variabilidade intrasazonal e interanual de Extremos na Precipitação sobre o centro-sul da amazônia durante o Verão austral leila@model.iag.usp.

Transcrição

1 Revista Brasileira de Meteorologia, v.21, n.3a, 29-41, 2006 variabilidade intrasazonal e interanual de Extremos na Precipitação sobre o centro-sul da amazônia durante o Verão austral MICHEL NOBRE MUZA 1 e LEILA MARIA VÉSPOLI DE CARVALHO 2 Depto. de Ciências Atmosféricas, Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas IAG, Universidade de São Paulo Rua do Matão, Cidade Universitária. CEP São Paulo-SP 1 michelnm@model.iag.usp.br 2 leila@model.iag.usp.br Recebido Setembro Aceito Agosto 2006 RESUMO A ocorrência de extremos de precipitação e estiagem nas anomalias intrasazonais a interanuais da precipitação é investigada sobre o centro-sul da Amazônia. Estimativas de precipitação em pêntadas obtidas por satélite e estações de superfície de 1979 a 2002 com resolução espacial 2.5º são usadas para selecionar os extremos. As séries temporais em cada ponto de grade foram filtradas em freqüência nas escalas intrasazonal (20-90 dias) e baixa-freqüência (em períodos maiores do que 370 dias). O critério para a seleção de eventos baseou-se nos quartis da distribuição de freqüências das anomalias de precipitação em cada banda considerada, para cada ponto de grade. A variabilidade da persistência de pêntadas extremas também foi examinada nesse estudo. Os resultados mostram que eventos extremos intrasazonais parecem modulados por mecanismos atmosféricos como a propagação de trens de onda de latitudes médias relacionados à propagação de distúrbios tropicais na mesma banda de freqüência. Extremos na precipitação em baixa-freqüência parecem associados a padrões atmosféricos distintos, os quais sugerem que episódios El Niño-Oscilação Sul (ENOS) fortes favorecem o sinal das anomalias extremas. Durante extremos de chuva observa-se a presença do dipolo meridional na temperatura da superfície do mar (TSM) do Atlântico tropical, enquanto para extremos de seca, há um outro dipolo observado restritamente sobre o Atlântico Sul, ambos os padrões relacionados ao primeiro modo de variabilidade da TSM nessa região. O aumento da componente oeste da circulação em altos-níveis sobre os trópicos da América do Sul parece representar um importante mecanismo para a ocorrência de extremos em ambas escalas. Menos de 25% dos extremos de chuva (seca) na escala intrasazonal ocorreram em anos com extremos de chuva (seca) em escala interanual. Palavras-chave: Centro-sul da Amazônia, Extremos de precipitação, Oscilação de Madden-Julian, El Niño/Oscilação Sul, Zona de Convergência do Atlântico Sul. ABSTRACT: INTERANNUAL AND INTRASEASONAL VARIABILITY OF EXTREME PRECIPITATION AND DROUGHT OVER SOUTHERN AMAZON DURING THE AUSTRAL SUMMER The occurrences of extreme precipitation on intraseasonal to interannual timescales are investigated over Southern Amazon during the austral summer. Pentad precipitation based on gauge observations and satellite estimates from 1979 to 2002 and 2.5 o spatial resolution are used to identify extremes. Precipitation time-series are filtered on intraseasonal timescales (20-90 days) and interannual timescales (periods > 370 days). Extreme rainfall and drought are then determined based on the quartiles of the seasonal rainfall distribution on each grid point and for each timescale. Persistence of extreme rainfall/droughts is also examined. The results indicate that extreme rainfall and drought events on intraseasonal timescales seem modulated by atmospheric mechanism characterized by the propagation of midlatitude wave trains that originate from tropical disturbances over the Pacific. On interannual time-scales, extreme precipitation and drought over southern Amazon show distinct characteristics, suggesting the importance of El Niño-Southern Oscillation (ENSO) phases. However, a dipole pattern in the sea surface temperature (TSM) low-frequency anomalies over the tropical

2 30 Michel Nobre Muza e eila Leila Maria éspoli Véspoli de Carvalho olume olume olume 2 (3a) 2 (3a) 21(3a) Atlantic appears related to extreme precipitation on the same time-scale. On the other hand, drought is associated with a north-south orientated SST dipole over Southern Atlantic. The enhancement of the zonal wind component in the tropical upper-troposphere is likely a key dynamical forcing for the occurrence of extreme precipitation events on both timescales. It is shown that less than 25% of extreme precipitation (drought) on intraseasonal timescales occurred during years characterized as extreme wet (dry) on interannual timescales. Keywords: Southern Amazon, Extreme precipitation, drought, Madden-Julian Oscillation, El Niño/ Southern Oscillation, South Atlantic convergence zone. 1. Introdução A variabilidade da precipitação e, portanto, a ocorrência de eventos de precipitação intensa ou de escassez prolongada faz parte do controle natural dos ecossistemas. Uma melhor compreensão da variabilidade climática dos extremos de chuvas e seca pode auxiliar tanto no planejamento da ação de combate à degradação do meio ambiente, quanto fornecer elementos para a preservação e desenvolvimento sustentável de uma região de modo a lidar com os episódios adversos (Nobre et al., 1991). As variações nos padrões atmosféricos, principalmente no escoamento em baixos níveis, influenciam e interferem na umidade do solo e vegetação e, portanto, nas trocas entre a superfície terrestre e a atmosfera. A seqüência de chuvas e períodos de estiagem causa grande impacto na amplitude da variação de anomalias de uma determinada cobertura vegetal (Dessay et al., 2004). Além disso, alterações na variabilidade intrasazonal a interanual dessas anomalias é outro fator importante que pode controlar ou afetar sua manutenção em longo prazo. Por essa razão, o conhecimento dos mecanismos relacionados a extremos de chuva e seca, principalmente sobre áreas de maior tensão ecológica de floresta, como é o caso do centro-sul da Amazônia, é fundamental para o equilíbrio do ecossistema (Dessay et al., 2004). A variabilidade climática sobre o centro-sul da Amazônia é influenciada tanto por aspectos tropicais quanto subtropicais. O ciclo anual da precipitação nessa região mostra um máximo durante o verão austral relacionado à Zona de Convergência do Atlântico Sul (ZCAS), enquanto a porção norte da Amazônia apresenta o máximo durante o outono austral associada à migração para sul da Zona de Convergência Intertropical (ZCIT) (Souza et al., 2000; Marengo et al., 2001). A ZCAS é uma característica marcante da precipitação sobre a América do Sul e é definida como uma região de alta variabilidade convectiva posicionada a leste da Cordilheira dos Andes com orientação noroeste-sudeste, estendida desde o sul e leste da Amazônia até o Atlântico Sul (Zhou and Lau 1998; Liebmann et al., 1999; Carvalho et al., 2004). A ZCAS está relacionada à circulação monçônica sobre a América do Sul (Zhou and Lau, 1998; Marengo et al., 2001) e sua variabilidade espacial e temporal têm papel fundamental para a distribuição dos extremos de chuvas sobre essas regiões (Carvalho et al ; Carvalho et al., 2004) As variações intrasazonais no verão austral modulam as principais zonas de convergência do Hemisfério Sul e têm sido associadas com a Oscilação de Madden-Julian (OMJ: Madden and Julian, 1994). A OMJ manifesta-se como uma célula de grande escala com propagação zonal para leste (Weikmann et al., 1985). Essas características são mais nítidas na faixa tropical, onde a convecção relativa à OMJ é vista fora de fase entre o Oceano Índico e o Pacífico oeste, assim como entre a região da Indonésia e América do Sul. De fato, Carvalho et al. (2004) mostraram que as características da variabilidade espacial e da intensidade dos eventos de precipitação no centro-leste da América do Sul são relacionadas às fases de propagação da OMJ durante o verão austral, da mesma forma que existe um papel dessa oscilação na modulação das anomalias de supressão prolongada. Em baixa freqüência, um outro mecanismo que modula a convecção global é o fenômeno El Niño-Oscilação Sul (ENOS). Esse fenômeno é observado quando anomalias da temperatura da superfície do mar (TSM) persistem por vários meses na parte central-leste do Pacífico equatorial e são relacionados diretamente a flutuações atmosféricas entre o Pacífico central e a região da Indonésia (Drumond and Ambrizzi, 2003). Na América do Sul, vários estudos (e.g., Ropelewski and Halpert, 1987; Karoly, D.J., 1989; Kousky and Kayano, 1994; Souza et al., 2000) documentaram o aumento (diminuição) da precipitação no sul (norte) da América do Sul durante episódios El Niño (La Niña). Por exemplo, existe uma maior freqüência de precipitação extrema sobre a parte continental da ZCAS associada a períodos neutros e de La Niña quando comparado a ZCAS oceânica (Carvalho et al., 2004). Isso é mais evidente quanto maior a persistência temporal dos eventos. Porém, a evidente influência dos episódios ENOS nas regiões em torno do centro-leste da América do Sul ainda permanece desconhecida. Alguns destes trabalhos prévios indicam que a característica espaço-temporal da precipitação extrema durante o verão austral depende de mecanismos variando da escala intrasazonal a interanual. Como conseqüência, tais mecanismos podem afetar as características da distribuição das chuvas sobre o centro-sul da

3 Dezembro 2006 Revista Brasileira de Meteorologia - Edição Especial LBA 31 Amazônia e, portanto, seus extremos. O objetivo deste trabalho é distinguir como fenômenos em escala intra-sazonal e inter-anual (esta última referida neste estudo como baixa freqüência) modulam os extremos de precipitação e estiagem sobre essa região. Com esse propósito, pretende-se ampliar o conhecimento sobre a variabilidade dos extremos em diferentes escalas temporais e possíveis teleconexões com os trópicos e subtrópicos. O presente trabalho está estruturado da seguinte maneira: uma descrição dos dados meteorológicos utilizados nesse estudo, a metodologia utilizada para a filtragem temporal dos dados e o método para a seleção de eventos extremos estão discutidos no item 2. A variabilidade intrasazonal dos eventos extremos de precipitação e estiagem é apresentada no item 3. No item 4 são vistas as análises dos extremos com respeito à variabilidade interanual. No item 5 examina-se a intercomparação entre a variabilidade intrasazonal e interanual dos extremos. Finalmente, conclusões desse estudo são resumidas no item Dados Meteorológicos e Metodologia a) Descrição do conjunto de dados Os dados utilizados nesse estudo constituem-se de médias de 5 dias (pêntadas), sendo estes: precipitação do Global Precipitation Climatology Project GPCP (Xie et al. 2003), que englobam estimativas de satélite juntamente a medições em estações de superfície; circulação atmosférica em altos e baixos níveis e TSM global obtidas de reanálises do National Center for Environmental Prediction (Kalnay et al. 1996); radiação de onda longa emergente ROLE (Liebmann and Smith, 1996). Todos esses dados apresentam resolução de 2,5º de latitude/longitude e domínio global. O período considerado será 1979 a 2002, somando um total de 1754 pêntadas. Além disso, dados de precipitação em estações meteorológicas da Agência Nacional de Energia Elétrica ANEEL interpolados em ponto de grade (2,5º de latitude/longitude) obtidos na região de estudo foram incorporados neste estudo para verificação e comparação com o GPCP. A dispersão entre a precipitação estimada pelo GPCP e obtida por estações da ANEEL durante o verão austral (considerando o trimestre de dezembro a fevereiro DJF), para a média em uma área quadrangular limitada em 5º a 15ºS de latitude e 55º a 65ºW longitude está indicada na Figura 1a. Neste ajuste foram incluídos também os casos de precipitação média igual a zero. A correlação entre ambas estimativas é ~0,9, (variância explicada pela reta de regressão linear de 0,81%). Para uma análise mais objetiva, foram investigadas comparações com respeito aos limiares de percentil. Devido à assimetria na distribuição de precipitação observada (Wilks, 1995) ajustou-se a função de distribuição de probabilidade gama à precipitação sazonal (DJF) (Ropelewski and Halpert, 1987). A figura 1b mostra que o GPCP subestima a precipitação em relação às observações para os limiares superiores (acima da mediana) e superestima nos limiares inferiores. É importante mencionar que, de acordo com Huffmann et al. (1997), o GPCP utiliza uma metodologia diferenciada para estimativa da precipitação em diferentes regiões do globo, como sobre continentes e oceanos, e para regiões com chuvas intensas (ou nenhuma chuva). Além disso, nota-se que as diferenças relativas entre o quartil superior (percentil de 75 th ) e inferior (25 th ) nas duas fontes de dados de precipitação são menores que 5%. Estes percentis serão utilizados para a definição de extremos, como discutiremos a seguir. a) b) a) b) Figura 1 Comparações entre a precipitação (mm/dia) do GPCP e estações de superfície da ANNEL considerando (a) a dispersão dos dados e (b) a diferença relativa dos limiares de percentis (entre 95 th e 5 th ) durante o trimestre de verão (DJF). Figura 2 Percentil de (a) 75th e (b) 25th de precipitação (mm/dia). No percentil de 75 th (25 th ) a escala varia de 0 a 15 (0 a 7,5) mm/dia e os valores menores do que 2 (1) mm/dia foram desconsiderados. No mapa foi plotado a sub-região considerada nesse estudo.

4 32 Michel Nobre Muza e eila Leila Maria éspoli Véspoli de Carvalho olume olume olume 2 (3a) 2 (3a) 21(3a) A figura 2a mostra o percentil de 75% nos dados do GPCP, onde se observa a extensão noroeste-sudeste da ZCAS. Sobre o centro-sul da Amazônia 12 mm/dia é o limiar de precipitação acima do qual apenas 25% da distribuição de freqüências se encontra (o que corresponde ao percentil de 75%). Nota-se que este limiar é ainda maior do que o observado na mesma época do ano sobre região equatorial devido à presença da Zona de Convergência Intertropical (ZCIT). Para a região central da América do Sul, o limiar correspondente a 25% da distribuição está em torno de 3 mm/dia (fig. 2b), enquanto no centro sul da Amazônia esse limiar corresponde a 4,5 mm/dia. b) Método para seleção de eventos e separação de escalas temporais: A seleção de eventos extremos de precipitação e estiagem baseia-se no percentil da distribuição temporal e na persistência de sua ocorrência. No presente estudo, estamos interessados em investigar a variabilidade de extremos sobre a Amazônia central, no domínio que apresentou maior magnitude dos limiares de 75 e 25% (veja caixa na fig. 2) da distribuição de chuvas. Essa região contém 10ºx10º de latitude/longitude, compreendendo uma área em grande escala de km 2, que corresponde a 5x5 pontos de grade (25 pixels). As magnitudes dos limiares dos percentis de 75 e 25% em cada ponto de grade são parâmetros do critério de seleção dos extremos. Assim, se em uma determinada pêntada mais da metade da região escolhida (ou seja, acima de 12 pixels) apresentar valores de precipitação acima (abaixo) do percentil de 75 (25%), considera-se como extremo de chuva (seca). A persistência dos eventos foi definida de acordo com a ocorrência consecutiva de pêntadas que satisfazem as condições de extremos. A persistência também é uma informação importante para as análises de significância estatística, a qual requer o conhecimento do número de graus de liberdade relacionado à ocorrência de eventos independentes. Definiu-se evento neste trabalho a toda observação de extremos com persistência de duas ou mais pêntadas, como será mostrado adiante. Figura 3 Séries temporais na escala intrasazonal (linha preta) e na baixa freqüência (cinza). Para a separação de escalas temporais relacionadas às oscilações intrasazonais (20-90 dias) e baixa-freqüência (>370 dias), os dados foram filtrados em freqüência utilizando-se transformada rápida de Fourier (FFT). Detalhes sobre a metodologia de filtragem usando FFT podem ser vistos em Helms (1967). A figura 3 mostra um exemplo das séries temporais filtradas na escala intrasazonal (linha escura) e de baixa freqüência (clara) para a média espacial da região escolhida sobre a Amazônia, como mostrado na figura 2. Feita a filtragem, apenas as anomalias referentes ao trimestre de dezembro a fevereiro foram analisadas. 3. Variabilidade Intrasazonal Os resultados mostrados a seguir dizem respeito aos eventos extremos intrasazonais de chuva e seca em termos de sua variabilidade interanual, persistência e características da precipitação e circulação atmosférica em altos e baixos níveis. Todos os resultados de composições de eventos mostrados na seqüência apresentam significância estatística ao nível de 95% de acordo com o teste t de Student, onde os graus de liberdade correspondem ao número de eventos independentes selecionados. Na variabilidade interanual dos extremos de chuva e seca em escala intrasazonal (Fig. 4a) observa-se que os eventos ocorrem uma ou duas vezes por verão, mais raramente três vezes ou nenhuma vez. Esta irregularidade da ocorrência entre verões é consistente com os resultados de Jones et al. (2004) que mostram uma grande variabilidade interanual da atividade intrasazonal no Pacífico Equatorial. A maioria ( 50%) dos eventos extremos persistiu por duas ou mais pêntadas (Fig. 4b). Na composição da precipitação durante extremos de chuva e seca no centro-sul da Amazônia (5-15ºS e 55-65ºW) observam-se amplas áreas de anomalias significativas positivas (Fig. 5a) e negativas (Fig. 5b) de precipitação sobre a região continental no leste da América do Sul se estendendo em direção à ZCIT e à ZCAS (Carvalho et al., 2002), enquanto anomalias de sinal oposto são vistas no sul do Brasil e parte do Uruguai. Este padrão de anomalias na chuva caracteriza a gangorra de precipitação entre a ZCAS e as planícies ao sul (Paegle et al. 2000). Notam-se também anomalias significativas no Pacífico oeste e Indonésia, com padrões que variam conforme o sinal dos extremos de precipitação sobre o Brasil. Grimm e Silva Dias (1995) mostraram que a forma e o posicionamento da convecção na região da ZCPS influenciam a convecção na ZCAS. A circulação da alta troposfera representada pelo vento zonal em 200 hpa apresenta anomalias de leste na faixa equatorial e de oeste sobre o leste da América do Sul durante extremos de chuva sobre o centro-sul da Amazônia (Fig. 6a). De maneira oposta, eventos extremos de seca (Fig. 6b) mostram anomalias de leste (oeste) sobre o leste da América do Sul (faixa equatorial). As anomalias de oeste ou de leste em aproximadamente 15ºS são

5 Dezembro 2006 Revista Brasileira de Meteorologia - Edição Especial LBA 33 a) b) Figura 4 (a) Variação interanual dos eventos extremos intrasazonais de chuva (P 75 ) e seca (P 25 ) e (b) a distribuição de freqüência em relação a persistência de pêntadas extremas. relacionadas ao posicionamento de trens de ondas propagandose de latitudes subtropicais. Eventualmente, esse deslocamento pode ser relacionado à intensificação de anomalias de oeste, que formam um importante fluxo de energia cinética associada à precipitação intensa (Carvalho et al., 2004). Nota-se que a configuração de trem de ondas se estende até a faixa equatorial da América do Sul e pode estar ligada às oscilações intrasazonais (Weickmann et al., 1985). Em baixos-níveis, pode-se constatar que durante os extremos de chuva (Fig. 6c), anomalias ciclônicas são vistas com centro situado sobre o Sudeste e Sul do Brasil. A porção norte desse ciclone anômalo está associada ao fluxo de noroeste sobre a Bacia Amazônica. Trabalhos prévios (Jones and Carvalho, 2002; Carvalho et al., 2002) mostram que anomalias intrasazonais de oeste em baixos-níveis na América do Sul tropical estão associadas com períodos de intensificação do regime de monções da América do Sul. Por outro lado, extremos de seca (Fig. 6d) mostram um fluxo aproximadamente de sudeste sobre o centro-sul da Amazônia relacionado a anomalias anticiclônicas sobre o sul-sudeste do Brasil. Um interessante aspecto das anomalias intrasazonais da circulação de baixos-níveis é que eventos extremos de chuva e seca apresentaram características opostas nas anomalias não apenas sobre o centro-sul da Amazônia, mas sobre todo o domínio horizontal considerado (comparar figuras 6c e 6d). Jones e Carvalho (2002) mostram que as variações intrasazonais nas anomalias da circulação de baixos-níveis (as mudanças de regime de ventos de oeste para leste) estão relacionadas à propagação de um trem de ondas de médias-latitudes (Liebmann et al., 1999), o qual também está caracterizado no padrão de alternância das anomalias do vento zonal em 200hPa (Figs. 6a e 6b). Assim, distúrbios intrasazonais parecem modular a intensidade das chuvas não só sobre o centrosul da Amazônia mas por toda a extensão da ZCAS. A importância da propagação de trens de ondas de latitudes médias em associação com a alternância do padrão de circulação de altos e baixos-níveis (Fig. 6) sobre o centro-sul da Amazônia pode ser claramente identificada pela configuração a) b) Figura 5. Composições das anomalias intrasazonais de precipitação (mm/dia) para (a) extremos de chuva e (b) seca. As linhas contínuas (tracejadas) indicam valores positivos (negativos) começando em 0.5 (-0.5) com intervalo de 1.5 a partir de 1.5. (-1.5) e áreas sombreadas são estatisticamente significativas ao nível de confiança de 95%, baseado no teste t de Student. Os graus de liberdade corresponde aos eventos considerados em relação a persistência de duas ou mais pêntadas extremas, assim sendo, 26 eventos extremos de chuva e 19 de seca. espacial das anomalias intrasazonais da altura geopotencial em 200hPa (Fig. 7) para os casos de extremos de chuva (Fig. 7a) e seca (Fig.7b). Observa-se uma alternância nos padrões das anomalias intrasazonais da altura geopotencial em 200hPa se estendendo nos extratrópicos do Hemisfério Sul, desde a Austrália até o leste da América do Sul. Hoskins e Ambrizzi (1993) utilizando um modelo barotrópico mostram que existe um guia de ondas no Pacífico Sul, tal que a atividade preferencial das ondas atmosféricas é canalizada para a região do jato subtropical. Este processo poderia ser estimulado por perturbações em grande escala na zona equatorial, tais como as observadas quando a convecção associada à OMJ propaga-se do Oceano Índico para o Pacífico Oeste. Assim, os extremos nas anomalias intrasazonais da chuva no centro-sul da Amazônia parecem estar associados com perturbações oriundas dos subtrópicos como resultado de forçantes atmosféricas remotas que se propagam do equador e atuam sobre a América do Sul.

6 34 Michel Nobre Muza e eila Leila Maria éspoli Véspoli de Carvalho olume olume olume 2 (3a) 2 (3a) 21(3a) a) b) c) d) Figura 6 Composições da circulação durante eventos extremos de (a)(c) chuva e (b)(d) seca na escala intrasazonal, considerando: anomalias da componente zonal do vento (m s -1 ) em 200 hpa, onde linhas contínuas (tracejadas) indicam valores positivos (negativos) começando em 1 (-1) com intervalo de 2 a partir de 2 (-2); e anomalias do vento (m s -1 ) em 850 hpa, onde a escala de intensidade do vetor máximo está indicada no rodapé do mapa. Áreas sombreadas são significativas ao nível de 95%, baseado no teste t de Student. Os graus de liberdade foram considerados como na figura 5. Para se estabelecer uma comparação entre extremos intrasazonais de precipitação e a OMJ foi utilizado um índice que caracteriza os padrões de propagação da convecção dessa oscilação. Estudos prévios (e.g., Ferranti et al. 1990; Jones et al., 2004, Carvalho et al. 2004) sugerem que as fases da OMJ podem ser caracterizadas pelos dois primeiros modos de variabilidade obtidos a partir do cálculo das Funções Ortogonais Empíricas (EOF) das anomalias intrasazonais do campo de ROLE. Ou seja, o índice utilizado para caracterizar as fases da OMJ neste estudo foi obtido como o coeficiente temporal resultante das duas primeiras EOFs. Esses estudos prévios mostraram que o primeiro modo (EOF-1) lidera o segundo (EOF-2) em 2 a 3 pêntadas. De modo a isolar o sinal característico de cada fase da oscilação, foram separadas as pêntadas que apresentaram valores absolutos do coeficiente temporal desses modos acima (abaixo) do percentil de 75% (25) da distribuição durante o verão (DJF). Segundo o critério adotado, a fase da OMJ caracterizada pelo primeiro modo positivo mostra a intensificação da convecção sobre a faixa tropical do Oceano Índico (Fig. 8a) e supressão sobre o Pacífico oeste-central ( Índico PO) como discutida por Weickmann et al. (1985). De forma oposta, o primeiro modo negativo (Fig. 8c) mostra a supressão da convecção sobre o Índico e intensificação no Pacífico oeste-central ( Índico PO). O segundo modo positivo (Fig. 8d) está associado com a fase em que a convecção se intensifica sobre a América do Sul e Pacifico Central e se desintesifica na Indonésia ( Indonésia AS). O segundo modo negativo (Fig. 8b) está, portanto, associado com a fase em que a convecção se desintensifica sobre a Indonésia e se intensifica sobre a América do Sul ( Indonésia AS).

7 Dezembro 2006 Revista Brasileira de Meteorologia - Edição Especial LBA 35 a) b) esteja associada a 4 dos 6 eventos de seca observados, este fenômeno não parece ser o único fator que modula os extremos em baixa freqüência. Por exemplo, os verões de 1983 e 1984 foram considerados como La Niña fraca e caracterizados por extremos secos. Para os extremos chuvosos, a relação é ainda mais variável. a) Figura 7 Composições de anomalias de geopotencial (m) em 200 hpa durante eventos extremos intrasazonais de (a) chuva e (b) seca. Linhas contínuas (tracejadas) indicam valores positivos (negativos) começando em 10 (-10) com intervalo de 20 a partir de 20 (-20). Áreas sombreadas são estatisticamente significativas ao nível de confiança de 95%, baseado no teste t de Student. Os graus de liberdade foram considerados como na figura 5. b) A relação de ocorrência simultânea de eventos extremos de chuva ou de seca em escala intrasazonal com a presença das fases de propagação convectiva da OMJ (Fig. 9) mostra que extremos de chuva estiveram mais associados à fase Indonésia AS em relação a outras fases, principalmente em relação a fase Indonésia AS (diferença estatisticamente significativa ao nível de 5%). Os extremos de seca apresentam maior ocorrência na fase Indonésia AS e distinção em relação a outras fases. A ocorrência de eventos extremos de chuva ou de seca nas fases que mostram sinal oposto entre o Índico e Pacífico oeste-central apresenta proporções aproximadamente semelhantes. c) d) 4. Variabilidade de Baixa-freqüência Um dos principais mecanismos que modula a precipitação global em baixa freqüência é o fenômeno ENOS (Ropelewski and Halpert, 1987). Entretanto, a compreensão da variabilidade climática de algumas regiões reside em se entender o papel da própria variabilidade nos episódios ENOS e ainda, da interação com outros mecanismos de mais lenta periodicidade. Nesse item serão mostrados importantes aspectos relacionados a períodos extremos em baixa freqüência sobre o centro-sul da Amazônia. A ocorrência dos eventos extremos em baixa freqüência de um verão para o outro (Fig. 10a) mostra que, por se tratar de anomalias de baixa freqüência, quando ocorrem extremos, sejam de seca ou de chuvas, estes caracterizam toda uma estação (Fig. 10b). De fato, isto é conseqüência das lentas oscilações do sinal de baixa freqüência (Fig. 3). As fases do ENOS, classificadas segundo o National Centers for Environmental Prediction/Climate Prediction Center (NCEP/CPC) estão indicadas na figura 10a. Embora a fase quente do ENOS Figura 8 Composições de ROLE na escala de dias relacionados às duas primeiras EOF associadas às fases de propagação convectiva da Oscilação de Madden-Julian. Linhas contínuas (tracejadas) indicam valores positivos (negativos) começando em 2.5 (-2.5) com intervalo de 5. Áreas sombreadas são significativas ao nível de 5% baseado no teste t de Student. Fonte: Carvalho et al., Figura 9 Distribuição de freqüência dos eventos extremos intrasazonais de chuva (P 75 ) e seca (P 25 ) relacionado às fases da OMJ durante o trimestre de DJF para o período de 1979 a 2002.

8 36 Michel Nobre Muza e eila Leila Maria éspoli Véspoli de Carvalho olume olume olume 2 (3a) 2 (3a) 21(3a) Nas composições da precipitação durante eventos extremos de chuva (Fig. 11a), observam-se anomalias positivas sobre a Amazônia estendendo-se em direção à ZCIT, ao passo que no Pacífico central, anomalias negativas são observadas sobre o Pacífico central e positivas nos subtrópicos. Esta configuração é semelhante ao que é observado durante episódios La Niña, embora significativas anomalias positivas de precipitação próximas à região da Indonésia estejam ausentes. Sobre o Pacífico tropical, a composição das anomalias de TSM em baixa freqüên- cia (TSM BF ) indica o favorecimento de um resfriamento sobre o Pacífico tropical, a leste da América do Sul e aquecimento no Pacífico oeste. De maneira oposta, padrões de TSM BF semelhantes ao El Niño são claramente observados durante eventos extremos de seca nas composições da precipitação (Fig. 11b) e TSM BF (Fig. 11d), o que é consistente com a maioria das ocorrências durante episódios quentes. Entretanto, nem todos os extremos em baixa freqüência sobre o centro-sul da Amazônia estiveram relacionados com fases opostas do ENOS. a) b) Figura 10 (a) Variação interanual dos eventos extremos em baixa freqüência de chuva (P 75 ) e seca (P 25 ) e (b) a distribuição de freqüência em relação a persistência de pêntadas extremas. Os símbolos correspondem á fases fria (F), neutra (N) e quente(q), sendo estás subdivididas em: forte (+); moderado (_); ou fraco ( ). Fonte: NCEP/CPC. a) b) c) d) Figura 11 Eventos extremos em baixa freqüência em função da composições das anomalias de: precipitação (mm/dia) para (a) chuva e (b) seca; e TSM (ºC) para (c) chuva e (d) seca. Os mapas apresentam linhas contínuas (tracejadas) indicando valores positivos (negativos), onde áreas sombreadas são estatisticamente significativas ao nível de confiança de 95%, baseado no teste t de Student. Os graus de liberdade corresponde aos eventos considerados em relação a persistência de pêntadas extremas, assim sendo, 5 eventos extremos de chuva e 6 de seca.

9 Dezembro 2006 Revista Brasileira de Meteorologia - Edição Especial LBA 37 Analisando-se os padrões de TSM BF global encontrouse que extremos de chuva também são associados ao dipolo do Atlântico tropical (Norte-Sul) com gradiente apontando para o sul (Fig. 11c), que está de acordo com os resultados de Souza et al. (2004). Entretanto, Mestas-Nuñez e Enfield (1999) mostraram em baixa freqüência, que muitas vezes esse dipolo não é consistente, sendo que apenas se observa um gradiente com baixa intensidade nos centros das anomalias. Por outro lado, nos eventos extremos de seca, nota-se um dipolo caracterizado por TSM BF positivas ao norte do Atlântico Sul próximas à costa leste da América do Sul e TSM BF negativas em latitudes médias (Fig. 11d). Esse dipolo aparece como o primeiro modo de variabilidade do Atlântico Sul, o qual pode ser obtido como a primeira EOF das TSM BF entre o equador e 50ºS (Fig. 12). Este modo explica 32% da variância da TSM BF durante o verão austral. O dipolo do Atlântico Sul foi observado em associação com o padrão de gangorra de precipitação entre a ZCAS e as planícies ao sul do Brasil (Robertson and Mechoso, 2000; Muza, 2005) e aparece como um importante mecanismo relacionado a períodos persistentes de estiagem extrema sobre o centro-sul da Amazônia. Outra característica importante (Fig. 11b) é as anomalias de precipitação com sinal oposto sobre o Sul do Brasil. A existência desse dipolo pode explicar parte da variabilidade dos extremos que não está totalmente associada ao ENOS. Na realidade, a ocorrência de extremos em escala interanual parece depender da combinação entre os padrões de TSM BF do Atlântico e a influência do Oceano Pacífico tropical. Investigando os padrões das anomalias do vento zonal em 200 hpa para extremos de chuva (Fig. 13a), notam-se anomalias de oeste sobre o Pacífico equatorial associadas à célula de circulação zonal de Walker juntamente com o escoamento de leste sobre a porção tropical da América do Sul, semelhante ao que se observa durante a fase fria do ENOS (Karoly, 1989). Nos extremos de seca (Fig. 11b), os padrões de circulação anômala de leste intensificados sobre o Pacífico equatorial contribuem para a corrente de jato sobre o subtrópicos da América do Sul, onde anomalias positivas de precipitação foram observadas. Este último padrão de ventos é consistente com a fase quente do ENOS. A circulação atmosférica de altos níveis responde à modificação das fontes de calor associadas à convecção anômala em grande escala causada por anomalias de TSM durante episódios ENOS (Karoly, 1989). Em baixos níveis, aspectos distintos de circulação do vento em 850 hpa podem ser observados na América do Sul durante eventos extremos no centro-sul da Amazônia (Fig. 14). Para extremos chuvosos, constatou-se um fluxo de ar tropical convergindo de uma circulação anticiclônica sobre o centro-sul da Amazônia e ciclônica a leste dessa região (Fig. 14a). Extremos de seca (Fig. 14b) aparecem associados com anomalias de leste ao norte da região de estudo, que são vistas divergindo em direção a América Central. Anomalias significativas do vento associadas ao jato de baixos níveis (Liebmann et al., 2004) também são notadas ao sul, indicando o fluxo de ar tropical sendo levado aos subtrópicos e estendendo-se até o Atlântico Sul. Este fluxo de ar com forte componente meridional a leste da Cordilheira dos Andes explica o aumento de chuvas sobre o Sul do Brasil e Uruguai e secas sobre a América do Sul tropical (Fig. 11b). a) b) Figura 12 Correlação entre o primeiro modo de variabilidade e as anomalias de TSM em baixa freqüência observadas no Atlântico Sul durante o verão (DJF) no período de 1979 a Linhas contínuas (tracejadas) indicam valores positivos (negativos) com intervalo de 0.1 (-0.1). Áreas sombreadas indicam significância estatística ao nível de 5% de acordo com o teste t de Student. Figura 13 Composições das anomalias da componente zonal do vento (m s -1 ) em 200 hpa durante eventos extremos de (a) chuva e (b) seca em baixa freqüência. As linhas contínuas (tracejadas) indicam valores positivos (negativos) começando em 0.5 (-0.5) com intervalo de 2 a partir de 2 (-2). Áreas sombreadas são significativas ao nível de 95%, baseado no teste t de Student.

10 38 Michel Nobre Muza e eila Leila Maria éspoli Véspoli de Carvalho olume olume olume 2 (3a) 2 (3a) 21(3a) a) b) Figura 14 Composições das anomalias de vento (m s -1 ) em 850hPa durante eventos extremos de (a) chuva e (b) seca em baixa freqüência. A escala de intensidade do vetor máximo está indicada no rodapé do mapa. Áreas sombreadas são significativas ao nível de 95% na componente zonal e meridional, baseado no teste t de Student. 5. Intercomparações de escalas temporais A relação entre a ocorrência simultânea de eventos extremos de precipitação ou seca nas distintas escalas temporais abordadas foram consideradas com a finalidade de conhecer a contribuição dos extremos em escala intrasazonal para a baixa-freqüência. Utilizando-se os critérios para a seleção de extremos descritos no ítem 2 foram selecionados 26 eventos intrasazonais de chuva e 18 de seca (Tabela 1). Nota-se que apenas 5 eventos extremos de chuva (19% do total) ocorreram em anos extremos chuvosos, 6 eventos (23% do total) ocorreram em anos secos, enquanto 58% dos casos ocorrem em outras situações. Para inferir se esses resultados são estatisticamente robustos foi usado o teste de diferença de duas proporções. Considerando-se a e b o número de ocorrência de eventos em categorias distintas, p^ 1 = a / n 1 e p^ 2 = b / n 2 e as proporções e n1 e n2 são os números de anos secos ou chuvosos na escala interanual, (Helms, 1967) temos: Onde p^ = p^ 1 + p^ 2 e q^ = 1 (p^ 1 + p^ 2). A hipótese H 0 é que p 1 = p 2 e, alternativamente, H 1 é que existe um aumento (ou diminuição) de eventos extremos de chuva ou seca em escala intrasazonal de acordo com o sinal do extremo em baixa-freqüência. Neste caso, para o nível de significância de 5%, não se pode rejeitar Ho se z O teste indica que a ocorrência de extremos de chuva ou de seca em escala intrasazonal não parece modular os extremos em baixa-freqüência. Esse comportamento é reflexo do fato que extremos intrasazonais de chuva ou seca ocorrem praticamente em todos os verões, com uma freqüência (1) Tabela 1 Relação entre a ocorrência de eventos extremos de chuva (P75) e seca (P25) na escala temporal de dias com os extremos em baixa-freqüência: 5 verões chuvosos e 6 secos, outros corresponde a 12 verões. Valores de z (veja no texto) referem-se ao teste de diferença de duas proporções, onde z crítico para significância estatística ao nível de 5% é z c 1.64 para uma distribuição normal.

11 Dezembro 2006 Revista Brasileira de Meteorologia - Edição Especial LBA 39 de um a dois eventos com persistência média de 1 a 2 pêntadas (Fig. 4b). Além disso, extremos de seca podem compensar os chuvosos, não alterando efetivamente o total de chuva observado numa estação. Por outro lado, extremos em baixa freqüência não são observados todos os verões e estes, quando observados, persistem com o mesmo sinal por praticamente todo o verão. É possível que a contribuição em outras bandas de freqüência não consideradas nesse estudo, como a escala sinótica, tenham também importante papel em modular os extremos de baixafreqüência de chuvas/secas durante uma estação, em associação aos distúrbios intrasazonais. 5. Conclusão Estudos prévios indicaram que a característica espaçotemporal da precipitação na América do Sul é influenciada por mecanismos relacionados à variabilidade intrasazonal a interanual. Nesse contexto, tais mecanismos poderiam vir a afetar as características dos eventos extremos de precipitação ou estiagem sobre o centro-sul da Amazônia, região que apresenta máximos relativos nos percentis de 75 e 25% de precipitação sobre a região continental sul-americana. O objetivo deste trabalho foi distinguir como fenômenos em escala intrasazonal (20-90 dias) e de mais baixa freqüência (períodos maiores do que 370 dias) modulam esses extremos, durante a estação de máxima precipitação no sul da Amazônia e Brasil central, a qual está em fase com as monções de verão da América do Sul. Eventos extremos intrasazonais de chuva (seca) foram associados a uma intensificação da componente zonal de oeste (leste) em 200 hpa sobre a região em estudo. Isso parece associado aos padrões de alternância no sinal das anomalias intrasazonais sobre os trópicos e subtrópicos da América do Sul, sugerindo a propagação de um trem de ondas de latitudes médias em escala intrasazonal, cuja fase parece modular a variabilidade espacial dos extremos de chuva e seca. Em baixos níveis, esse trem de ondas tem um papel importante no transporte de umidade da Bacia Amazônica para Sudeste ou Sul do Brasil. A variação do direcionamento do eixo do jato de baixos níveis está associada a trens de ondas se propagando do Pacífico Sul para o subtrópicos da América do Sul originados de latitudes tropicais a oeste da linha-de-data (Liebmann et al., 2004). Estes mecanismos podem estar relacionados às fases de propagação da OMJ, sobretudo quando se observa supressão (convecção) sobre a Índonésia e convecção (supressão) sobre a América do Sul. Desta forma, durante o verão, as características da atmosfera na troposfera superior e em baixos níveis a leste da América do Sul têm papel fundamental na gangorra de precipitação entre as planícies no Sul do Brasil e as regiões afetadas pela ZCAS, inclusive o centro-sul da Amazônia, devido às anomalias intrasazonais ciclônicas ou anticiclônicas das circulações sobre o Sudeste e Sul do Brasil. Em baixa freqüência, os extremos chuvosos sobre o centro-sul da Amazônia mostraram-se relacionados com anomalias positivas de precipitação na ZCIT. Nessa região, as anomalias de leste no vento zonal em 200 hpa parecem associadas à fase fria do ENOS, como mostrado nos padrões de anomalias da TSM BF. Entretanto, outros fatores podem estar influenciando os extremos de chuva, pois na composição da precipitação não se observaram anomalias significativas relacionadas à padrões de La Niña na região da Indonésia, assim como nem todos os episódios La Niña foram relacionados à extremos chuvosos. Extremos de seca foram associados às anomalias negativas de precipitação na ZCIT e também na ZCAS. A presença de anomalias de oeste em altos níveis é associada à convecção anômala no Pacífico central-leste devido à fase quente do ENOS, que é consistente com as anomalias de TSM BF e o sinal oposto na precipitação visto no Sul do Brasil. Por outro lado, nem todos extremos de seca estão associados ao El Niño. Estes resultados indicam o papel importante da TSM BF tanto do Pacífico tropical quanto do Atlântico Sul. Os padrões de anomalias da TSM BF globais observados mostraram um dipolo meridional no Atlântico Sul associado aos extremos de seca, enquanto para extremos de chuva notou-se a presença de dipolo sobre o Atlântico tropical. Estes resultados indicam outras possíveis forçantes da variabilidade de baixa-freqüência que não estariam associadas apenas à influência do ENOS. Estes mecanismos exercem um papel sobre a circulação de altos e baixos níveis, e podem favorecer períodos persistentes de seca ou chuva no centro-sul da Amazônia. 6. Agradecimentos Os autores agradecem à Agência Nacional de Energia Elétrica pela disponibilização dos dados de pluviômetros, ao NCEP-NCAR e a NOAA-CIRES Climate Diagnostics Center pelo fornecimento de dados. A colaboração do Dr. Brant Liebmann no tratamento dos dados de chuva e do Dr. Charles Jones no suporte metodológico foram de grande valor para este trabalho. Os autores agradecem à FAPESP (proc. 02/ ). M. N. Muza agradece ao suporte financeiro FAPESP (02/ ). L. M. V. Carvalho agradece ao CNPq (302203/02-8 e /04-0). 7. Referências CARVALHO, L.M.V.; JONES C.; SILVA DIAS, M. A. F. Intraseasonal large-scale circulations and mesoscale convective activity in Tropical South America during the TRMM-LBA campaign. Journal of Geophysical Research, v. 29, p. 1-20, Aug

12 40 Michel Nobre Muza e eila Leila Maria éspoli Véspoli de Carvalho olume olume olume 2 (3a) 2 (3a) 21(3a) CARVALHO, L. M. V.; JONES, C.; LIEBMANN, B. The South Atlantic convergence zone: intensity, form, persistence, relationships with intraseasonal to interannual activity and extreme rainfall. Journal of Climate, v. 17, p , July Dessay, N.; Laurant, H.; Machado, L. A. T.; Shymabukuro, Y. E.; Diedhiou A.; Ronchai J. Comparative study of the and El Niño events over different types of vegetation in South America. International Journal of Remote Sensing, v. 25, p , Set Drumond, A. R. M.; Ambrizzi, T. Estudo observacional e numérico da variação da circulação atmosférica nas Américas em episódios extremos da Oscilação Sul. Revista Brasileira de Meteorologia., v. 18, p. 1-12, Ferranti, L.; Palmer, T.N.; Monteni, F.; and Klinker, E. Tropical-extratropical interaction associated with the day oscillation and its impact on medium range prediction. Journal Atmospheric Science, v. 47, p , Grimm, A.M.; Silva Dias, P.L. Analysis of tropicalextratropical interactions with influence functions of a barotropic model. Journal Atmospheric Science, v. 52, p , Mar HELMS, H.D. Fast Fourier Transform Method of Computing Difference Equations and Simulating Filters. IEEE Transactions on Audio and Electroacoustics, v. 15, p HOSKINS, B.J.; AMBRIZZI T. Rossby Wave propagation on a realistic longitudinally varying flow. Journal Atmospheric Science, v. 50, p , Aug HUFFMANN, G. J.; Co-authors. The Global Precipitation Climatology Project (GPCP) Combined Precipitation Dataset Bulletin of the American Meteorological Society, v. 78, p. 5-20, July Jones, C.; CARVALHO L.M.V. Active and break phases in the South American Monsoon System. Journal of Climate, v. 15, p , Apr Jones, C.; e CARVALHO, L.M.V.; Higgins, R.W.; Waliser, D.E.; Schemm, J.-K.E. Climatology of Tropical Intraseasonal Convective Anomalies: Journal of Climate, v. 17, p , Feb Kalnay, E.; Co-authors. The NCEP/NCAR Reanalysis 40-year Project. Bulletin of the American Meteorological Society, v. 77, p karoly, d.j., Southern hemisphere circulation features associated with El Niño Southern Oscillation Events. Journal of Climate, v. 2, p , KOUSKY, V.E.; KAYANO, M.T. Principal Modes of outgoing longwave radiation and 250-mb circulation for the South American sector. Journal of Climate, v. 7, p , July Liebmann, B., and Smith C., Description of a complete (interpolated) outgoing longwave radiation. Bulletin of the American Meteorological Society, v. 77, p Liebmann, B., Kiladis, G.N., Marengo, J.A., Ambrizzi, T., Glick, J.D., Sub monthly convective variability over South America and the South Atlantic Convergence Zone. Journal of Climate, v. 12, p , July Liebmann, B.; KILADIS G.N.; vera,, c.s.; SAULO, A.C.; Carvalho, L.M.V. Subseasonal variations of rainfall in South America in the vicinity of the low-level jet east of the Andes and comparison to those in the South Atlantic Convergence Zone. Journal of Climate, v. 17, p , Oct. 2004a. Madden, R.A.; Julian, P.R. Observations of the day tropical oscillations A Review. Monthly Weather Review, v. 122, p , May MARENGO J.A.; Co-authors. Onset and End of the Rainy Season in the Brazilian Amazon Basin. Journal of Climate, v. 4, 14, p , Mar MESTAS-NUÑEZ, A.M.; ENFIELD, D.B. Rotated Global Modes of Non-ENSO Sea Surface Temperature Variability. Journal of Climate, v. 12, p , Dec Muza, M.N. Variabilidade Intrasazonal e Interanual dos Eventos Extremos de Precipitação e Seca no Sul e Sudeste do Brasil durante o Verão Austral f. Dissertação (Mestrado em Ciências). Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2005.

13 Dezembro 2006 Revista Brasileira de Meteorologia - Edição Especial LBA 41 Nobre, C.A.; Sellers, P.J.; Shukla, J. Amazonian deforestation and regional climate change. Journal of Climate, v. 4, p Paegle, J.N.; Byerle, L.A.; Mo, K. C. Intraseasonal Modulation of South American Summer Precipitation. Monthly Weather Review, v. 128, p Mar robertson, A.W.; MECHOSO, C.R. Interannual and interdecadal variability of the South Atlantic convergence zone. Monthly Weather Review, v. 128, p , Jan Ropelewski, C.H.; Halpert, S., Global and regional scale precipitation patterns associated with the El Niño/Southern Oscillation. Monthly Weather Review, v. 115, p , Jan SOUZA, E. B. de; KAYANO, M. T.; TOTA, J.; PEZZI, L.; FISCH, G.; NOBRE, C. On the Influences of the El Niño, La Niña and Atlantic dipole pattern on the Amazonian Rainfall during Acta Amazonica, v. 30, p SOUZA, E. B. de; KAYANO, M. T.; AMBRIZZI, T. The Regional Precipitation Over the Eastern Amazon/Northeast Brazil Modulated by Tropical Pacific and Atlantic SST Anomalies on Weekly Timescale. Revista Brasileira de Meteorologia, v. 19, p Xie, P. J. E.; Co-authors. GPCP pentad precipitation analysis: an experimental dataset based on gauge observations and satellite estimates. Journal of Climate, v. 16, p , Dec Zhou, J.; Lau, K. M. Does a monsoon climate exist over South America? Journal of Climate, v. 11, p , July Weickmann, K.M.; Lussky, G.R.; Kukbach, J.E. Intraseasonal (30-60 day) fluctuation of outgoing longwave radiation and 250 mb stream function during northern winter. Monthly Weather Review, v. 113, p , June Wilks, D. S. Statistical methods in the Atmospheric Sciences. New York: Academic Press, 1995.