CONEXÃO DA CIRCULAÇÃO DE GRANDE ESCALA COM O VENTO LOCAL E OS FLUXOS NA SUPERFÍCIE DE UM VALE RESUMO

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1 CONEXÃO DA CIRCULAÇÃO DE GRANDE ESCALA COM O VENTO LOCAL E OS FLUXOS NA SUPERFÍCIE DE UM VALE Daniel Pires Bitencourt 1 e Otávio Costa Acevedo 2 RESUMO A situação sinótica é analisada para doze dias selecionados da campanha EXPANTAS-2005, para os quais foi feita uma avaliação da circulação local e da troca de fluxos entre o rio e a atmosfera no Vale do Rio da Prata. Avaliou-se os campos sinóticos médios, climatológicos e de anomalia da pressão ao nível médio do mar e altura geopotencial. Os resultados do confronto da direção e velocidade do escoamento de grande escala com a circulação local junto ao rio sugerem que há uma superposição das forçantes canalizada e térmica no interior do vale. ABSTRACT Synoptic conditions are analyzed for the twelve selected days from field experiment EXPANTAS For these days, local circulations and the river surface fluxes were determined. The analysis comprises mean synoptic, climatological and anomaly fields of mean sea level pressure and geopotential height. The comparison between wind fields within the valley to synoptic conditions indicates that valley circulations are controlled by a superposition between two types of forcings: valley channeling and thermally induced flow. Palavras-Chave: vento sinótico; circulação local, fluxos INTRODUÇÃO O padrão de circulação local de determinada região apresenta-se claramente controlado pela forçante térmica quando as circulações de grande escala não são significativas. Ou seja, quando há ausência de sistemas meteorológicos de escala sinótica, os efeitos de mesoescala e micrometeorológicos são melhor identificados. No entanto, a conexão entre a circulação de grande escala com padrões localizados não deixa de existir, mesmo quando a circulação sinótica é fraca. O estudo dessas conexões é importante para o melhor entendimento de processos físicos localizados, tais como os observados no Vale do Rio da Prata, em Nova Roma do Sul RS. Os fluxos de superfície entre o rio e a atmosfera, medidos durante a campanha Experimental do Vale do Rio das Antas de 2005 EXPANTAS-2005 (ACEVEDO et al, 2005), podem ser fortemente influenciados pelos ventos locais e essa condição é intensificada para o caso de uma região altamente heterogênea, tal como é a região estudada. Os ventos locais, por outro lado, podem ser muito influenciados pelo escoamento de grande escala. Os vales da região de Nova Roma do Sul possuem uma topografia complexa que freqüentemente induzem circulações clássicas do tipo vale-montanha (ACEVEDO et al, 2002). As 1 FUNDACENTRO. R. Silva Jardim, 213, Prainha, Fpolis/SC. (48) daniel@fundacentro.sc.gov.br 2 UFSM. Av. Roraima, n Cid. Universitária, Bairro Camobí. Santa Maria/RS. acevedo@pesquisador.cnpq.br

2 várias orientações do vale ao longo do rio contribuem para a ocorrência de aquecimento diferencial ao longo das encostas (WHITEMAN, 1989; COLETTE et al., 2003). O desenvolvimento de nevoeiro na base do vale e sua dissipação diferencial depois do nascer do sol também podem aumentar o gradiente de temperatura horizontal no início da manhã (KALTHOFF et al., 1998). Todos estes aspectos podem ser importantes para as circulações locais e podem causar uma influência sobre o tipo de massa de ar que está sendo transportada pela circulação principal, afetando, dessa forma, os fluxos locais. DEFONT (1951) fez os primeiros estudos sobre as circulações de vale montanha. WHITEMAN (1982) mostrou que, em um vale profundo e estreito no oeste do Colorado, os ventos noturnos de superfície escoam vale abaixo e, depois do nascer do sol, desenvolve-se uma camada de ventos acima da superfície, soprando vale acima. Essa situação tem uma forçante térmica e está associada com circulações clássicas de vale (WHITEMAN, 2000). A partir da década de 80 algumas pesquisas tem sido direcionadas à associação das circulações clássicas de vale-montanha, termicamente induzidas, com o escoamento sinótico (BANTA e COTTON, 1981 e BANTA, 1984). A relação do escoamento em escala sinótica e os ventos dentro de um vale foi estudada sob o enfoque climatológico e com o uso de um modelo numérico atmosférico por WHITEMAN e DORAN (1993). Os autores mostraram que a existência de circulação forçada termicamente sobre qualquer vale depende da magnitude dos ventos sinóticos de grande escala. Por exemplo, no caso de vales abertos e rasos, ocorrem transporte de momentum para baixo, causando ventos de vale alinhados a forçante sinótica. Ventos canalizados também podem ocorrer dentro do vale e, nesse caso, a circulação ocorre tanto vale acima como vale abaixo, dependendo da direção dos ventos de grande escala. Essa condição foi observada por WEIGEL e ROTACH (2004) com dados coletados no Mesoscale Alpine Program-Riviera Valley (MAP-Riviera), no sul da Suíça, em outono de Neste estudo é feito uma avaliação do vento sinótico através do uso dos dados da reanálise do NCEP/NCAR, associando os resultados dessa avaliação com as características de circulação locais observadas durante a campanha EXPANTAS-2005 realizada pela Universidade Federal de Santa Maria na região de Nova Roma do Sul RS. Com isso será possível interpretar as observações de fluxos entre a superfície e a atmosfera conduzidas durante a campanha (ACEVEDO et al., 2005), se identificando a porção superficial de onde se originam os fluxos observados na torre micrometeorológica. DADOS E METODOLOGIA A avaliação sinótica é feita através dos campos médios, climatológicos e de anomalia de pressão ao nível médio do mar e altura geopotencial, exclusivamente para os dias selecionados para análise da circulação local e dos fluxos em superfície, junto ao Rio da Prata. Os doze dias

3 selecionados são 13, 14, 17, 28, 29, 30 e 31 de maio e 02, 03, 04, 05 e 06 de junho de O período completo da campanha EXPANTAS 2005 compreende os dias de 20 de abril até 09 de junho de Faz-se também avaliações estatísticas da direção e velocidade do vento em 10 metros para a localidade de Nova Roma do Sul, latitude de 29,02 S e longitude de 51,44 W, para os mesmos dias selecionados, nos quatro horários sinóticos, 00, 06, 12 e 18 UTC. Os dados para essas avaliações, disponível em são obtidos da reanálise do NCEP/NCAR que recupera dados meteorológicos de superfície em terra, navio, radiossonda, aeronaves, satélites e outros, controlando a qualidade e assimilando-os com o mesmo sistema de assimilação de dados desde 1957 (KALNAY, E. et al, 1996). Também foi analisado, para cada dia selecionado, as imagens do satélite GOES-12 das 00 e 12 UTC, no canal infravermelho. As observações de vento junto ao Rio da Prata foram conduzidas próximos a cidade de Nova Roma do Sul, na região montanhosa da Serra Geral, na região Sul do Brasil, com intervalos topográficos de 400 a 600 metros acima do nível médio do mar. No local das observações, o Rio da Prata possui profundidade média de 8 metros, largura de aproximadamente 60 metros e flui a uma velocidade aproximada de 1,5 m/s, de oeste para leste. As encostas do vale, cobertas em sua maior parte por Mata Atlântica, são bastante íngremes e iniciam imediatamente na margem do rio. O vale nesse local tem largura aproximada de 150 a 200 metros. A torre micrometeorológica foi montada em uma pedra junto ao rio, na margem sul. As medidas de lenta resposta, que inclui a direção e velocidade do vento, foram efetuadas a 6 metros do nível do rio. Essas medidas foram plotadas e confrontadas, através de gráficos, com a direção e velocidade do vento de grande escala, o qual foi interpolado dos horários sinóticos para todos os horários do dia. PADRÕES DE ESCALA SINÓTICA Durante os dias selecionados para análise da circulação local e de fluxo junto ao rio, a situação sinótica na baixa, média e alta troposfera apresentou-se com padrões semelhantes. Em geral, houve a presença de um sistema frontal semi-estacionário entre o Uruguai e extremo sul do RS. De acordo com cálculo da distribuição de freqüência da direção do vento em 10 metros, essa situação favoreceu vento predominante do quadrante norte. Em 65 % dos casos o vento soprou de norte e em 20 % dos casos o vento soprou de nordeste ou noroeste. A velocidade média do vento em 10 metros mostrou-se mais intensa nos horários noturnos. Os valores médios foram 3,31 m/s as 00 UTC, 3,39 m/s as 06 UTC, 3,01 m/s as 12 UTC e 2,96 m/s as 18 UTC. Eventualmente ocorreram ciclogêneses sobre o Oceano Atlântico, na altura do litoral sul gaúcho com rápido deslocamento para alto mar. Essas análises foram feitas através das imagens do satélite GOES-12, canal infra-vermelho, para os horários das 00 e 12 UTC e também através dos

4 campos das 00, 06, 12 e 18 UTC de pressão ao nível médio do mar e altura geopotencial dos níveis de 500 e 200 hpa. A Fig. 1 mostra os campos médios, climatológicos e de anomalia dessas variáveis, calculados exclusivamente para os dias selecionados. (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) (i) Figura 1 Campo médio, climatológico e de anomalia da altura geopotencial em altos [(a), (b) e (c)] e médios [(d), (e) e (f)] níveis e de pressão ao nível médio do mar [(g), (h) e (i)], obtidos exclusivamente dos dias selecionados para avaliação dos fluxos. O campo médio da pressão ao nível médio do mar (Fig. 1 (g)) mostra claramente a situação predominante em superfície de sistemas frontais semi-estacionários entre o Uruguai e extremo sul do estado do Rio Grande do Sul, durante os dias selecionados, com ventos predominantes de norte na região de Nova Roma do Sul, devido a presença da alta pressão no Oceano Atlântico, com centro em aproximadamente 31 S e 25 W. A avaliação dos campos médios da altura geopotencial na alta e média troposfera (Fig. 1 (a) e (d)) confirma a localização mais freqüente dos sistemas frontais em superfície, de acordo com a posição do cavado entre 80 e 90 W. A climatologia diária dos dias selecionados da pressão ao nível médio do mar (Fig. 1 (h)) mostra uma situação muito próxima do observado em superfície, resultando em um campo de anomalia para essa variável (Fig. 1 (i))

5 praticamente nulo na região Sul do Brasil. Os campos climatológicos da altura geopotencial (Fig. 1 (b) e (e)), devido a grande variabilidade dinâmica dos padrões atmosféricos em altitude, mostram escoamento praticamente zonal na alta e média troposfera. Os campos de anomalia resultantes (Fig. 1 (c) e (f)) mostram desvios pouco mais significativos em relação a climatologia durante os dias selecionados somente em altas latitudes. Na faixa subtropical, que inclui a região de Nova Roma do Sul, a anomalia da altura geopotencial é pequena tanto na alta como na média troposfera. Esses resultados justificam a predominância do escoamento de grande escala do quadrante norte, situação que canaliza o escoamento dentro do vale, favorecendo circulação local vale abaixo no ponto das medidas micrometeorológicas. E, além disso, a análise de grande escala sugere que os dias selecionados para análise da circulação local e troca de fluxos na superfície do Vale do Rio da Prata não apresentam fortes anomalias nos campos sinóticos. Ou seja, a condição micrometeorológica observada junto a superfície do rio não é extrema e, pelo menos para esta época do ano, se mostra como uma condição bastante normal. CONEXÃO DO ESCOAMENTO SINÓTICO COM A CIRCULAÇÃO DO VALE A predominância do vento sinótico do quadrante norte pode caracterizar uma situação de vento canalizado dentro do vale. Na Fig. 2 (a) foi confrontado os dados de vento em 1000 hpa, nos quatro horários sinóticos, para os 12 dias selecionados, com os dados de direção e velocidade do vento medido na torre micrometeorológica junto ao Rio da Prata. Percebe-se através desse gráfico que a direção do vento local imediatamente sobre a superfície do rio mostra a situação de vale canalizado, com ocorrência preferencial de noroeste, representando circulação vale abaixo (oeste para leste), com uma componente encosta acima (norte para sul). A inversão desse padrão depois do nascer do sol coincide com o enfraquecimento do vento sinótico nos horários diurnos, quando a velocidade do vento sinótico é menor que 2 m/s. Esse resultado sugere que não há uma canalização puramente forçada e que existem forçantes térmicas durante o dia, pois o vento local sopra vale acima somente durante o dia, mesmo que nos horários noturnos o vento sinótico também tenha sido verificado com fraca intensidade. A inversão do vento medido junto ao rio, passando a soprar vale acima, ocorre também quando a forçante de larga escala adquire uma componente negativa, soprando das direções entre 80 e 170, conforme podemos verificar na Fig. 2 (b).

6 (a) (b) Figura 2 - Vento médio observado na torre do rio, como uma função do (a) tempo e magnitude do vento sinótico e do (b) tempo e direção do vento sinótico. As áreas coloridas representam casos de vento local vale acima. A escala dos vetores é mostrada no canto superior direito. Esses resultados sugerem que uma superposição das forçantes canalizada e térmica controlam a circulação local. Portanto, o vento local não é puramente canalizado pois, caso isso fosse verdade, os ventos noturnos soprariam vale acima quando o escoamento de larga escala apresentasse uma componente similar (vento sinótico de 90 na Fig. 2 (b)). Por outro lado, não pode-se considerar uma circulação apenas forçada termicamente, uma vez que os ventos locais sopram vale acima somente depois do nascer do sol, quando o vento sinótico tem uma direção similar ou é muito fraco. Aparentemente, podemos resumir as circulações observadas sobre o rio pelo que segue: durante a noite, a forçante térmica determina os ventos vale abaixo e, durante o dia, a canalização forçada tende a ocorrer, com os ventos do vale alinhados a forçante sinótica, a menos que essa forçante seja fraca o suficiente. Nesse caso, a forçante térmica prevalece durante o período diurno. CONSIDERAÇÕES FINAIS Os campos médios de pressão ao nível médio do mar e altura geopotencial justificaram a predominância do escoamento de grande escala do quadrante norte na região de Nova Roma do Sul. A avaliação dos campos de climatologia diária e, especialmente, de anomalia sugerem que os dias selecionados não apresentam condição micrometeorológica extrema e que, pelo menos para esta época do ano, as condições de vento local e de fluxo observadas na superfície do Vale do Rio da Prata são bastante normais. Os ventos em escala sinótica, quando confrontados com a circulação local na superfície do rio, apontam para uma superposição das forçantes canalizadas e térmica. Durante o período noturno, a forçante térmica determina uma circulação local vale abaixo, coincidentes com as circulações

7 clássicas apresentadas por WHITEMAN (2000). Durante o dia, a forçante canalizada através do escoamento sinótico tende a ocorrer, com os ventos locais do vale alinhados com a circulação de grande escala. Essa situação não se verifica somente para os casos de em que o vento sinótico é fraco, prevalecendo a forçante térmica no período noturno. Uma estação meteorológica padrão está em operação no fundo do vale desde agosto de Com isso se poderá obter uma climatologia mais robusta e será possível identificar como os padrões de circulação observados são afetados por padrões sinóticos mais intensos ou configurações diferentes das observadas durante o período da campanha observacional. REFERÊNCIAS BILBIOGRÁFICAS ACEVEDO, O. C. et al. EXPANTAS 2005: Experimento de observações das transferências entre a superfície e a atmosfera na região do Rio das Antas. In: IV WORKSHOP BRASILEIRO DE MICROMETEOROLOGIA, 4, 2005, Santa Maria: Revista Ciência e Natura, p ACEVEDO, O. C.; MORAES, O.; SILVA, R. Turbulence obsevations at the edge of a cliff. In: 15TH SYMP ON BOUNDARY LAYER AND TURBULENCE, 15, Netherlands. Wageningen: Amer. Meteor. Soc., p BANTA, R. M.. Daytime Boundary-Layer Evolution over Mountainous Terrain. Part 1: Observations of the Dry Circulations. Monthly Weather Review, v. 112, n. 2, p , BANTA, R.; COTTON, W. R.. An Analysis of the Structure of Local Wind Systems in a Broad Mountain Basin. Journal Of Applied Meteorology, v. 20, n. 11, p , COLETTE, A.; CHOW, F. K.; STREET, R. L.. A numerical study of inversion-layer breakup and the effects of topographic shading in idealized valleys, Journal Of Applied Meteorology, v. 42, p , DEFONT, F., 1951: Local Winds. In Compendium of Meteorology (T. F. Malone, Ed.), American Meteorology Society, Boston, KALNAY, E. et al. The NCEP/NCAR 40-Year Reanalysis Project. Bulletin Of The American Meteorological Society, v. 77, p , KALTHOFF, N. et al. Temporal evolution and spatial variation of the boundary layer over complex terrain. Atmospheric Environment, v. 32, n. 7, p , WEIGEL, A. P.; ROTACH, M. W.. Flow structure and turbulence characteristics of the daytime atmosphere in a steep and narrow Alpine valley. Quarterly Journal Of The Royal Meteorological Society, v. 130, n. 602, p , WHITEMAN, C. D.. Breakup of Temperature Inversions in Deep Mountain Valleys: Part I. Observations. Journal of Applied Meteorology, v. 21, n. 3, p , WHITEMAN, C. D.. Morning transition tracer experiments in a deep narrow valley. Journal of Applied Meteorology, v. 28, p , WHITEMAN, C. D.. Mountain Meteorology: Fundamentals and Applications. New York and Oxford: Oxford University Press, p. WHITEMAN, C. D.; DORAN, J. Christopher. The Relationship between Overlying Synoptic-Scale Flows and Winds within a Valley. Journal Of Applied Meteorology, v. 32, n. 11, p , 1993.