Análise da variabilidade interanual da ressurgência costeira de Cabo Frio através de ondeletas cruzadas ( cross wavelets Tânia Ocimoto Oda ABSTRACT

Transcrição

1 Análise da variabilidade interanual da ressurgência costeira de Cabo Frio através de ondeletas cruzadas (cross wavelets) Tânia Ocimoto Oda Instituto de Estudos do Mar Almirante Paulo Moreira ABSTRACT - The upwelling generally results from the positive horizontal divergence of Ekman transport at surface layer induced by surface wind shear. The Cabo Frio upwelling has attracted the attention due to the high fishing productivity, motivating many studies, particularly concerning oceanographic processes involved. Basically, due to the dominance of the subtropical South Atlantic Anticyclone, with predominant winds from the northeast (NE), because of Ekman transport, water is carried from the coast to offshore. This prevalence of NE winds is broken by the passage of frontal systems, which revert to the Southwesterlies (SW), Southerly (S) and Southeasterly (SE) winds, as discussed for decades. Previous work showed that the cold water that emerges is the South Atlantic Central Water (SACW), whose availability is seasonal. In winter, the entire water column subject to the Ekman transport is warmer, and even under favorable conditions of wind, there is no noticeable presence of cold waters at surface. There is a seasonal variation, whose minimum occurs between September and February, and maximum at April, correlated to the behavior of the winds. In interannual terms, previous studies suggest some patterns of teleconnection between El Niño events and upwelling. This study aims to examine time series of winds, local sea temperature and El Niño index applying cross wavelets (CW). In recent years, the wavelet transforms have been quite diffused through, when applied to a series, provides information both in time domain as frequency domain, with the possibility of evaluating non-stationary time series and the variation of the amplitudes in time as the main advantage. The CW, in turn, evaluates oscillations in two time series, providing information on joint changes and joint covariance between sets. The results showed the joint variation between the winds and the sea temperature in the region on an interannual scale, but indicate that other mechanisms besides the atmospheric forcing can be present, as suggested by the results of joint analysis of series of sea temperature and El Niño index. 1 Introdução O fenômeno da ressurgência é caracterizado por um movimento ascendente pelo qual águas de camadas sub-superficiais do oceano, geralmente mais frias, são trazidas para a superfície do mesmo, provocando anomalias negativas de temperaturas de superfície do mar. Em geral, a ressurgência é resultante da divergência horizontal positiva do transporte de Ekman na camada superficial, induzida pelo cisalhamento do vento à superfície. A ressurgência de Cabo Frio tem despertado a atenção devido à sua importância econômica: regiões de ressurgência normalmente apresentam grande produtividade pesqueira, motivando diversos trabalhos a este tema, especialmente quanto aos processos oceanográficos envolvidos. A Ilha de Cabo Frio é um ponto de inflexão da linha da costa brasileira, a qual tem ao norte alinhamento Nordeste-Sudoeste, e, na direção oposta, Leste-Oeste. Além disso, a região fica sob o domínio do Anticiclone Subtropical do Atlântico Sul, com predominância de ventos de nordeste (NE), altamente favorável à ocorrência de ressurgência, pois, devido ao transporte de Ekman, a água é transportada da costa para o talude continental. Esta predominância é quebrada pela passagem de sistemas frontais, que invertem o vento para Sudoeste (SW), Sul (S) e Sudeste(SE), como já discutido há décadas (Oda, 1997). A água fria que aflora foi identificada como Água Central do Atlântico Sul (ACAS), cuja disponibilidade é sazonal e dependente do afastamento ou aproximação do núcleo da Corrente do Brasil. No inverno, em geral, toda a coluna d água sujeita ao mecanismo de Ekman é de águas mais quentes, e mesmo sob condições favoráveis de vento, não se observa a presença de águas frias à superfície (Elias, 2009). Franchito et al. (2008) analisaram séries de vento e temperatura do mar obtidas entre

2 1971 e 1980, mostrando a variação sazonal da temperatura, cujo mínimo ocorre entre setembro e fevereiro, e o máximo em abril. Os ventos mostram comportamento semelhante, com máximos de velocidade em setembro e fevereiro, e mínimo em abril. Em termos interanuais, as maiores temperaturas ocorreram entre 1972 e 1973, coincidindo com um evento forte de El-Niño, e as menores temperaturas em 1977 (El-Niño moderado), porém o curto período analisado não permitiu uma análise conclusiva sobre essa teleconexão. Callil (2009) realizou uma análise detalhada de variações interanuais utilizando séries estendidas até 1995, sugerindo alguns padrões de teleconexão entre eventos de El-Niño e ressurgência. Este trabalho pretende analisar séries de ventos, temperatura do mar e índices de El- Niño através da aplicação de ondeletas cruzadas (OC). Nos últimos anos, têm sido bastante difundida a análise através da transformada em ondeletas que, aplicada a uma série temporal, fornece informações tanto no domínio do tempo quanto no domínio da freqüência, tendo como vantagem principal a possibilidade de avaliar não-estacionariedades de séries. Ao contrário da amplamente utilizada análise espectral por transformada de Fourier, que indica amplitudes e fases médias para cada harmônico de uma série, este método permite avaliar a variação das amplitudes no tempo. As OC, por sua vez, permitem verificar oscilações em duas séries, fornecendo informações sobre variações conjuntas e covariâncias entre as séries. 2 - Dados utilizados e metodologia Os dados de temperatura da água do mar aqui utilizados são provenientes da Companhia Nacional de Álcalis, compreendidos no período de 1971 a Como essas séries são armazenadas na referida empresa por tempo limitado, os anos de 1995 e 1996 foram perdidos, sendo recuperados a partir de Entretanto, para a análise da série temporal, essa lacuna seria muito extensa, e optou-se pela utilização do período até A medição dessa temperatura foi feita em um ponto bastante representativo da ressurgência, onde a empresa bombeava água para resfriamento de seu equipamento. Embora existam medições de vento em estação meteorológica próxima, estas apresentam falhas bastante extensas, de vários meses, além da estação ter sido desativada no início de Desta forma, utilizou-se aqui uma série de vento do European Centre of Medium Range Weather Forecast (ECMWF), obtidas das reanálises ERA-40 produzidas por esse centro. As renálises são fornecidas em grade horizontal de 2,5 X 2,5. Para obter a série aqui utilizada, os dados foram interpolados para o ponto 23 S, 42 W. Foi utilizada também uma série de índices mensais de El-Niño para o período analisado, proveniente de O algoritmo para cálculo de ondeletas cruzadas foi obtido em A descrição mais detalhada pode ser obtida em Grinsted et al. (2004) e Jevrejeva et al. (2003). O cálculo das OC foi aplicado às séries dos valores médios mensais de temperatura do mar e ventos. 3 Resultados Na Fig.1, nota-se a relação entre anomalias negativas de TSM e ventos mais intensos, como descrito em Franchito et al. (2008). Observa-se também o mínimo em 1977 descrito por aqueles autores, e também um mínimo em Máximos podem ser observados em 1972, no verão entre 1981 e 1982, e entre 1992 e 1993, sendo este bastante significativo em intensidade e duração.

3 Escala dos Vetores Figura 1 Anomalias de TSM (em tons de cinza), e vetores médios do vento para cada ano e mês da série compreendida entre 1971 e A linha tracejada em verde sinaliza anomalia de TSM nula. A análise das OC mostrada na Fig. 2 ilustra basicamente espectros de potência, onde os valores mais altos indicam os momentos em que as duas séries apresentam grandes amplitudes. Pode-se observar, então, que para as séries de TSM e componente zonal u (Fig. 2a) e TSM e componente meridional v (Fig. 2b), existem picos de potência na escala de 8 a 16 meses, sendo que para o componente zonal o sinal é mais intenso durante a década de 70, e final da década de 80, enquanto que para o componente meridional o pico mais significativo seja o do final dos anos 80. Os espectros de potência de ondeletas aplicados às séries individualmente (não mostrados aqui) mostram que os picos da década de 70 e final de 80 estão presentes na série de temperatura do mar e componente zonal, mas para o componente meridional, só existe o da década de 80. Alguns núcleos são visíveis em escalas de períodos menores, o que é compatível com o conhecimento da climatologia da ressurgência. A Fig. 2c ilustra a OC das séries de TSM e o índice de El-Niño 1-2. Nota-se nela os picos observados em 2a e 2b, sugerindo que existe a relação entre eventos de El-Niño e a circulação atmosférica sobre o Atlântico Sul afetando a ressurgência. Porém, é mais notável o pico entre as escalas de 32 e 64 meses (Fig. 2c) a partir do ano de 1982, que não aparece nos ventos, sugerindo uma alteração de natureza oceânica que pode ter ocorrido nesse período. (a) (b)

4 (c) Figura 2 (a) Série de componente zonal u e TSM em Arraial do Cabo. A escala de cores representa a potência, os vetores representam a diferença de fase entre as séries, a linha fina em preto assinala o cone de influência, e as linhas grossas em preto delimitam as áreas signicativas a 95%. (b) Série de componente meridional v e TSM, com representação análoga a (a). (c) Idem a (a) e (b), para as séries de TSM e índice El-Niño. Entretanto, a análise de ondeleta aplicada individualmente para a série de temperatura (não mostrada aqui) mostra que para essa escala entre 32 e 64 meses, há uma variância aumentada, porém não significativa ao nível de 95%, o que pode sugerir que o pico encontrado na ondeleta cruzada possa ter um peso grande da variância na série de El-Niño para esse período. As figuras 3 mostram a coerência das ondeletas, ou seja, a covariância entre as séries. Pode-se observar que a TSM covaria com os ventos tanto na escala mostrada na figura 2 (8 a 16 meses), quanto em escalas menores, embora em períodos mais específicos. A figura 3c ilustra a covariância entre as séries de u e v. Novamente, na figura 3d, nota-se um máximo de coerência/covariância na escala de 32 a 64 meses (nota-se que existe uma diferença de fase), que não é notada em relação aos componentes do vento, corroborando a hipótese de existir algum mecanismo oceânico associado ao fenômeno. (a) (b) (c)

5 (d) Figura 3 Espectro de coerência entre (a) Série de componente zonal u e TSM em Arraial do Cabo. A escala de cores representa a potência, os vetores representam a diferença de fase entre as séries (sendo a seta horizontal da esquerda para a direita correspondente a 0, ou seja, séries em fase), a linha fina em preto assinala o cone de influência, e as linhas grossas em preto delimitam as áreas signicativas a 95%. (b) Série de componente meridional v e TSM, com representação análoga a (a). (c) Idem a anteriores, para as séries de u e v. (d) Idem a anteriores, para as séries de TSM e índice El-Niño. 4 Conclusão A utilização de séries temporais mais longas do que alguns trabalhos anteriores permitiu analisar alguns aspectos da ressurgência em Cabo Frio, principalmente no que concerne às variações interanuais conjuntas das séries. A análise dos espectros de ondeletas cruzadas sugere que, embora as variações no vento estejam associadas às variações na temperatura do mar, outros fatores devem ser investigados, como a circulação das massas d água no Atlântico Sul, e também como a circulação oceânica nesta bacia pode estar relacionada à ocorrência de eventos El-Niño. 5 Referências ELIAS, LEANDRO MACHADO CALIL. Variabilidade interanual da ressurgência de Cabo Frio - RJ Rio de Janeiro, f. Dissertação de Mestrado em Engenharia Oceânica - CoPPE/UFRJ, FRANCHITO, S.H.; ODA, T.O.; RAO, V.B.; KAYANO, M.T. Interaction between Coastal Upwelling and Local Winds at Cabo Frio, Brazil: An Observational Study J.Appl.Met. and Climatology, v. 47, p , FRANCHITO, S.H.; RAO, V.B.; ODA, T.O.; CONFORTE, J.C. An observational study of the evolution of the atmospheric boundary-layer over Cabo Frio, Brazil Ann. Geophysicae, v. 25, p , GRINSTED,A.; MOORE, J.C.; JEVREJEVA, S. Application of the cross wavelet transform and wavelet coherence to geophysical time series Nonlinear Processes in Geophysics, v. 11, p , JEVREJEVA, S.; MOORE, J.C.; GRINSTED, A. Influence of the Arctic Oscillation and El Niño-Southern Oscillation (ENSO) on ice conditions in the Baltic Sea: The wavelet approach J.Geophys.Res., v. 108, n. D21, p. doi: /2003jd003417, ODA, T.O. Influência da ressurgência costeira sobre a circulação local em Cabo Frio (RJ) São José dos Campos, Dissertação de Mestrado em Meteorologia INPE.