Comparação das características dos sistemas convectivos observados na Amazônia e na África
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- Armando di Castro Stachinski
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1 Comparação das características dos sistemas convectivos observados na Amazônia e na África Henri Laurent (1) e Luiz Augusto T. Machado Centro Técnico Aeroespacial Instituto de Aeronáutica e Espaço Divisão de Ciências Atmosféricas São José dos Campos/SP - Brasil 1 Filiado ao IRD/LTHE, Grenoble, França Abstract Tropical convection tend to cluster into mesoscale convective systems that are responsible for the main vertical exchanges of energy in the tropical troposphere, and that account for most of the total rainfall. An automatic method, based in infrared images from geostationary satellites, has been used for tracking cloud clusters during their life cycle. Using full space and time resolution satellite data, we compare here the results obtained over the Amazonian region during the Wet season Atmospheric Mesoscale Campaign (WET AMC) of the Large scale Biosphere Atmosphere experiment in Amazonia (LBA), in January-February 1999, with the results obtained over the Sahel region in West Africa over ten years. The results on distribution, propagation and diurnal cycle of mesoscale convective cloud clusters allows for a preliminary discussion on the differences in the mesoscale convective systems organisations and the role of large scale circulations. RESUMO De uma forma geral, a convecção nas regiões tropicais se organiza em sistemas de mesoescala responsáveis pelos principais transportes verticais de energia na troposfera tropical e pela maior parte da chuva nessas regiões. Um método automático foi utilizado para acompanhar esses sistemas convectivos a partir das imagens de alta resolução de satélite geoestacionario. Esse estudo compara as características dos sistemas convectivos observados sobre a Amazônia durante o experimento WETAMC/LBA (Wet season Atmospheric Mesoscale Campaign of the Large scale Biosphere Atmosphere experiment) com as características dos sistemas convectivos observados na região Sahel na África de oeste durante a estação chuvosa. Os resultados da distribuição do número e tamanho, da propagação e do ciclo diurno dos sistemas convectivos são discutidos visando analisar as diferenças na organização da convecção e o papel da circulação de grande escala. 1. Introdução Os sistemas convectivos são importantes nas regiões tropicais pois são responsáveis pela maior parte da precipitação. Além disso, eles são os principais responsáveis pelas transferencias verticais de energia na troposfera tropical. Um método de identificação e acompanhamento dos sistemas convectivos foi utilizada para estudar suas características e seu ciclo de vida durante a campanha de medidas intensivas WET AMC (Wet season Amazon Mesoscale Campaign) do projeto LBA (Large scale Biosphere Atmosphere experiment), no meses de janeiro a fevereiro 1999 (Silva Dias et al., 00). O objetivo desse trabalho é apresentar os principais resultados e realizar uma comparação com os resultados obtidos com a mesma metodologia sobre uma outra região continental : a África de Oeste. Apresentaremos as diferencias e semelhanças das características dos sistemas convectivos (propagação, duração de vida, cobertura de nuvens, ciclo diurno) e o papel da circulação de grande escala.. Metodologia 3018
2 Os sistemas convectivos são detectados nas imagens do canal infravermelho (em torno de 1 µm) do satélite geoestationário GOES. Admite-se que nuvens com baixas temperaturas de brilho estão associadas a convecção profunda na região Amazônica. Essa hipótese é válida no acompanhamento dos sistemas convectivos tropicais durante todo o ciclo de vida, pois nas regiões tropicais mesmo os Cirrus, ao mesmo tempo altos e com uma grande emissividade (por isso com uma temperatura de brilho fria), são geralmente formados pela convecção profunda. Um limiar de temperatura de brilho identifica as bigornas de Cirrus que podem ter uma persistência maior do que a convecção profunda, isso significa que o acompanhamento dos sistemas convectivos inclui, também, a fase de dissipação, quando a convecção não é mais ativa. Nesse estudo dois limiares de temperatura de brilho foram usados : 35 K para identificar os sistemas convectivos (ou 33 K na África) e K (ou 13 K) para identificar as áreas de convecção mais intensa que podem existir dentro do sistema convectivo (células convectivas). Os dados utilizados neste estudo são basicamente imagens do satélite GOES em alta resolução temporal, em um intervalo de tempo de 30 minutos, e espacial com resolução em torno de km por km. Usando os limiares de temperatura de brilho já mencionados, detectou-se os sistemas convectivos em cada imagem e calculou-se as características morfológicas e radiativas, usando a metodologia apresentada por Machado et al. (1998). A fase seguinte foi o acompanhamento objetivo dos sistemas convectivos durante todo o ciclo de vida, usando o método desenvolvido por Mathon and Laurent (001) para estudar os sistemas convectivos na África com as imagens do satélite Meteosat. O método, limitado aos sistemas maiores que 5000 km, é baseado na superposição das áreas dos sistemas entre duas imagens consecutivas. A detecção e o acompanhamento de sistemas convectivos com duração muito pequena (1 h) só é possível com dados de alta resolução. Foi usado o conjunto de imagens GOES preparado pelo National Aeronautical Space Administration-Goddard Space Flight Center (NASA-GSFC) para o WETAMC/LBA. 3. Resultados Apresentamos neste trabalho resultados obtidos na Amazônia (no estado do Rondônia) para o período de 11/01/1999 ate 7/0/1999 sobre a região do experimento WET AMC/LBA, definida aqui por um área de 5 x 5 graus : latitude 8 S- 13 S, longitude 59.5 W-6.5 W. Os resultados mais detalhados encontram-se em Laurent et al. (00) e Machado et al. (00). Esses resultados são comparados com aqueles obtidos na África de Oeste entre 1990 e 1999 (Mathon and Laurent, 001, Mathon et al., 00). Mais precisamente trata-se da região Sahel e da área de medida de precipitação com alta resolução do experimento Hapex-Sahel (veja a localização na figura ). As duas regiões escolhidas são caracterizadas por uma forte atividade convectiva continental associada a um regime de monção. A Figura 1 apresenta uma visão geral da circulação atmosférica durante o período típico de monção : janeiro para a região sudeste da Amazônia, agosto para a região Sahel. O fluxo de monção é bem definido ao nível 95 hpa, orientado para o nordeste sobre a África de Oeste e para o sudoeste sobre a Amazônia. Esse fluxo de monção é ainda bem ativo ao nível 850 hpa sobre a Amazônia, embora na África, neste nível, o fluxo de monção é praticamente inexistente. Na África a espessura da camada do fluxo de monção é bem mais reduzida. Na troposfera média, observa-se ao nível 700 hpa um jato de leste sobre a África, centrado as N. Esse jato existe também ao norte da América do Sul, contudo, na média, este jato não alcança o sul da Amazônia. A área coberta pelo jato é bem maior na África. Na alta troposfera (00 hpa) observa-se a divergência do vento esperada acima dessas áreas convectivas, mas a circulação sobre a América do Sul é bem mais marcada pela circulação anticiclônica (alta da Bolívia). 3019
3 Figura 1. Vento médio (ms -1 ) nos níveis 95, 850, 700 e 00 hpa, no mês de janeiro sobre a região amazônica (esquerda), e no mês de agosto sobre a África de oeste (direita). Valores obtidos a partir dos dados de reanalise do NCEP/NCAP entre 1979 e
4 A convecção nas regiões tropicais, de uma forma geral, se organiza em sistemas de mesoescala. Contudo, as características desses sistemas (tamanho, duração de vida, propagação) são bem diferentes nas duas regiões continentais escolhidas. A figura mostra como a cobertura de nuvens convectivas se divide em relação á duração de vida dos sistemas convectivos. Existe uma relação entre a duração de vida e o tamanho de um sistema convectivo, então resultados semelhantes aos da figura podem ser extrapolados em função do tamanho (Laurent et al., 00). Os resultados da figura mostram que, no Sahel, a cobertura de nuvens convectivas é principalmente organizada em sistemas de grande duração de vida (> 1 h), mesmo para nuvens mais convectivas associadas a um topo muito frio (T < 13 K) observa-se esta característica. No sudeste da Amazônia (região de Rondônia), observase uma redução significativa na contribuição a área total de cobertura para sistemas com duração maior que 1 horas. Nota-se que nenhum sistema com topo muito frio (T < K) apresenta um ciclo de vida maior que 1 h. Deste fato conclui-se que sistemas com duração em torno de ate 1 horas são aqueles que tem o maior impacto na cobertura de nuvens e provavelmente na precipitação. cobertura (km /imagem) a) Amazonia 35 K K duração (h) cobertura (km /imagem) b) Sahel 33 K 13 K duração (h) Figura. Cobertura de nuvens convectivas dos sistemas convectivos de mesoescala em função da duração de vida dos mesmos : (a) limiares 35 K e K durante o WETAMC/LBA ; (b) limiares 33 K e 13 K no Sahel entre 1989 e O ciclo diurno da convecção também é totalmente diferente para as duas regiões. A figura 3 mostra o número de iniciações dos sistemas convectivos em função da hora local, a cobertura média dos sistemas convectivos e a precipitação observada na superfície. Na região WETAMC/LBA a maior ocorrência de nascimentos é por volta de 13:00-15:00 hora local para o limiar 35 K. Após a iniciação, os sistemas crescem e atingem a fase de maturação (máxima expansão da área), quando ocorre a máxima contribuição a cobertura total para após se dissiparem. Observa-se nesta figura, que a precipitação não está em fase com a máxima cobertura de nuvens como era de se
5 esperar, mas sim com a iniciação dos sistemas convectivos. A fase de iniciação dos sistemas convectivos corresponde ao máximo da precipitação e ao momento de máximo crescimento da cobertura convectiva. Este fato mostra que os sistemas convectivos são bem eficientes na geração da precipitação, já na fase de desenvolvimento. Uma analise mais detalhada do ciclo diurno durante o WETAMC/LBA se encontra em Machado et al. (00). Já no Sahel o ciclo diurno das iniciações e da máxima cobertura de nuvens convectiva é relativamente similar contudo, para a precipitação o ciclo diurno é completamente diferente. As iniciações dos sistemas convectivos (limiar 33 K) ocorrem também preferencialmente à tarde, por volta de 15:00-17:00 hora local com um intervalo de tempo aproximadamente igual entre a máxima cobertura àquele encontrado na Amazônia, embora a fase de grande cobertura de nuvens convectivos apresenta uma duração bem maior que na Amazônia. Este fato é coerente com a maior duração do ciclo de vida dos sistemas convectivos. A precipitação na região do experimento Hapex-Sahel ocorre preferencialmente durante a noite, ao contrario do que se esperava pois existem muito poucos sistemas convectivos naquele horário. Como foi mostrado por Mathon et al. (00), esse fato é devido á característica propagativa dos sistemas convectivos nessa região. A maioria dos sistemas que passaram na região Hapex-Sahel iniciaram-se à tarde nas regiões de relevo elevado localizadas a leste. Esse sistemas se propagaram rapidamente para oeste e atingiram a região Hapex-Sahel a noite. Como esse sistemas tem uma grande duração de vida, eles ainda são ativos (isso é, são associados a precipitação) durante a noite, o que não é o caso na Amazônia no período e na região estudada. número de iniciaçoes a) Amazônia iniciação de SCM cobertura de SCM precipitação 3x 6 1 cobertura 0 0 número de iniciaçoes b) Sahel iniciação de SCM cobertura de SCM precipitação hora local x cobertura 5 15 hora local Figura 3. Ciclo diurno do número de Sistemas Convectivos de Mesoescala (SCM), da cobertura de nuvens dos SCM e da precipitação : (a) durante o WETAMC/LBA ; (b) na região Hapex-Sahel entre 1989 e A propagação dos sistemas convectivos também é diferente entre as duas regiões. Em primeira aproximação, os sistemas convectivos de mesoescala se propagam junto com o vento do nível 700 hpa. Isso é bem verificado no caso da África de oeste, onde as trajetórias dos sistemas convectivos são bem zonais, de leste para oeste, com uma velocidade relativamente alta de 8 ms -1 ou mais. A figura mostra que essa velocidade média pode atingir até 1 ms -1, justamente sobre a região Hapex-Sahel centrada em 13N-E. Essa grande velocidade é devida ás inúmeras 30 0
6 linhas de instabilidade que predominam na organização da convecção nessa região. Um dos fatores que favorecem o desenvolvimento dessas linhas de instabilidade é o cisalhamento do vento horizontal entre as camadas baixas e as camadas medias da troposfere (Lafore and Moncrieff, 1989). Esse forte cisalhamento vertical é principalmente devido ao jato em 700 hpa bastante ativo durante a estação chuvosa. latitude longitude 15 0 Figura. Velocidade zonal média (ms -1 ) dos SCM durante o mês de agosto. O grande retângulo mostra a zona do Sahel utilizada para os cálculos da figura, o pequeno retângulo mostra a área Hapex-Sahel utilizada para os cálculos da figura 3. Figura 5. Propagação média (ms -1 ) dos SCM durante o WETAMC/LBA. Na Amazônia a propagação dos sistemas convectivos é mais complexa. A figura 5 mostra a propagação durante os dois meses do experimento WETAMC/LBA. Em média, os sistemas se propagaram para oeste, particularmente sobre a parte norte da Amazônia (Machado et al., 1998). Contudo, esta propagação é associada a uma velocidade de 6 a 8 ms -1, relativamente menor que aquela encontrada para os sistemas convectivos na África de oeste. Na parte sul da Amazônia o campo médio é mais perturbado e em Rondônia a propagação média dos sistemas convectivos é ainda mais fraca que no norte da Amazônia. A seguir analisaremos esse fato em mais detalhes. Durante o período do experimento WETAMC/LBA foram observados dois regimes diferentes, relacionados ao vento nas camadas baixas ou medias e assim chamados de regime de leste e regime de oeste. O caracter da precipitação e da organização da convecção variam consideravemente entre o regime de oeste e o regime de leste (veja por exemplo, Rickenbach et al., 000, Peterson et al., 001, Silva Dias et al., 00, Richenbach et al., 00, Halverson et al., 00, Laurent et al., 00, Machado et al., 00). A alternância entre os regimes é destacado na 303
7 figura 6, que mostra a componente zonal do vento na camada troposferica durante o experimento. Observa-se os regimes de oeste nos períodos 1-19 janeiro, 7 janeiro-8 fevereiro, -8 fevereiro, e de leste nos períodos 19-7 janeiro, 8- fevereiro. A inversão do vento corresponde a uma mudança na camada troposférica entre 95 hpa e 600 hpa (algumas vezes até 00 hpa). Figura 6. Secção transversal (pressão-hora) do vento zonal (ms -1 ) sobre a região, durante o período do WETAMC/LBA. Valores calculados a partir dos dados de reanalise NCEP/NCAP. A figura 7 mostra a propagação dos sistemas convectivos na região do experimento WETAMC/LBA durante os dois regimes. No regime de leste os sistemas se propagam para oeste com uma velocidade em torno de 8 ms -1. Já no regime de oeste a propagação dos sistemas é bem mais desorganizada (Laurent et al., 00), resultando em uma propagação média fraca, particularmente sobre a região de Rondônia. Esses resultados podem ser relacionados com o cisalhamento do vento entre as camadas baixas (tipicamente 95 hpa) e as camadas médias (tipicamente 700 hpa), como se verifica na figura 8. Esse cisalhamento é principalmente o resultado do vento no nível 700hPa, pois o vento na camada limite é relativamente fraco. A existência deste cisalhamento favorece a organização e a propagação dos sistemas convectivos. O vento na alta troposfera (~ 00 hpa) foi geralmente de leste, contudo observa-se a ocorrência de um episódio de vento de oeste do dia até o dia 5 (figura 6). Isso não resultou em uma mudança de propagação dos sistema. Esse resultado mostra que os sistemas detectados não são apenas Cirrus advectados pelo vento, mas sim entidades com uma propagação própria que depende principalmente das camadas baixas ou médias (ou do cisalhamento vertical). 30
8 Figura 7. Propagação média (ms -1 ) dos SCM no regime de oeste (a) ou no regime de leste (b) durante o WETAMC/LBA. Figura 8. Cisalhamento du vento (ms -1 ) entre 95 hpa e 700 hpa durante o regime de oeste ou leste, calculado a partir dos dados de reanalise do NCEP/NCAR.. Conclusão Nesse trabalho foram analisadas as diferenças e semelhanças na organização da convecção entre duas regiões continentais com regime de monção : a Amazônia do sudeste durante o experimento WETAMC/LBA, e o Sahel na África de oeste durante a temporada chuvosa. Os resultados mostram que no Sahel a convecção é dominada por sistemas convectivos muito bem organizados, ou seja, sistemas de grande tamanho e grande duração de vida, propagando rapidamente para oeste. 305
9 Na região do WETAMC/LBA a convecção é dominada pelo ciclo diurno dos sistemas convectivos, mostrando um desenvolvido forte no inicio da tarde associado com o máximo de precipitação, e uma atividade convectiva reduzida durante a noite e a madrugada. Contudo, as características da organização da convecção variam bastante em relação ao regime de vento nas camadas baixas e medias da troposfera. Durante o regime de leste, os sistemas convectivos se propagaram para leste, mostrando uma semelhança com a região do Sahel. Ao contrario durante o regime de oeste, a propagação dos sistemas foi desorganizada. Essas diferencias são ligadas com a presença ou não de um cisalhamento vertical do vento horizontal, devido principalmente ao vento horizontal por cerca de 700 hpa. Uma diferença marcante entre as duas regiões é quanto a duração do ciclo de vida dos sistemas convectivos (substancialemnte maior na África) e a eficiência da precipitação. Os sistemas Amazônicos apresentam o máximo de precipitação no momento de iniciação (momento de maior crescimento da cobertura convectiva), já os sistemas formados na África de Oeste -apresentam precipitação a qualquer momento do ciclo de vida. Esses resultados sugerem a importância do vento de grande escala nas camadas medias da troposfera para a organização da convecção. Isso poderia ter aplicações para o modelagem da convecção nos modelos globais ou regionais, pois o vento horizontal é uma variável bem representada ao contrario da convecção. Agradecimentos Esse trabalho faz parte de uma cooperação entre o IRD (Institut de Recherche pour le Développement, France) e o CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientifico e Tecnológico, Brasil) suporte número 9153/98-1. Esse trabalho também foi financiado pela FAPESP (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo) suporte número 99/ Referências Halverson, J. B., T. Rickenbach, B. Roy, H. Pierce, and E. Williams, 00. Environmental Characteristics of Convective Systems during TRMM-LBA, Mon. Wea. Rev., in press. Laurent H., L. A. T. Machado, C. A. Morales and L. Durieux, 00. Characteristics of the Amazonian mesoscale convective systems observed from satellite and radar during the WETAMC/LBA experiment. J. Geophys. Res., in press. Machado, L. A. T., W. B. Rossow, R. L. Guedes, and A. W. Walker, Life cycle variations of mesoscale convective systems over the Americas, Mon. Wea. Rev., 16, Machado L. A. T., H. Laurent and A. A. Lima, 00. The diurnal march of the convection observed during TRMM-WET AMC/LBA. J. Geophys. Res., in press. Mathon V., H. Laurent and T. Lebel, 00. Mesoscale convective system rainfall in the Sahel. Submitted to J. Applied Meteorology. Mathon V. and H. Laurent, 001. Life cycle of the Sahelian mesoscale convective cloud systems. Quart. J. Roy. Meteo. Soc., 17, Rickenbach, T. M., R. N. Ferreira, and J. Halverson, 000. Relationship between mesoscale properties of convection and large-scale regimes during TRMM-LBA in Rondônia, Brazil, 6th Int. Conf. on Southern Hemisphere Meteorology and Oceanography, 3-7 April 000, Santiago, Chile, AMS Publ., Rickenbach, T. M., R. N. Ferreira, J. Halverson, and M. A. Silva Dias, 00. Modulation of convection in the Southwestern Amazon basin by extratropical stationary fronts, J. Geophys. Res., in press. Peterson, W. A., S. W. Nesbitt, R. J. Blakeslee, R. Cifelli, P. Hein, and S. A. Rutledge, 001. TRMM observations of convective regimes in the Amazon. J. Climate, Silva Dias, M.A., S. Rutledge, P. Kabat, P. Silva Dias, C. Nobre, G. Fisch, H. Dolman, E. Zipser, M. Garstang, A. Manzi, J. Fuentes H. Rocha, J. Marengo, A. Plana-Fattori, L. Sá, R. Alavalá, M. Andreae, and P. Artaxo, 00. Clouds and rain processes in a biosphere atmosphere interaction context in the Amazon region, J. Geophys. Res., in press. 306
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