que controlam a formação e o comportamento da pluma da Lagoa dos Patos foram investigados através de experimentos numéricos. Os resultados mostraram que ventos de nordeste contribuem para seu espalhamento em direção ao oceano e o transporte em direção ao sul. Ventos de sudeste contribuem para o aumento dos níveis na costa e para o transporte em direção ao sul. O efeito da maré é importante nos processos de mistura e intensificação do transporte em direção ao norte durante períodos de ventos fracos. A passagem de frentes meteorológicas é a principal responsável pelo transporte de sal no estuário, porém a intensidade da descarga e a inclinação dos ventos de sudeste podem não condicionar a salinização. A salinidade responde a ação dos ventos com um atraso de fase de 20º e a propagação do sal em direção à costa se manifesta como uma oscilação barotrópica. PALAVRAS-CHAVE: Descarga fluvial, plumas, plataforma interna, vento local, vento-não local. 1. INTRODUÇÃO A plataforma continental atua como um receptor final de água e materiais provenientes do continente, os quais são transportados pela descarga dos rios e estuários. A estrutura dinâmica resultante deste processo é uma massa de água flutuante com densidade inferior a das águas costeiras, chamada de pluma de rio. O encontro das águas continentais de baixa salinidade com as águas costeiras define regiões onde se observam altos gradientes de propriedades, as chamadas zonas de frente. A interação da água doce com os processos costeiros e o aporte de materiais podem contribuir para a manutenção de ambientes favoráveis a reprodução e desenvolvimento de espécies, sustentando padrões de transporte ou deposição de materiais. Diversos estudos apresentaram evidências da influência da descarga fluvial na intensificação das atividades biológicas e manutenção dos estoques pesqueiros em estuários e zonas costeiras [24]. A plataforma continental do Sul do Brasil (SBS), limitada pelas latitudes de 28 e 35 S (Figura 1), é uma região marcada pela presença de longas faixas de águas de baixa salinidade em regiões próximas à costa. Este padrão é o resultado da interação entre o aporte de água doce dos estuários do Rio da Prata, da Lagoa dos Patos e das correntes costeiras originadas no extremo sul do continente Sul-Americano. A descarga do rio da Prata, Lagoa dos Patos e a influência de processos de ressurgência de quebra de plataforma sustentam a alta biomassa de fitoplâncton encontrada na SBS [6], onde taxas anuais de produção primária em torno de 160 gcm -2 ano -1 foram observadas por Odebredcht e Garcia [31]. Estas condições ambientais contribuem para que a SBS seja considerada uma das mais importantes zonas pesqueiras da costa brasileira [4]. 1 CNPq Processo /2005-3

2 Estudos da dinâmica da pluma da Lagoa dos Patos são limitados a observações de campo e alguns resultados obtidos através de simulações numéricas. Hartmann e Silva [17] observaram a contribuição do vento na sua formação sob condições de baixa a moderada descarga, e mais recentemente, Zavialov et al. [38] monitoraram o comportamento da pluma sobre condições de alta descarga usando observações de salinidade e temperatura. A influência dos principais mecanismos de transporte sobre a descarga da Lagoa dos Patos foi analisada por Marques et al [26]. A contribuição isolada do efeito geostrófico, das marés e dos ventos foi investigada durante períodos de intensa descarga fluvial e ventos, homogêneos no espaço, com intensidade fraca a moderada por Marques et al. [27]. Estes resultados obtidos através de simulações numéricas mostraram a alta variabilidade dinâmica na formação e destino da pluma da Lagoa dos Patos durante condições diferenciadas de descarga, ventos e marés. Neste sentido, o objetivo deste trabalho é dar continuidade ao estudo dos processos dinâmicos que controlam a formação e o comportamento da pluma da Lagoa dos Patos durante um período de média e alta descarga no ano de 1998, através de experimentos de modelagem numérica. Figura 1: Plataforma continental do Sul do Brasil, Lagoa dos Patos e seus principais rios afluentes. 1.1 Aspectos físicos da área A Lagoa dos Patos é localizada no extremo Sul do Brasil, entre 30º e 32ºS e 50º e 52ºW, sendo conectada ao Oceano Atlântico por um único canal com cerca de 1 km de largura (Figura 1). Seus principais rios afluentes contribuem para uma descarga média anual de 2400 m³s -1 [35]. Seus rios respondem ao clima temperado apresentando grandes anomalias positivas de descarga fluvial em escalas interanuais que são associadas a eventos de El Niño Oscilação Sul [35; 25]. Esta região é influenciada em escalas sinóticas por sistemas atmosféricos que contribuem para uma circulação dominante de ventos de nordeste (NE) sudoeste (SW), que são favoráveis a eventos de ressurgência e subsidência na zona costeira, respectivamente. As marés na região são mistas com dominância diurna e seus efeitos estão restritos a zona costeira e porção estuarina da Lagoa dos Patos.

3 2. METODOLOGIA O modelo TELEMAC-2D foi utilizado para a realização de simulações bidimensionais na região de estudo. O TELEMAC é um modelo de elementos finitos desenvolvido pelo Laboratoire National d Hydraulique (EDF, France) para simular o fluxo em estuários e zonas costeiras. O modelo resolve as equações de Navier-Stokes considerando as variações locais na superfície livre do fluido, desprezando as variações de densidade na equação de conservação da massa, considerando a pressão hidrostática e aproximação de Boussinesq para resolver as equações do momento. Este modelo aplica a técnica de elementos finitos para resolver as equações hidrodinâmicas de forma a acompanhar os limites superficiais e de fundo. O modelo distingue fisicamente dois tipos de condições de contorno. As fronteiras fechadas, onde o modelo assume a impermeabilidade e o atrito, e as fronteiras abertas, onde o modelo assume a ocorrência de troca de massa. O estabelecimento das condições de contorno aberto representa uma das maiores dificuldades para a modelagem de regiões costeiras. Em algumas situações, como nos domínios costeiros, por exemplo, a informação necessária para descrever as condições de contorno pode não estar disponível. Neste caso o TELEMAC usa o método de Thompson para calcular os valores desejados. Por exemplo, pode-se obter a velocidade nos contornos desde que sejam prescritas as elevações da superfície do mar. A área de estudo foi definida entre 28ºS e 34ºS, com a fronteira oceânica limitada pela isóbata de 3000 m. A malha de elementos finitos resultante possui elementos (Figura 2). As simulações foram realizadas de 01 de janeiro a 01 de março de 1998 (ano de El Niño) e o modelo foi forçado no norte da Lagoa dos Patos com uma série temporal de descarga dos principais tributários (Figura 3) obtida na página da Agência Nacional de Águas (ANA) ( A intensidade e direção dos ventos utilizados para forçar os contornos superficiais do modelo foram obtidas na página da NOAA ( e prescritas como variáveis no tempo e no espaço. A amplitude e fase das componentes da maré (M1, N2, O1, S2, K1) prescrita na fronteira oceânica paralela à zona costeira é mostrada na Figura 4 e foram obtidas do modelo FES95.2 (Finite Element Solution). Figura 2: Malha de elementos finitos (17000 elementos). Ponto1 indica a posição onde foi removida uma série temporal de salinidade; Ponto 2 indica posição onde foram removidas séries temporais de salinidade, ventos e níveis de água.

4 Figura 3: Descarga fluvial dos principais rios afluentes no norte da Lagoa dos Patos. As setas indicam os instantes selecionados na discussão dos resultados. A B A Figura 4: Amplitude (a) e fase (b) das componentes da maré prescritas na fronteira oceânica. Foram analisadas séries temporais diárias de nível de água, salinidade e da componente meridional do vento fornecida como saídas do modelo hidrodinâmico nas posições mostradas na Figura 1. Com o objetivo de detectar os ciclos de variabilidade mais importantes e sua possível relação linear no domínio de freqüência, foi realizada a análise do espectro de potência e do espectro de coerência das variáveis. O espectro de potência foi obtido pela utilização de um algoritmo FFT (Fast Fourier Transform) sem a utilização de filtros, e os espectros de coerência foram obtidos pelo método descrito em [11] com a utilização de 8 janelas de Hanning com 50% de sobreposição. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO As plumas de rio sobre a plataforma continental podem produzir uma resposta na forma de um campo de pressão trapeado na costa [11] e que segue a mesma direção de propagação de fase das ondas de Kelvin (2; 21). Garvine [16] e O Donnel [32] mostraram que a pluma do rio Connecticut se espalha a partir da sua fonte sendo defletida na direção das ondas de Kelvin, para a direita no hemisfério norte devido à força de Coriolis e/ou corrente ao longo da costa. Nos resultados deste trabalho considerando somente a descarga fluvial, força de Coriolis e

5 efeitos dissipativos (Figura 5a), a pluma da Lagoa dos Patos se espalha lentamente sobre a plataforma, girando anticiclonicamente em direção ao norte, que é a direção de propagação de fase das ondas de Kelvin no hemisfério Sul. A ação das marés tende a produzir efeitos moduladores sobre as plumas de rios, contribuindo para os processos de mistura e reduzindo a estratificação induzida pelo vento (33; 34). Chao [8] mostrou que os efeitos da maré são importantes para o espalhamento da pluma transversalmente a costa. Os resultados da modelagem da pluma da Lagoa considerando os efeitos anteriores somados a contribuição da maré (Figura 5b) estão de acordo com o observado em Chao [8]. A pluma tende a se dispersar sobre a plataforma reduzindo o gradiente de salinidade transversal a plataforma. Além disso, a influência das correntes de maré também aumenta o deslocamento da pluma em direção ao norte. Soares [34] verificou o aumento no transporte em direção ao norte sobre a plataforma continental do Sul do Brasil devido à corrente residual produzida pela interação das marés com a topografia quando simulou a pluma do Rio da Prata sobre influência das marés. A B Figura 5: Resultados da simulação após 60 dias. Descarga fluvial (a), descarga fluvial e maré (b). Quando os efeitos das marés e dos ventos são incluídos simultaneamente, o comportamento da pluma da Lagoa é alternadamente controlado por cada uma das forçantes. No dia 21, a descarga fluvial é menor que 4000m³s -1 (Figura 3) e os ventos fracos de nordeste (Figura 6a) são dominantes. Nestas condições a descarga segue em direção ao sul se afastando da costa na sua porção mais ao sul (Figura 6b). Zhang et al. [39], Kourafalou et al. [21; 22] e Pritchard [33] observaram que a direção predominante dos ventos controla a maior parte do transporte ao longo da costa, afetando a direção e estrutura espacial da pluma. A orientação residual da pluma pode ser controlada pelos ventos dominantes e/ou pela variabilidade das correntes costeiras [39; 19]. Resultados de modelagem numérica demonstram que a pluma é advectada para longe da costa pelo transporte de Ekman transversal à costa induzido pelos ventos favoráveis a ressurgência [21; 14; 34]. A Figura 6d mostra resultados após 30 dias de simulação sobre condições de descarga fluvial pouco maior que 4000 m³s -1 (Figura 3) e ventos de intensidade baixa (Figura 6c), porém direcionados transversalmente a costa (ventos de sudeste). Estas condições de ventos geram um aumento nos níveis na zona costeira da ordem de 1 m (Figura 9), proporcionando o trapeamento das águas descarregadas pela Lagoa ao longo da costa, à redução na

6 estratificação horizontal e até algum refluxo de águas previamente exportadas para a zona costeira dentro do canal de acesso. Chao [7] observou que ventos transversais à costa em direção ao estuário aumentam os níveis de água retardando o transporte de Ekman próximo à costa e intensificando o fluxo estuarino que se opõe à circulação gravitacional. A B C D Figura 6: Resultados das simulações incluindo descarga fluvial, marés e ventos. Após 21 (a, b) e 30 (c, d) dias. Após 50 dias de simulação (figura 7b), a descarga fluvial é de aproximadamente 6000 m³s - 1 (figura 3) e os ventos são fracos e de sudeste (Figura 7a). O efeito de trapeamento das águas da Lagoa ocorre de maneira similar ao período anterior, porém o canal de acesso atua como uma barreira impedindo a introdução de águas no estuário devido à orientação dos ventos mais girados em direção ao leste. Neste período, a ação dos ventos gera um aumento nos níveis da ordem de 0.3 m junto à costa (Figura 9) induzindo um fraco transporte em direção ao sul. Nestas condições, o efeito das correntes de maré tem competência para induzir um transporte mais intenso em direção ao norte. Plumas na presença de correntes de maré ao

7 longo da costa podem sofrer alterações significativas durante um ciclo de vazante e enchente [23; 20]. Após 60 dias de simulação (Figura 7d), a descarga fluvial é de aproximadamente 5000 m³s - 1 (figura 3) e os ventos são moderados e de sudeste (Figura 7c). A orientação dos ventos deste período também não condiciona a introdução de água no estuário. Porém, a maior intensidade dos ventos gera aumentos nos níveis da ordem de 1 m (Figura 9) induzindo um transporte de Ekman em direção ao sul. O cisalhamento no campo de vento ao sul do canal de acesso contribui para o aumento no transporte que condiciona o alargamento da extremidade da pluma. Resultados apresentados aqui estão de acordo com [26; 27], indicando a descarga, os ventos e as marés como as mais importantes forçantes da circulação sobre a plataforma interna do Sul do Brasil. Estes estudos mostram a importância dos ventos de nordeste e sudoeste no transporte da águas da pluma da Lagoa ao longo da costa, porém, os resultados obtidos sugerem a importância dos ventos transversais à costa (ventos de sudeste), de intensidade moderada à forte, como contribuição para o espalhamento das águas em direção ao sul. A B C D Figura 7: Resultados das simulações de descarga fluvial, marés e ventos. Após 50 (a, b) e 60 dias (c, d).

8 A serie temporal da componente meridional do vento (Figura 8) indica a dominância de ventos do quadrante norte em ciclos de escala sinótica. Segundo Barros et al. [1] durante anos de El Nino ocorrem anomalias nos ventos de nordeste devido à intensificação da porção oeste do centro de alta pressão do Atlântico Sul. As séries temporais de níveis de água mostram ciclos com alta variabilidade temporal alcançando também de poucos dias a semanas (Figura 9). As séries temporais de salinidade (Figura 9) no canal de acesso e junto à zona costeira adjacente apresentam um padrão na forma de funções de impulso seguindo também ciclos com uma escala temporal da ordem de dias. O padrão do sinal de salinidade integrado que foi obtido neste trabalho mostra similaridade com o que já foi observado no canal de acesso com a utilização de termo-salinômetros para o ano de 2004 nas camadas de superfície e fundo [36]. Os espectros de potência das séries temporais de ventos (Figura 11) mostram picos confiáveis em escalas de 5 e 11 dias (8*10-1 e 2*10-2 cpd). Estes picos podem ser associados à passagem de sistemas meteorológicos sobre a região [9]. A ação dos ventos nestas escalas de tempo (3 a 16 dias) controla a maior parte dos processos dinâmicos na Lagoa dos Patos em curto período [28; 29; 30; 12; 3; 13]. O espectro de salinidade (Figura 12) mostra um ciclo de variabilidade bem definido em escala de 11 dias e o ciclo de 5 dias só mostra confiabilidade no sinal de salinidade da zona costeira. Figura 8: Série temporal da componente meridional do vento. Figura 9: Série temporal do nível de água na zona costeira. Figura 10: Series temporais de salinidade no canal de acesso e zona costeira.

9 O espectro de coerência entre os ventos e os sinais de salinidade (Figura 13a) indica que a ação dos ventos explica mais de 82% da variância dos sinais de salinidade em ciclos maiores que 10 dias. A combinação da ação local e não local dos ventos é o principal mecanismo de introdução de sal dentro do estuário [18; 28; 30; 12]. No entanto, a introdução e a propagação do sal dependem do gradiente de pressão gerado entre a zona costeira e a lagoa que resulta da ação local e não local dos ventos e intensidade da descarga fluvial [12;13]. De acordo com o observado nas simulações mostradas anteriormente a introdução do sal na Lagoa dos Patos pode também ser dependente da inclinação dos ventos com relação à orientação dos molhes na boca do estuário. Os diagramas de fase (Figura 13b) sugerem um atraso de fase de 20 graus na resposta do parâmetro de salinidade em relação à ação dos ventos na zona de máxima coerência. Os diagramas de fase na região do canal de acesso e na zona costeira mostram diferenças de fase que podem ser interpretadas pelo bombeamento de sal que propaga na forma de uma oscilação barotrópica em direção à costa. Na região de máxima coerência, os sinais de salinidade respondem a ação do vento com um atraso médio relativo de aproximadamente 40 graus. Figura 11: Espectro de potência da componente longitudinal dos ventos. Nível de 95% de confiança (linha preta vertical) A B Figura 12: Espectros de potência das series temporais de salinidade no canal (a) e na zona costeira (b). Nível de 95% de confiança (linha preta horizontal).

10 A B Figura 13: Espectro de coerência (a) e atraso de fase (b) entre as séries temporais de salinidade e a componente meridional dos ventos. Linha preta fina representa o espectro de coerência e o atraso de fase entre a salinidade do canal e os ventos. Linha pontilhada horizontal significa o nível de 95% de confiança. 4. CONCLUSÕES Os resultados obtidos neste trabalho através de simulações numéricas sugerem que os ventos atuam como mecanismo principal no controle do destino das águas descarregadas pela Lagoa dos Patos sobre a zona costeira. Ventos de nordeste contribuem para o transporte em direção ao sul e espalhamento da pluma em direção ao oceano. Ventos transversais à costa podem contribuir para o aumento dos níveis de água na zona costeira condicionando um transporte preferencial de águas em direção ao sul. Porém, a ação das marés atua como mecanismo modulador, contribuindo para os processos de mistura e para a intensificação do transporte em direção ao norte durante os períodos de menor intensidade dos ventos. A passagem de frentes meteorológicas na região é a principal forçante no bombeamento de águas marinhas em direção ao estuário, tendo na componente meridional do vento sua maior fonte de variabilidade. Porém, a intensidade da descarga fluvial e a direção predominante dos ventos (ventos de sudeste-leste) também são fatores que podem não condicionar a introdução das águas através do canal de acesso. A salinidade na plataforma interna e no canal de acesso responde a ação dos ventos com um atraso de aproximadamente 20 graus. E a diferença de fase entre a zona costeira e o canal de acesso sugere que o sal bombeado da costa em direção ao canal se propaga na forma uma oscilação barotrópica. 5. BIBLIOGRAFIA 1. BARROS, V. R.; GRIMM, A. M.; DOYLE, M. E. Relationship between temperature and circulation in shouteastern South America and its influence from El Niño and La Niña events. J. Meteorol. Soc. Jpn., 80, 21-32, BRINK, K. H. Coastal-trapped waves and wind-driven currents over the continental shelf. Annu. Rev. Fluid Mech. 23, , CASTELÃO, R. M.; MÖLLER, O. O. Sobre a circulação tridimensional forçada por ventos na Lagoa dos Patos. Atlântica 25(2):91-106, 2003.

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