XII Congresso Brasileiro de Meteorologia, Foz de Iguaçu-PR, 2002

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1 OSCILAÇÕES INTRASAZONAIS SOBRE O SUDESTE BRASILEIRO UTILIZANDO-SE A ANÁLISE DA TRANSFORMADA WAVELET ABSTRACT Maria Isabel Vitorino (1); Nelson Jesus Ferreira (2) e Gannabathula S.S.D. Prasad (2) Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais INPE Av.dos Astronautas 1758, São José dos Campos SP (1) Aluna de Pós-Graduação INPE isabel@cptec.inpe.br (2) Pesquisadores - INPE The objective of this study is evaluate the intraseasonal atmospheric variability over southeastern Brazil, specifically along the South Atlantic Convergence Zone (SACZ). The analyses were done using outgoing longwave radiation data and relative vorticity at 850 and 250 hpa levels through the NCEP/NCAR (National Centers for Environmental Predictions/ National Center for Atmospheric Research) data for the January1979-December1996 period. The analyses were done using morlet wavelet transform. The spectral wavelet analysis shows that the SACZ can be modulated by oscillations of 45, 25, 15 and 7 days scales. Also, during El Niño and La Niña years it was not observed any significative relationship involving that convergence zone and the mentioned oscillations INTRODUÇÃO O sudeste do Brasil é uma região de grande importância no desenvolvimento sócio-econômico do país, portanto, existe um grande interesse no entendimento dos fenômenos meteorológicos que atuam naquela região. Neste contexto, os sistemas atmosféricos mais intensos, causadores de precipitação, ocorrem principalmente no período de primavera, verão e inicio de outono (Kousky, 1988), e a Zona de Convergência do Atlântico Sul (ZCAS) (Kodama, 1992) é o principal sistema meteorológico precipitante, causador de muitas enchentes e transtornos sociais (Silva Dias et al., 1988, 1991). Diversos estudos tem indicado que as oscilações de dias (Madden e Julian, OMJ) podem influenciar a posição e intensidade da ZCAS (Casarin e Kousky, 1986; Silva Dias et al., 1988; Kousky e Calvacanti, 1988; Kalnay et al., 1986; Kousky e Kayano, 1994; Grimm e Silva Dias, 1995b). Recentemente, Liebmann et al. (1999), Marton, (2000), Ferraz (2000) e Obregon (2001) evidenciaram que as oscilações de freqüências mais altas do que OMJ também são relevantes no processo de convecção dessa zona de convergência. O fato da ZCAS sofrer influencias de várias oscilações, evidencia-se a necessidade prática e científica de aprimorar o seu conhecimento, buscando principalmente a caracterização dessas escalas e das interações associadas. Com o intuito de contribuir para esta problemática, este trabalho enfoca as possíveis oscilações existentes na variabilidade intrasazonal da ZCAS, analisando-se dados de radiação de onda longa emergente (ROLE) e de vorticidade relativa em 850 e 250 hpa sobre o sudeste do Brasil. Para isto, será utilizada uma ferramenta de análise, denominada de Transformada Wavelet (TW) (Weng e Lau, 1994), ainda pouca utilizada nos estudos meteorológicos de escala sinótica. Este método é indicado para análise de sinais que contenha energia não-estacionária em diferentes freqüências (Daubechies, 1990) MATERIAIS E MÉTODOS Foram utilizados dados diários de ROLE e da componente zonal e meridional do vento para os níveis de 850 e 250 hpa, obtidos das reanálises do National Centers for Environmental Prediction (NCEP/NCAR) em pontos de grade regular de 2,5 x 2,5 de latitude e longitude, para o período de janeiro 645

2 de 1979 a dezembro de Os dados de ROLE são usados como indicador de chuva e nebulosidade, especialmente em regiões tropicais (Kousky, 1988). Inicialmente foi calculado a vorticidade relativa para os níveis de 850 e 250 hpa para a área de 80 W a 20 W e 30 S a 10 S. Em seguida, foi gerada a média da área (região sudeste do Brasil) entre as longitudes de 50 W a 40 W e latitudes de 25 S a 15 S para vorticidade e ROLE. A partir das séries temporais obtidas, foram calculadas as anomalias diárias para cada variável. Esta área foi selecionada por representar a região de atuação da ZCAS no período de verão (dezembro, janeiro e fevereiro), bem como dos distúrbios transientes que se deslocam na direção equatorial ao longo do ano. As séries temporais de anomalias de ROLE e de vorticidade em 850 e 250 hpa foram utilizadas na aplicação da análise da TW. A TW é um método matemático poderoso de análise que se baseia na teoria de grupos e nas funções quadraticamente integráveis, permitindo decompor um sinal dependente do tempo em ambos tempo e escala (Weng e Lau, 1994; Torrence e Compo, 1998). A TW analisa um sinal f(t) L 2 ( R) em cada instante t sobre um intervalo de escala a. Segundo Daubechies (1992) o coeficiente da TW é definida pela expressão: + 1 t b ( W ψ f )( a, b) = f ( t) ψ dt, a 0 R, b R. a a Os parâmetros a e b são responsáveis pela dilatação e translação da função, respectivamente. A dilatação (a) atua no tamanho e na amplitude das wavelets e a translação (b) implica na localização temporal. A função wavelet Morlet foi utilizada por ser a mais adequada para captar variações de sinais geofísicos (Weng e Lau, 1994; Breaker et al., 2001). Esta função ondeleta, consiste de uma onda plana modulada por uma Gaussiana. O espectro de energia da ondeleta pode ser calculado da seguinte forma (Breaker et al., 2001): W ( a, b) = W f ( a, b) 2 ψ Alguns estudos tem aplicado a análise da TW na detecção de freqüências de fenômenos atmosféricos transientes, como por exemplo os trabalhos de Weng e Lau (1994), Gu e Philander (1995), Torrence e Compo (1998), Fournier (2000), Breaker et al. (2001) entre outros. Neste método de análise de escala de tempo, foram selecionados apenas os períodos de 2 a 90 dias, que foi classificado em cinco bandas: de 2-10 dias, dias, dias, dias e de dias. As bandas de e de dias foram consideradas de baixa freqüência e as demais de alta freqüência. A banda de dias pode está relacionada à ocorrência das variações sazonais, principalmente nos meses de verão. A banda de dias está associada com a OMJ, que é a principal oscilação intrasazonal na região tropical. As bandas de e dias são consideradas bandas intermediárias e de grande relevância na modulação da ZCAS (Kiladis e Weickmann, 1992 a; Figueroa, 1997; D'Almeida, 1997; Liebmann et al., 1999; Nogués-Paegle e Mo, 2000 e Marton, 2000). No caso da banda de alta freqüência, de 2-10 dias, assume-se que ela está associada aos distúrbios transientes. 3.-RESULTADOS Os resultados abaixo, apresentados a partir dos espectros de wavelet, indicam as possíveis oscilações intrasazonais identificadas através da análise de wavelet, registradas nos dados diários de ROLE e de vorticidade 646

3 relativa em 850 e 250 hpa para a região sudeste do Brasil. A figura apresenta o espectro de ondeleta global para ROLE (a) e vorticidade em 850, e 250 hpa (b) para a região sudeste. O eixo x apresenta os valores de energia para ROLE em W2m-4 (a) e para vorticidade em s-4 (b), e no eixo y as escalas tempo, obtidas pela wavelet, variam de 2 a 90 dias. (a) (b) Figura 3.1.1: Espectro de wavelet global de ROLE (a) e de vorticidade relativa em 850 ( o ) e 250 hpa (-- --) (b) para a região sudeste no período de 1979 a O espectro de wavelet global de ROLE (fig.3.1.1a) indica a presença de quatro escalas de tempo dominantes no período de 1979 a 1996 sobre a região sudeste. A banda de dias (OMJ), com pico de energia em 45 dias, a banda de 20-30, um pico de energia em torno de 25 dias, a banda de 10-20, tem um máximo em 15 e outro em 10 dias. Estas oscilações representam as escalas de tempo que mais variam nesta região e são representativas de todo o período de estudo. Mas, como a variável ROLE é mais significativa nos meses de verão, devido a maior atividade convectiva sobre a região, podemos assumir que estas escalas sejam mais relevantes para os meses de verão. Estes resultados concordam com alguns trabalho, como por exemplo Kousky e Kayano (1994), que através de estudo observacional, mostraram que a OMJ modula a convecção e a precipitação da ZCAS. Paegle et al., 2000 observaram oscilações com períodos de dias (modos 40 dias) e dias (modo 22 dias). Segundo Liebmann et al. (1999) e Figueroa (1997) as oscilações intrasazonais inferiores a um mês favorecem a ZCAS e são influenciadas por trens de ondas extratropicais, os quais são originados das proximidades da Nova Zelândia e sudeste da Austrália. Os espectros de wavelet para vorticidade em 850 e 250 hpa mostrados na figura (b) indicam que as escalas de tempo dominantes em baixos e altos níveis são semelhantes em média. A banda de 2-10 dias apresenta um pico de energia em 850 e 250 hpa em torno de 8 dias. A banda de dias apresenta um pico de 18 dias em 850 hpa e outro de 16 dias em 250 hpa. Na banda de dias observa-se um pico de 28 dias em 850 hpa e um pico em 23 dias em 250 hpa. No caso da banda de dias nota-se um pico de 35 dias em 250 hpa. Vale ressaltar que nas bandas de 10-20, e dias os picos de energia são mais intensos em 250 hpa do que em 850 hpa. Possivelmente isto pode ser explicado pela atuação de um número maior de cavados e cristas nos altos níveis nos meses de inverno naquela região. Em geral, os resultados encontrados para vorticidade relativa em 250 hpa são semelhantes aos encontrados em Figueroa (1997), que identificou através das funções ortogonais empíricas, padrões atmosféricos nas bandas de (22 dias) e dias (41 dias) associados a ZCAS. As análises espectrais anuais de ROLE e de vorticidade relativa em 850, e 250 hpa são mostradas nas figuras a Esta análise tem por objetivo verificar se existe dependência sazonal do sinal nas oscilações intrasazonais. O eixo x das figuras indica o tempo, em meses, e o eixo y mostra as escalas de tempo obtidas pela wavelet. 647

4 A figura mostra que os máximos estão associados com as escalas intrasazonais nos meses de primavera, verão e outono, período em que ocorre episódios de ZCAS (Quadro, 1994). Pode ser notado na banda de dias um máximo de energia nos meses de janeiro a março, com máximo no mês de fevereiro em torno de 50 dias. Madden e Julian (1994) observou que estas oscilações são mais intensas nos meses de dezembro e fevereiro, e menos intensa entre junho e agosto. No entanto, as bandas de 20-30, e 2-10 dias ocorrem de outubro a abril. Pode ser visto ainda nesta figura a interação de escalas, como por exemplo, um máximo na banda de dias em novembro interagindo com as escalas de 15 e 8 dias em dezembro, ou seja, escalas de maior freqüência interagindo no tempo com freqüências mais elevadas. Percebe-se que a variável ROLE por ser um indicador de convecção, durante os meses de inverno tem pouca visibilidade, entretanto, apresenta com destaque características das oscilações intrasazonais de verão na região da ZCAS. Figura 3.2.1: Espectro da wavelet de ROLE, calculado para a região sudeste no período de 1979 a As áreas hachuriadas de acordo com a barra de tons de cinza representam o grau de intensidade da energia. Nestas analises a variável ROLE foi utilizada como uma boa indicadora de convecção. Mas, segundo Ferraz (2000) em seu estudo sobre variabilidade intrasazonal no sudeste brasileiro, utilizando dados de ROLE e de precipitação observada, encontrou-se algumas discrepâncias entre os dados de ROLE e de precipitação, sob um ponto de vista temporal e espacial. Ele mostrou que as anomalias positivas e negativas de ROLE não apresentaram uma perfeita relação linear com as anomalias positivas e negativas de chuva. A figura mostra o comportamento das oscilações intrasazonais em baixos níveis, através do espectro de energia anual de vorticidade em 850 hpa. Pode ser notado nesta figura um máximo em torno de 65 dias nos meses de dezembro e janeiro. Outros máximos são observados nas bandas de altas freqüências, mais concentrados nos meses de primavera, verão e outono. Os máximos nas escalas de 10 e 8 dias nos meses outubro a dezembro pode estar relacionado à permanência dos sistemas frontais na região e ao aquecimento térmico local. Neste caso, nos meses de inverno (junho, julho e agosto) as escalas apresentam alta freqüência, mas com menor energia com relação aos demais meses do ano. Provavelmente isto está associado à passagem de distúrbios transientes (sistemas frontais), que nesta época do ano deslocam sobre essa região. Para o verão, as escalas de tempo detectadas são semelhantes às obtidas por Liebmann et al. (1999) e Paegle et al. (2000), que estudaram as oscilações intrasazonais apenas nos meses de verão e com enfoque na ZCAS. Um destaque deste estudo com relação aos demais trabalhos, diz respeito a metodologia utilizada. Neste caso, é notório a habilidade do método da TW em localizar as escalas de tempo, apresentando resultados mais detalhados com relação a região da ZCAS. 648

5 Figura 3.2.2: idem a figura 3.2.1, exceto para vorticidade em 850 hpa. A figura mostra regiões com máximos de energia nas bandas de alta freqüência, de 2-10, de e de dias, nos meses de maio a agosto. Observa-se também que a OMJ aparece com um máximo em torno de 40 dias no mês de junho e julho. Isto parece está associado às fortes correntes de jato subtropical, que nos meses de inverno são mais intensas nesta região. Nos meses de verão as escalas de tempo são de menor intensidade, com relação ao inverno. No mês de novembro, nota-se um máximo de energia na banda de 20-30, na escala de 25 dias. Um outro máximo, aparece em março na escala de 15 dias. Durante os meses de dezembro a março, observa-se que a banda e 2-10 apresentam maior dominância, mas com menor intensidade de energia do que os meses de inverno. Figura 3.2.3: idem a figura 3.2.1, exceto para vorticidade em 250 hpa. A análise espectral para a região sudeste no período de 1979 a 1996 apresentada na figura (a-f), tem por objetivo principal mostrar a variabilidade temporal das oscilações, observadas no espectro de wavelet da variável ROLE. Esta análise será feita apenas para as escalas de tempo de 45, 25, 15 e 7 dias, devido à sua associação a ZCAS. Em geral, observa-se que as oscilações intrasazonais não apresentam um comportamento periódico. Assim, não existe um padrão dominante dessas oscilações, podendo variar de um ano para outro e de um mês para outro. Isto dificulta as análises e o estabelecimento de um modelo conceitual. 649

6 Inicialmente, observa-se que as maiores flutuações ocorrem nos meses de verão, outono e primavera. Analisando a figura (a-f), é notável que em alguns períodos a energia das escalas de 45, 25, 15 e 7 dias se destacam com relação a outros períodos. Isto é evidente no verão e outono de 1983 (fig.3.3.2b) com as escalas de 7, 15 e 25 dias; no verão de 84/85 com a escala de 45 dias; na primavera e verão de 85/86 (fig.3.3.2c) com as escalas de 25, 15 e 45 dias; e na primavera, verão e outono de 86/87 (fig.3.3.2c) com as escalas de 15 e 25 dias. Estes resultados concordam qualitativamente com os obtidos por Marton (2000), levando-se em conta as diferenças entre os conjuntos de dados e a metodologia empregada. Durante o período de estudo, a escala de 45 dias (OMJ) apresenta amplitude acentuada no verão de 84/85 (fig.3.3.2b-c), especificamente no mês de fevereiro/85. A escala de 25 dias apresenta maior amplitude em novembro de 1985 (fig.3.3.2c). No entanto, a escala de 15 dias mostra um pico máximo em dezembro de 1986 (fig.3.3.2c) e a escala de 7 dias apresenta uma maior amplitude em fevereiro de 1983 (fig.3.3.2b). Com relação aos anos de El Niño (EN), observou-se que não existe uma relação direta entre as oscilações intrasazonais e os episódios de EN. Por outro lado, nota-se que durante os EN de 82/83 (fig.3.3.2b) e 87/88 (fig.3.3.2c-d) a OMJ apresentou uma amplitude menor de energia em relação aos outros anos de El Niño (79/80, 86/87, 91/92, 92/93 e 94/95; Trenberth, 1997). No episódio de 82/83, as demais escalas de tempo se destacaram, nos meses de fevereiro a março/83. Para os anos de La Niña (LN), observa-se que em 84/85 (fig.3.3.2b-c) a escala de 45 dias (OMJ) se sobressai em relação aos demais anos, influenciando a convecção na região da ZCAS. Segundo Casarin e Kousky (1986) e Silva Dias et al. (1988, 1991) a ZCAS pode ser modulada pelas OMJ. Mas, durante o verão de 88/89 (La Niña) a OMJ apresenta amplitude quase nula. Assim, a atuação da OMJ na região da ZCAS independe dos efeitos atmosféricos dos anos extremos. Durante os anos normais (N) as oscilações apresentam-se de modo bastante variável. Na primavera de 85/86 a escala de 25 dias indica maior amplitude de todo o período de estudo. No ano de 83/84 a OMJ mostra amplitude quase nula. Esta variabilidade temporal das oscilações intrasazonais, tanto para anos extremos como para anos normais indica que não existe um padrão de oscilações dominante para ocorrência de ZCAS. Segundo Sanches (2002), durante os anos de EN pode ocorrer de 2 ou 3 casos, em anos de LN de 1, 2, 3, 4 ou 5 casos, e em anos N, 3 casos de ZCAS. Esta variabilidade temporal de ocorrência dos casos de ZCAS concordam em parte com esta análise, onde as oscilações intrasazonais associadas à ZCAS apresentam uma grande variação temporal, resultando no estudo obtido por Sanches (2002). D Almeida encontrou que em anos de EN não ocorrem influência significativa na estação chuvosa (verão) de São Paulo. 650

7 Figura : Espectro de energia de ROLE para o sudeste no período de 1979 a 1996, representado pelas escalas de 45 dias (linha preta), de 25 dias (linha azul), de 15 (linha verde) e de 7 dias (linha vermelha). O eixo x indica o valor da energia em W2m-4 e em y mostra o tempo (dias). 651

8 4.- CONCLUSÕES Concluí-se através das análises espectrais de wavelet que as oscilações intrasazonais influenciam a atividade convectiva na região da ZCAS. Entretanto, a amplitude destas oscilações variam distintamente de um verão para outro, de modo que não se pode indicar qual ou quais escalas de tempo estão sempre associadas à ocorrência da ZCAS. Embora, a escala de 45 dias (OMJ) seja considerada a principal moduladora da atmosfera tropical na escala de tempo intrasazonal, escalas de tempo com freqüências mais altas (25, 15 e 7 dias), mostram ter uma importância fundamental na atuação da ZCAS. Nos verões em que a escala de 45 dias esteve com pequena amplitude, as escalas de 25, 15 e 7 dias apresentaram maior amplitude de energia. Os resultados deste trabalho concordam em muitos aspectos com alguns estudos anteriores (Liebmann et al., 1999, Marton, 2000; D Almeida, 1997). O fato da grande variabilidade anual e interanual da OMJ não possuir nenhuma correspondência significativa com a ZCAS, principalmente em anos de El Niño e La Niña, gera dificuldades para um possível monitoramento da convecção na ZCAS, para fins de previsão de tempo. Agradecimentos Agradecemos ao Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos (CPTEC) pelo apoio. O segundo autor agradece ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico, Processo Número /96-0, pelo suporte. Os dados utilizados neste trabalho foram obtidos e produzidos pelo NOAA-CIRES, Climate Diagnostics Center, através da homepage REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Breaker, L.C., P. C. Liu e Torrence, C., Intraseasonal oscillations in sea surface temperature, wind stress, and sea level off the central California coast. Continental Shelf Research 21, Daubechies, I Ten Lectures on Wavelet. Society for Industrial and Applied Mathematics, Philadelphia, Pennsylvania,357p. D Almeida,C., Oscilações intrasazonais de Precipitação na Estação Chuvosa em São Paulo e Condições Atmosféricas Associadas. Dissertação de Mestrado. IAG/USP. São Paulo SP. Ferraz, S.E.T., Oscilações Intrasazonais no Sul e Sudeste do Brasil durante o verão. Dissertação de Mestrado. IAG/USP. São Paulo (SP). 157p. Figueroa, S.N.R., Estudo dos Sistemas de Circulação de Verão sobre a América do Sul e suas Simulações com Modelos Numéricos. Dissertação de Mestrado. INPE/SJC, São José dos Campos - SP. Fournier, A Introduction to Orthonormal Wavelet Analysis with Shift Invariance: Application to Observed Atmospheric Blocking Spatial Structure. J. Atmos. Sci,v.57, Grimm, A. M., e P.L. 1995b. Analysis of Tropical-Extratropical Interactions with Influence Functions of a Barotropic Model. J. Atmos.Sci.,52, Kodama, Y.M., Large-scale common features of sub-tropical precipitation zones (the Baiu Frontal Zone, the SPCZ, and the SACZ). Part I: characteristics of subtropical frontal zones. J.Meteor. Soc. Japan, 70, Kousky, V.E., Pentad outgoing longwave radiation climatology for the South American sector. Rev. Bras. Meteo.,3,

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