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

Transcrição

1 CLIMATOLOGIA DE CICLOGÊNESES EXTRATROPICAIS NA REGIÃO DA AMÉRICA DO SUL Ronaldo Maia de Jesus Palmeira Maria Gertrudes Alvarez Justi da Silva Departamento de Meteorologia/GEPAC Universidade Federal do Rio de Janeiro - UFRJ Av. Brigadeiro Trompowski s/n, Cidade Universitária, Rio de Janeiro - RJ ABSTRACT In this work was produced a 21yr extratropical cyclone climatology using the new method proposed by Murray an Simmonds. For show physics features of the cyclogenetics regions using Sutcliffe s development equation. The result showed that july month is a more cyclogenetic than december. It was discovered several cyclogenetic regions, but the regions of the Rio Grande do Sul coast and San Jorge Gulf in july and Argentin s Chaco, Rio Grande do Sul coast an Baia Grande have a good representation of the Sutcliffe s develoopment equation terms. INTRODUÇÃO: O termo Ciclone é comumente utilizado para se referir a sistemas com movimento circulatório associado à áreas de baixa pressão. A formação e o comportamento dos Ciclones Extratropicais vêm sendo estudados desde o século XIX devido à grande importância que esse sistema possui no transporte de calor, vapor d água e momento, bem como nas mudanças no tempo provocadas nas regiões em que este sistema atua. A passagem dos Ciclones Extratropicais sobre Atlântico Sul, e dos sistemas frontais a eles associados, controla em grande parte os fenômenos de tempo sobre o continente e através da troca de momento entre atmosfera e oceano, eles são responsáveis pela ocorrência de ressacas, que atingem grande parte da costa brasileira. O primeiro modelo conceitual mais realístico deste fenômeno só foi idealizado em 1918, quando Bjerknes e Solberg (1922) [apud, Gan, 1991] visualizaram o ciclone como um distúrbio ondulatório que se propaga ao longo de uma frente fria, através da análise de dados de uma densa rede de observações de superfície. Apesar do modelo conceitual de Bjerknes e Solberg ter sido aceito por várias décadas, estudos teóricos e observacionais continuaram sendo realizados na tentativa de um melhor entendimento dos mecanismos de formação dos ciclones. Em 1947 Sutcliffe propôs que o desenvolvimento de ciclones e anticiclones poderia ser deduzido por expressões simplificadas, as quais medem a divergência relativa entre a troposfera superior e a inferior. Os mecanismos dominantes para ciclogênese em superfície, propostos por Sutcliffe (1947) [apud Pettersen, 1956], são a advecção de vorticidade no nível não divergente e o aquecimento diferencial entre a superfície e o nível de não divergência. Petterssen (1956) deu continuidade às pesquisas de Sutcliffe, incluindo o efeito do aquecimento e resfriamento, e concluiu que o desenvolvimento dos ciclones ocorre onde e quando a advecção de vorticidade ciclônica nos níveis médios superpõe-se a uma zona baroclínica nos baixos níveis. Em estudos recentes foram estabelecidas associações entre a propagação de ondas de frio na América do Sul e as trajetórias de ciclones (Pezza, 2000), assim como relações entre essas trajetórias e os fenômenos das ressacas na costa brasileira (Eloi, 2002) e da variação interanual da ocorrência de ciclones com o fenômeno El Niño (Gan, 1991). No presente estudo propõe-se produzir uma climatologia dos ciclones extratropicais sobre a região da América do Sul compreendida entre 0º e 60ºS e 0º e 90ºW, utilizando o esquema proposto por Murray e Simmonds em 1991, o qual consiste de um esquema numérico, que de uma forma automática, utiliza a pressão ao nível do mar para encontrar os centros das depressões e acompanhar seus deslocamentos, desde a sua formação até a sua dissipação. Verificando deste modo, as regiões mais ciclogenéticas e as trajetórias preferenciais destes sistemas. 82

2 Para um melhor entendimento das características climatológicas dos ciclones extratropicais, foram calculados os termos da equação proposta por Sucliffe (1947), dando uma visão física aos resultados estatísticos obtidos através do esquema numérico. MATERIAL E MÉTODOS: O National Center Environmental Prediction (NCEP) produziu uma série de mais de 50 anos de análises globais de campos atmosféricos para suprir as necessidades de pesquisa na área de clima, sendo um conjunto de dados dos mais confiáveis disponíveis. O sistema de assimilação de dados de reanálises, descrito com maiores detalhes em Kalnay et al. (1996), inclui o modelo global espectral NCEP operacional em 1995, com 28 níveis sigma na vertical e truncamento triangular de 62 ondas, equivalente a cerca de 210 km (2.5º) de resolução horizontal. As observações assimiladas são observações de temperatura, vento horizontal e umidade específica derivadas de radiossondas de ar superior; sondagens verticais de temperatura dos satélites de órbita polar do NOAA Operational Television Infrared Observation Satellite (TIROS); Operational Vertical Sounder (TOVS) sobre o oceano, excluindo a área de 20ºS a 20ºN devido à contaminação pela chuva; vento pelo deslocamento de nuvens observados em satélites geoestacionários; vento e temperatura observados por aeronaves; pressão de estações de superfície; Pressão, temperatura, vento horizontal e umidade específica de observações de bóias de navios. Para o presente estudo foram utilizados dados de reanálises do NCEP disponíveis no site no formato NetCDF. Foram utilizados dados de 1980 à 2000 de 60ºS à 0º e de 90ºW a 0º, de 6 em 6 horas, sendo este conjunto escolhido por se encontrar em uma faixa onde a cobertura de dados é melhor (figura 1). Fonte: Bulletin of the American Meteorological Society Vol. 82, No. 2, February 2001 Figura 1 - Média zonal do número total de todos os tipos de observações por 2.5º lat por mês de 1948 a Estudos de climatologia sinótica geralmente consistem em análise de inúmeras cartas sinóticas, tornando-se um trabalho extremamente árduo e demorado, sujeito a vários tipos de erros. Porém com o advento da computação na área científica os dados passaram a forma digital, como as reanálises usadas em nosso estudo. Com esse avanço surgiram vários métodos de análise computacional de dados digitais. Dentre esses métodos utilizamos o esquema numérico proposto por Murray e Simmonds (1991) do Departamento de Meteorologia da Universidade de Melbourne na Austrália. O esquema numérico é escrito totalmente em Fortran 77 e dividido em 3 módulos. O primeiro módulo (cycloc) rastreia uma matriz qualquer de dados à procura de mínimos ou máximos, porém o cycloc foi desenvolvido para buscar baixas pressões meteorológicas, ou seja, ciclones em altas e médias latitudes. Como geralmente os dados estão 83

3 disponíveis na forma de matrizes em projeção cartesianas (latitude-longitude), o cycloc executa opcionalmente uma interpolação dos dados cartesianos para projeção polar estereográfica a fim de evitar problemas numéricos nas altas latitudes, porém essa interpolação é a mais cara computacionalmente de todas as etapas e não foi usada em nosso estudo. Para diminuir os problemas ao identificar sistemas da mesma ordem de grandeza do espaçamento entre os dados, é utilizada ainda uma rotina diferencial, com pressões e derivadas da pressão permitindo assim a inclusão de sistemas abertos, como cavados e cristas. O módulo cycloc utiliza, na busca de pontos de mínimo, a técnica de comparação de cada ponto com pontos vizinhos, podendo ser utilizados até 24 pontos. Neste trabalho foram utilizados apenas oito pontos (por recomendação dos autores do esquema). Em seguida o cycloc testa a curvatura do sistema através do cálculo do Laplaciano da pressão, garantindo assim, que o sistema tenha um mínimo de vorticidade geostrófica, ou seja, que o sistema tenha rotação. 1 g 2 ζ p ρ f O segundo módulo do esquema o track consiste em seguir o sistema desde seu primeiro aparecimento (ciclogênese) até sua dissipação (ciclólise). No entanto esse procedimento não é tão simples quanto possa parecer, pois muitas vezes num período de 24 horas os centros de sistemas distintos viajam distâncias cuja ordem é comparável a sua separação, e com isso, não se pode ter total certeza do deslocamento do centro durante este período. Para construir trajetórias, o programa estima a nova posição e a mudança de pressão de cada sistema em cada tempo de análise. O deslocamento é baseado em uma ponderação do movimento durante o intervalo de tempo anterior e as velocidades médias climatológicas, enquanto a mudança de pressão é baseada na ponderação de tendência prévia e da persistência. O módulo de análise estatística (tstat) - o terceiro módulo do esquema - possui rotinas que calculam médias zonais e regionais da freqüência, densidade, fluxo, velocidade, pressão central, tendência da pressão e a freqüência de ciclogêneses e ciclólises. De posse dos resultados fornecidos pelo esquema numérico, buscou-se uma resposta física para as diferentes regiões ciclogenéticas e a variação mensal das ciclogêneses nestas regiões. Após uma rápida revisão bibliográfica e seguindo sugestões foi utilizada a Equação do Desenvolvimento de Sutcliffe, derivada da Teoria do Quasi-geostrófico. A Equação de Sutcliffe estima a tendência da pressão através da combinação da advecção de vorticidade em níveis médios (500hPa, nível de não divergência), com a advecção de temperatura na camada entre 1000hPa e 500hPa, com a variação de temperatura por movimento vertical e com a mudança de temperatura por aquecimento da coluna atmosférica (Pettersen, 1956). A equação do desenvolvimento de Sutcliffe é dada por: onde: r Aζ = V ζ ζ 0 t = A ζ R f 2 g ( AT + S + R H ) é a Advecção de Vorticidade em 500hPa A T = V T é a Advecção de Temperatura na camada hPa S = ln( p0 / p). w( Γa Γ) é o Efeito do aquecimento adiabático na camada hPa H dw = ln( p0 / p) é o Efeito do aquecimento diabático na camada hPa dt onde, dw = (Fluxo de calor latente) + (Fluxo de calor sensível) dt 84

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO XII Congresso Brasileiro de Meteorologia, Foz de Iguaçu-PR,2002 Na primeira parte dos resultados obtidos pelo esquema numérico, as reanálises do NCEP em formato NetCDF foram extraídas para o formato ASCII através do software ncdump 1 e através de um programa auxiliar construído em Fortran 77 os dados foram convertidos para o formato de leitura do cycloc. Todos os programas foram gerados pelo compilador Intel Fortran Compiler (IFC) em plataforma PC Intel com o sistema operacional RedHat Linux 7.2. Na Figura 2(a) é mostrada a freqüência total anual de ciclogêneses, por faixa de latitude, detectados pelo terceiro estágio do programa, o tstat, durante os 21 anos de estudo, no período de 1980 à Dentro de nossa região de estudo, a maior freqüência de ciclogêneses é encontrada na faixa de latitude de 55 à 60ºS e diminui gradativamente com a latitude. Nas Figuras 2(b) e 2(c) estão representadas as freqüências de ciclogêneses para os meses de julho e dezembro de 1980 à No mês de dezembro as faixas de 50-55ºS 25-30ºS e 20-25ºS têm maior frequência de ciclogêneses do que no mês de julho e nas demais faixas o mês de julho é mais ciclogenético nessas áreas Figura 2(a) Figura 2(b) Na tabela 1 estão os totais de ciclogêneses em toda a região estudada, onde temos o mês de julho com maior frequência de ciclogêneses ao que o mês de dezembro. Tabela 1 Total de ciclogêneses no período de 1980 à 2000 Julho 448 Dezembro 408 Anual 5097 Com os resultados do track, foi criado um programa em Fortran 77 para ler os arquivos de saída das trajetórias, identificar a região de formação dos ciclones e sumarizar as ocorrências em regiões de 5x5º, gerando arquivos de saída com o formato do de leitura do software visualizador GrADS. Na Figura 3 são mostradas as distribuições espaciais das ciclogêness sendo (a) o total para julho e (b) o total para dezembro. No mês de julho foram identificadas regiões de máximo no litoral do Rio Grande do Sul (30ºS-50ºW), no golfo de São Jorge (45ºS-65ºW), sul (55ºS-60ºW) e nordeste (50ºS-65ºW) das Ilhas Falkland e finalmente sibre o oceano (45ºS-40ºW, 55ºS-25ºW e 30ºS-25ºW). O mês de dezembro apresentou regiões ciclogenéticas sobre o Chaco Argentino (30ºS-60ºW), no litoral do Rio Grande do Sul (30ºW-45ºW), no litoral sudoeste do Rio de Janeiro (25ºS-40ºW), na baía Grande-extremo sul da 1 disponível no pacote de biblioteca NetCDF no site 85

5 Argentina (50ºS-65ºW), nordeste das Ilhas Falkland (50ºS-55ºW) e sobre o oceano (50ºS-45ºW, 55ºS-40ºW e 45ºS- 30ºW). Figura 3 Figura 3(a) Figura 3(b) Os termos da Equação do desenvolvimento de Sutcliffe foram calculados em médias para ambos os meses (Figuras 4 e 5). A fim de simplificar o estudo, regiões de 5ºx5º em torno dos pontos descritos acima, foram marcados e numerados para cada mês. Para o mês de julho (Figura 4), as regiões 1 e 2 mostraram ser bem diagnosticadas pela teoria, entretanto as regiões 3 e 4 indicam apenas contribuição devido a advecção de vorticidade. As regiões 5 e 7 mostram-se influenciadas pela advecção de temperatura na camada e também pela passagem de cavados em níveis médios. A região 6 no entanto, recebe a contribuição da advecção de temperatura na camada e dos termos de aquecimento diabático, porém em média o termo de advecção de vorticidade não se mostra presente. O mês de dezembro (Figura 5) apresenta as regiões 1, 6, 7 e 8 sem contribuição da média dos temos. A região 3 possui contribuição de todos os termos enquanto que a região 2 e 4 possui forte sinal de advecção de vorticidade, aquecimento adiabático e uma ligeira contribuição do fluxo de calor sensível. A região 5 mostra-se fortemente influenciada pela advecção de vorticidade e temperatura. 86

6 Advecção de Vorticidade em 500hPa (x10 10 ) Advecção de Temperatura em hPa (x10 10 ) Aquecimento Adiabático em hPa (x10 10 ) Fluxo de Calor Latente em Superfície (x10 6 ) Fluxo de Calor Sensível em Superfície (x10 6 ) Figura 4: Média dos termos da equação de Sutcliffe para julho. 87

7 Advecção de Vorticidade em 500hPa (x10 10 ) Advecção de Temperatura em hPa (x10 10 ) Aquecimento Adiabático em hPa (x10 10 ) Fluxo de Calor Latente em Superfície (x10 6 ) Fluxo de Calor Sensível em Superfície (x10 6 ) Figura 5: Média dos termos da equação de Sutcliffe para dezembro. 88

8 CONCLUSÃO O método proposto por Murray e Simmonds mostrou-se extremamente útil no levantamento climatológico das regiões ciclogenéticas, além de identificar núcleos não detectados anteriormente, principalmente sobre o oceano, em trabalhos recentes baseados em análise de cartas sinóticas e imagens de satélite. Foi verificado que o mês de julho em geral é mais ciclogenético do que o mês de dezembro e que existem diferenças nas regiões preferenciais entre esses meses. Através da equação de Sutcliffe, mesmo em termos de média climatológicas, pôde-se diagnosticar bem as regiões favoráveis ao desenvolvimento dos sistemas. Como conclusão final podemos dizer que as regiões 2, 3, 4 e 5 no mês de dezembro e todas as regiões definidas no mês de julho são regiões que recebem, em termos climatológicos, contribuição quase permanente de parte ou todos os termos da equação do desenvolvimento de Sutcliffe. AGRADECIMENTOS Aos pesquisadores Dave Murray e Ian Simmonds da Universidade de Melbourne pela concessão do esquema numérico e pelo auxílio na implementação do mesmo; e ao pesquisador Alexandre Pezza (IAG/USP) pelas dicas de configuração do esquema. REFERÊNCIAS Gan, M. A., 1992: Ciclogêneses e ciclones sobre a América do Sul. Tese de doutorado INPE 5400-TDI/479. Kalnay, E., and Coauthors, 1996: The NCEP/NCAR 40-Year Reanalysis Project. Bull. Amer. Meteor. Soc., 77, Murray, R. J., I. Simmonds, 1991: A numerical scheme for tracking cyclone centers from digital data. Part I: development and operation of the scheme. Aust. Meteoro. Mag., 39, Pettersen, S., 1956: Weather Analysis and Forecasting. Motion and motion system. New York, 1, 498p. Pezza, A. B., 2000: Propagação de ondas de frio na América do Sul e as trajetórias de ciclones e anticiclones extratropicais. XI CBMET, Rio de Janeiro RJ. 89