PROGRAMA PARA A VISUALIZAÇÃO DA GRADE DE TEMPERATURA SUPERFICIAL DOS OCEANOS E EDIÇÃO DE MÁSCARAS NUMÉRICAS CONTINENTAIS

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1 PROGRAMA PARA A VISUALIZAÇÃO DA GRADE DE TEMPERATURA SUPERFICIAL DOS OCEANOS E EDIÇÃO DE MÁSCARAS NUMÉRICAS CONTINENTAIS Fábio Vieira Machado 1, Victor de Amorim d Ávila 2 ABSTRACT: The sea surface temperature (SST) described by a high-resolution global grid is of growing interest for Meteorology, Oceanography and other sciences. We present here a C++ code to read the SST data sets furnished by NOAA, and software to define numerically the continental landmasses and to display the grid of the month average of the surface temperature over all oceans. In the spatial grid, represented for each degree of latitude and longitude, the monthly average of the sea surface temperature in the respective area is presented. The program allows us to create, edit and select numerical masks for the delimitation of the continents and oceans. The software also permits the choice of the central meridian and the intervals of temperature to plot. The user can also adjust the scale of colors for the definition of the bands of temperatures in order to better evidence the thermal features of interest. This work presents as results graphical software for the visualization of the grid of SST for the selected mask, the calculation of the average temperature, and the respective area. These results can be used for studies of the processes that involve the global changes of the climate. RESUMO: A temperatura da superfície dos oceanos (TSO) detalhada por uma grade global de alta resolução espacial e temporal é de grande interesse para várias áreas do conhecimento científico como a Meteorologia e a Oceanografia. Apresentamos aqui uma rotina em código C++ para leitura dos dados referentes a TSO obtidos da NOAA, e um software para definir numericamente as massas continentais e exibir a grade da média mensal da temperatura da superfície dos oceanos. Na grade espacial, representada para cada grau de latitude e longitude, é apresentada a média mensal da temperatura das águas superficiais na respectiva área. O programa permite editar e selecionar máscaras numéricas para a delimitação dos continentes e oceanos. O programa também admite a escolha do meridiano central de observação e o intervalo de temperatura que se deseja mapear. A escala de cores na definição das faixas de temperaturas pode ser ajustada no programa de forma a melhor evidenciar as características térmicas de interesse. Assim, esse trabalho apresenta como resultado um programa de visualização da grade de 1 Rua do Matão, Laboratório de Interação ar-mar, Departamento de Ciências Atmosféricas, Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas, Universidade de São Paulo, São Paulo, SP, Brasil. ( fabiovm@usp.br) 2 Rua São Francisco Xavier, 524. Departamento de Oceanografia, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro RJ, Brasil. ( victor@uerj.br) 1

2 TSO para a máscara selecionada, o cálculo da temperatura média e a respectiva área. Esses resultados podem ser usados nos estudos dos processos que envolvem as alterações globais do clima. INTRODUÇÃO A compreensão dos processos envolvidos nas alterações globais do clima requer a medida e o monitoramento de vários parâmetros ambientais. Um dos fatores mais relevantes para o estudo das mudanças climáticas em escala global é a temperatura da superfície dos oceanos (TSO). Os oceanos, de fato, apresentam-se como um grande reservatório de calor em latitudes tropicais que, devido às correntes, exibem também uma grande capacidade de transporte de energia térmica. Essa combinação de capacidade térmica e mobilidade das águas oceânicas tem importância fundamental para o clima da Terra. Um exemplo da relevância da TSO para estudos do clima é a sua utilização nos estudos de pesquisas climáticas como, por exemplo, as correntes de contorno oeste dos oceanos (Pedlosky, 1996). Essas correntes realizam o mencionado transporte da energia estocada na faixa equatorial dos oceanos para as zonas de alta latitude. O fenômeno El Niño também se caracteriza pelo transporte de calor de oeste para leste no Oceano Pacífico equatorial (Cane, 1983; Philander, 1990). O deslocamento da piscina de água quente do Pacífico (PAQ) apresenta-se como um mecanismo significante no estudo desse fenômeno (McPhaden e Picaut, 1990; Nor e Gorder, 1999; DZ, 2003; Machado et al., 2004). A diferença de temperatura entre o ar da camada mais baixa da atmosfera e a água superficial do oceano provoca transferência de calor entre os dois fluidos, e a atmosfera, por apresentar menor capacidade térmica, tende a se ajustar à temperatura do oceano (Niiler, 1998). Segundo Yan et al. (1992b) a atmosfera global é particularmente influenciada por variações da temperatura superficial na PAQ pelo fato da piscina apresentar uma ampla área de água quente e pela troca de calor turbulenta entre o oceano e a atmosfera ser uma função não-linear da TSO. O ar ascendente da célula de Circulação de Walker está relacionado com a PAQ, enquanto o ar descendente localiza-se sobre as águas oceânicas mais frias no Pacífico equatorial leste e em mais altas latitudes (Yan et al.,1992a). Sabe-se, portanto, que a interação entre o oceano e a atmosfera é um fenômeno que ocorre não só em escala local, mas também em escala global. Desta forma, diferentes escalas do movimento do ar estão envolvidas na transferência de calor entre o oceano e atmosfera e, por esta razão, o clima global responderá, direta ou indiretamente, às mudanças na TSO. Assim, um melhor entendimento dessas interações requer que a TSO seja detalhada em uma grade global de alta resolução espacial e temporal. 2

3 Dados semanais e mensais referentes a TSO estão disponíveis na Internet na página da NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration). Informações oriundas de navios e bóias são utilizados em conjunto com as dos satélites operacionais da NOAA para obter o campo de temperatura na forma de uma grade espacial onde cada ponto representa uma área de um grau de latitude por um grau de longitude, cujo valor atribuído corresponde à média semanal ou mensal da temperatura das águas superficiais naquela área. Apresentamos neste trabalho um código em C++ para a leitura dos campos de TSO no formato binário em que se apresentam na página da NOAA e um software para visualização dos continentes e da grade de distribuição mensal da TSO. Como resultado, retorna uma figura representativa da grade de TSO para a área selecionada na máscara, assim como o cálculo da temperatura média, da respectiva área e o centro térmico. Além disso, o centróide da PAQ é estimado em coordenadas esféricas, assim como em Machado et al. (2004). De acordo com os autores, o centróide pode ser utilizado como uma forma alternativa para monitorar e descrever os deslocamentos da PAQ e dos eventos de El Niño. Os únicos parâmetros definidos arbitrariamente seriam o mínimo valor de TSO na definição da PAQ e as barreiras continentais impostas ao movimento da PAQ. Como as correntes exibem fortes gradientes de temperatura superficial, os resultados obtidos pelo programa, como, por exemplo, a variação espaço-temporal do centro térmico calculado para um intervalo de temperatura superficial, podem ser usados para determinar seus deslocamentos que, por sua vez, são importantes para aperfeiçoar o conhecimento da circulação dos oceanos, transporte de calor, e melhor entender os processos que envolvem as alterações globais do clima. Igualmente, os posicionamentos da PAQ e do centróide também podem ser utilizados como condições iniciais e de contorno em modelos numéricos. Na seção 2 desse artigo, resume-se a descrição dos dados utilizados para gerar a máscara numérica e o campo de TSO, enquanto que na seção 3 é apresentado o programa e a estrutura do modelo descrevendo os aspectos do código. Os resultados e uma discussão são feitas na seção 4 e 5, respectivamente.atividades em andamento é descrita na seção 6. 3

4 DESCRIÇÃO DOS DADOS No ano de 1985, a Organização Meteorológica Mundial e o Serviço Nacional do Tempo (NWS) dos Estados Unidos determinaram o Centro Nacional para Previsão Ambiental (NCEP) como núcleo para armazenamento de dados globais da TSO em apoio ao Programa de Pesquisa Climática Mundial (Reynolds, 1988). O NCEP organiza os dados medidos in-situ e derivados de satélite para criar uma rede de alta resolução espacial e temporal da TSO e disponibiliza para pesquisadores através do programa TOGA, na página do NOAA (ftp://ftpprd.ncep.noaa.gov/pub/cmb/sst/). Temperatura superficial dos oceanos (TSO) Os dados utilizados resultam das análises de Reynolds e Smiths (1994) e fornecem os campos mensais de TSO com resolução espacial de um grau de latitude por um grau de longitude. As informações das etapas de processamento e das informações para utilização dos campos de TSO são descritas por Reynolds e Stokes (2001) no arquivo readme, disponível no diretório FTP (ftp://poodac.jpl.nasa/pub/ sea_ surface_temperature/reynolds /oisst/data/oimonth). Os campos mensais estão armazenados em arquivos anuais denominados oi.month.comp.bias.*, onde * representa o ano. O arquivo oi.month.comp.bias.1985, por exemplo, contêm os dados mensais do ano Como a organização dos arquivos consiste de um arranjo de números binários na forma de uma matriz (ou grade), cada elemento desta grade tem sua localização definida em um sistema de coordenadas do tipo linhas e colunas (Figura 1). Os números são inteiros e representados por dois bytes (unidade de informação representada por oito bits). Linha Coluna Figura 1 - Esquema do arranjo de dados da TSO. A primeira dimensão na organização dos dados de temperatura é a longitude (variável i), na qual o ponto um (i =1) equivale à longitude 179.5ºW, o segundo (i =2) 178.5ºW, e assim por diante até o último ponto (i =360) igual a 179.5ºE. A segunda dimensão (variável j) é a latitude, na qual o ponto um 4

5 (j =1) equivale à latitude 89.5ºS, o segundo (j = 2) 88.5ºS, e assim por diante até o último ponto (j =180) igual a 89.5ºN. Ou seja, a origem deste sistema é a primeira coluna e a última linha. A área ilustrada na figura 2 representa uma área da malha com um grau quadrado de latitude e longitude, e a TSO é indicada no centro da grade. (-111º; -10º) (-110º; -10º) (-111º; -11º) (-110º; -11º) TSO (-110,5; -10,5) Figura 2 Representação esquemática da TSO sobre uma área da grade entre as longitudes 110º e 111ºW e latitudes 10º e 11ºS. A TSO está indicada pelo ponto médio da grade. Máscara Numérica Os oceanos e os continentes são definidos por uma máscara numérica denominada máscara terraoceano. Esse conjunto de dados também se encontra no formato binário, disponível no mesmo diretório que contêm os dados de TSO. A grade espacial está definida de acordo com a estrutura de dados da TSO. Os valores no arquivo formam um conjunto de números 0 (zero) e 1 (um) para representar as áreas continentais e oceânicas, respectivamente (Reynolds e Stokes, 2001). PROGRAMA PARA A VISUALIZAÇÃO GEOGRÁFICA DA GRADE DE TSO E EDIÇÃO DE MÁSCARAS NUMÉRICAS CONTINENTAIS: COORDENADAS BIDIMENSIONAIS Após a fase de leitura dos dados, confeccionamos um programa em linguagem C++ para representar geograficamente as massas continentais e exibir a grade da média mensal da TSO. O programa permite criar, editar e selecionar máscaras numéricas para a delimitação dos continentes e oceanos. Além de apresentar graficamente a grade de TSO para qualquer época disponível no banco de dados, o programa admite a escolha do meridiano central de observação e o intervalo de temperatura 5

6 que se deseja mapear. A escala de cores na definição das faixas de temperaturas pode também ser ajustada no programa de forma a melhor evidenciar as características térmicas de interesse. A estrutura do programa para visualização da grade de TSO e edição de máscaras numéricas continentais está ilustrado na figura 3. O mapa representa a máscara numérica global e está centralizado no meridiano de 155ºW (especificado no botão Meridiano Central ). Figura 3 - A estrutura do programa com a máscara global centralizada no meridiano de 155º W. Em preto estão representados os continentes e ilhas e em branco os oceanos, mares e lagos. Comandos para entrada de dados no programa Cada botão de comando da interface gráfica do programa realiza uma função específica, cuja descrição é feita a seguir. 6

7 Editar Máscara Esta função é utilizada para criar uma nova máscara numérica representativo da terra e do oceano a partir de um modelo global pré-existente (ftp://poodac.jpl.nasa/pub/sea_surface_temperature/reynolds /oisst/data/oimonth). Substitui o conjunto de pontos indicados pelos numerais 0 (zero) e 1 (um), respectivamente, representando os continentes e oceanos. A figura 4 é um exemplo da máscara global editada para o Oceano Pacífico. É possível, também, editar textos indicativos na máscara. América do Norte Austrália Figura 4 Máscara numérica editada representativa do Pacífico. Em preto os continentes e ilhas e em branco o oceano. Abrir Máscara A sub-rotina associada a este comando acessa uma máscara numérica já existente. Preenche o conjunto de pontos da tela contidos nos quadrados indicados pelos numerais 0 (zero) ou 1 (um) com a cor preta ou branca, respectivamente, representando os continentes e oceanos. A escolha do meridiano central é permitida de forma a melhor evidenciar a área de interesse da malha selecionada. Selecionar Arquivo Ano Este comando permite especificar o arquivo anual de dados da TSO que se deseja visualizar na grade espacial da máscara escolhida. É necessário, ainda, que se preencha um campo na interface gráfica reservado para a escolha do mês a representar. 7

8 Intervalo de temperatura Máx. / Min. (Campos de máximo e mínimo de TSO) As duas caixas admitem a escolha dos limites máximo e mínimo de TSO que se deseja mapear. A PAQ é representada no programa a partir destes campos. Global (Faixas de temperatura) Desativa os campos máximo e mínimo e habilita a rotina para mapear intervalos de TSO na escala de cores da legenda. Traçar TSO Este botão inicia uma seqüência de instruções para realizar a representação gráfica da distribuição de TSO. O primeiro passo da rotina de programação consiste na leitura da base de dados, em arquivo binário, selecionada no botão Abrir Máscara. Em seguida realiza uma operação matricial entre a base de dados de temperatura e a máscara numérica escolhida. O resultado desta etapa é um arquivo que contêm apenas as informações relativas aos quadrados sobre os oceanos. De acordo com o item Intervalo de temperatura, se a caixa Global estiver ativada o programa atribui uma mesma cor para todos os pontos da tela do computador contidos dentro de um mesmo intervalo de temperatura. Cada cor representa uma faixa de temperatura previamente definida no código fonte (Figura 5). Se a caixa Global estiver desativada o intervalo de temperatura pode ser definido pelo usuário de forma a melhor evidenciar as características térmicas de interesse. O programa atribui a cor vermelha para todos os pontos contidos dentro do intervalo de temperatura definido pelo usuário. A PAQ é observada no programa a partir destes campos. Figura 5 - Faixa de cores para os intervalos de temperatura. 8

9 Salvar Figura Esta opção garante que a grade de TSO sobre a máscara selecionada seja gravada em disco como figura em diferentes formatos como, por exemplo, Bitmap. Dados de saída do programa Como descrito anteriormente, dois resultados diferentes são obtidos em função da opção Intervalo de Temperatura. Se a opção global for selecionada, além de exibir graficamente o campo mensal da TSO para qualquer época disponível no banco de dados, o programa calcula a área e a temperatura média da região oceânica limitada pela máscara (Figuras 6a e 6b). Se o intervalo de temperatura for definido pelo usuário, o programa exibe graficamente uma ou mais regiões sobre a superfície oceânica compreendida no intervalo. Calcula, então, a área total dessas regiões e determina as coordenadas geográficas do centróide, de acordo com Machado et. al. (2004), plotando-o na tela. Na figura 7 está representado o programa com o intervalo de temperatura definido acima de 29ºC. 9

10 6a 6b Figura 6 - Resultados obtidos com a opção intervalo de temperatura, para setembro de (6a) Máscara numérica Global, centralizada em Greenwich, e a grade de TSO com as faixas de temperatura em cores. (6b) Máscara numérica representativa do Pacífico centralizada em 155ºW e a grade global de TSO. Note os diferentes valores da TSO média (Temp. Média) e da área preenchida pelo oceano. 10

11 Figura 7- Resultados obtidos com a opção global selecionada, para a setembro de 1988 utilizando a máscara numérica representativa para o Pacífico, centralizada em 155ºW. Nota-se a TSO acima de 29ºC em vermelho, definida nas caixa de máximo e mínimo de temperatura, e fora do intervalo em azul. Observe-se, também, a posição do centróide para essa época (10ºN, 139,5ºE) e a área da PAQ (18 x 10 6 Km 2 ) no alto da figura. 11

12 RESULTADOS Na figura 8 está representada a distribuição das TSO em faixas de cores para cada intervalo de temperatura definida na Figura 5 para os meses ímpares para o ano de /97 01/98 03/98 05/98 07/98 09/98 11/98 Figura 8 Seqüência de imagens dos meses ímpares do ano de 1998 geradas pelo programa de visualização gráfica para a máscara numérica representativa do Pacífico. As diferentes cores representam intervalos de TSO. 12

13 Observa-se nesta figura que, durante os meses de janeiro, março e maio, o Oceano Pacífico é coberto por altos valores de TSO (27-29ºC) em toda sua extensão. Essa é uma característica marcante de um evento de El Niño, definido como um fenômeno oceanográfico que apresenta altos valores de temperatura no Oceano Pacífico Equatorial central e leste. É particularmente notado, durante os meses de julho, agosto e setembro, a extensão da língua fria característica do fenômeno La Niña, em resposta a ressurgência equatorial e costeira sul-americana. Na figura 9 estão representadas a PAQ para os meses de janeiro, fevereiro e março, assim como para junho, agosto e setembro de Esses são meses representativos dos máximos deslocamentos para leste (janeiro-março) e para oeste (julho-setembro) durante um episódio de El Niño. 01/98 02/98 03/98 08/98 07/98 04/98 05/98 06/98 09/98 Figura 9 Representação do Oceano Pacífico com destaque para a piscina quente do Pacífico com temperatura acima de 29ºC para janeiro, fevereiro e março (em cima) e julho, agosto e setembro de 1998 (em baixo) de O x representa a posição do centróide descrito por Machado e d'ávila (em preparação) e Machado et. al. (2004). Note-se que a PAQ desloca-se para leste na faixa intertropical do Pacífico durante o episódio de El Niño 1998 e alcança a costa Oeste da América do Sul em março. Cabe ressaltar que durante o ano de 1983 a PAQ e o centróide deslocaram-se com o mesmo padrão cobrindo toda extensão do Pacífico equatorial. No entanto, a PAQ preencheu uma área menor para esse ano (Figura 10). Observe-se, também, que em setembro do mesmo ano a PAQ volta a localizar-se no extremo oeste do Pacífico, indicando a fase La Niña. 13

14 Figura 10 Diferença, mês a mês entre os anos de e , da área preenchida pela PAQ do Pacífico com temperatura acima de 29ºC. A área é calculada de acordo com Machado e d'ávila (em preparação) e Machado et. al. (2004) e obtida neste trabalho no programa de interface gráfica. DISCUSSÃO Nas últimas décadas tem-se investido no desenvolvimento observacional, teórico e computacional, com a finalidade de compreender o sistema acoplado oceano-atmosfera. A medida e o monitoramento da estrutura espacial e temporal da TSO é de fundamental importância para a compreensão dos processos dinâmicos e termodinâmicos comprometidos nas mudanças climáticas em escala global. A rotina desenvolvida em código C++ disponibiliza o banco de dados da média mensal da TSO em arquivo decimal para cada ponto da grade espacial de um grau de latitude por um grau de longitude de acordo com a estrutura dos dados. O programa de interface gráfica permite a edição de máscaras numéricas para representar as regiões continentais e oceânicas de maior interesse. Além disso, exibe graficamente o campo mensal da TSO para o período disponível no banco de dados sobre a máscara selecionada e, também, calcula a temperatura média e a área oceânica representada. As imagens geradas formam a nossa fonte de informação para descrição e análise dos processos evolutivos associados a TSO. 14

15 Os resultados obtidos pelo programa podem ser utilizados como condições iniciais e de contorno em modelos numéricos, para determinar as correntes, estimar o fluxo de calor, entre outros. De fato, o deslocamento da PAQ apresenta-se como uma forma alternativa para monitorar e descrever a evolução do fenômeno El Niño. Sua principal vantagem está no fato de depender de apenas um parâmetro arbitrário, o mínimo valor da temperatura da água superficial do Oceano Pacífico tropical para representar a PAQ. Qualquer modificação na distribuição de TSO, por sua vez, é de grande importância para o melhor conhecimento da circulação dos oceanos, do transporte de calor no sistema atmosfera - oceano, e dos vários processos que envolvem as alterações globais do clima. ETAPAS EM DESENVOLVIMENTO Até o presente momento o programa de interface gráfica foi desenvolvido para representar os continentes e oceanos em coordenadas bidimensionais, como se a superfície em questão fosse uma região plana. No entanto, torna-se necessário uma representação da distribuição de TSO em coordenadas tridimensionais. Na figura 11 está representada a primeira versão do programa para visualização da Terra na forma de uma esfera centralizados em diferentes paralelos e meridianos. A única diferença entre esta e a versão anterior são as caixas de opção da forma de representação da grade de TSO e da máscara numérica sobre a superfície. O programa desenvolvido em coordenadas tridimensionais admite uma representação mais realística da superfície da Terra. Além de todas as opções da versão bidimensional, o programa ainda permite rotacionar a Terra em torno de um eixo horizontal e um outro vertical, para que seja possível visualizar a região desejada. A figura 12 é um exemplo da representação da superfície da Terra centralizada em 90ºN. As versões bi e tridimensional foram escritas para plotar os campos mensais de TSO. Atualmente, está sendo desenvolvido o programa de interface gráfica para representar os campos semanais da TSO descritos por Reynolds et al. (2002). 15

16 11a 11b Figura 11 - Resultados preliminares do programa de visualização da grade de TSO em 3D com a opção Esfera 3D e máscara numérica Global, (a) centralizada no Equador e em 10ºE e, (b) em 90ºN. 16

17 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Cane, M.A., 1983: Oceanographic events during El Niño. Science, 222 (4629), DZ, S., 2003: Possible effect of an increase in the warm-pool SST on the magnitude of El Niño warming. J. Climate, 16, Machado, F.V., J. Soares, e V.A. d'ávila, 2004: Resultados preliminares do estudo da variabilidade espacial e temporal da piscina de água quente do oceano pacífico. XIII Congresso Brasileiro de Meteorologiaia, Fortaleza, Ceará. McPhaden, M.J., e J. Picaut, 1990: El Niño-Southern Oscillation displacements of the western equatorial Pacific warm pool. Science, 250, National Aeronautics and Space Administration - JPL - PODAAC. Data: oimonth. California Institute of Technology, Pasadena, Califórnia. 05/08/2001. Disponível na Internet. ftp://poodac.jpl.nasa/pub/sea_surface_temperature/reynolds/oisst/data/oimonth 12 ago National Oceanic and Atmospheric Administration NWS NCEP CPC. Data: sst. Climate Prediction Center, Camp Springs, Maryland. Disponível na Internet. ftp://ftp.ncep.noaa.gov/pub/cmb/sst/ 29 mar Niiler, P.P. The Ocean Circulation. IN: Trenberth, K.E. Climate System Modeling. Cambridge: Cambridge University Press, pp Nof, D., e S.V.Gorder, 1999: Intense nonlinear migration of the Pacific warm pool. Deep-sea Research I, 46, Pedlosky, J., Ocean Circulation Theory. Springer-Verlag, Heidelberg, 453 pp. Philander, S.G.H., 1990: El Niño, La Niña, and the Southern Oscillation. Academic Press, California. 293 pp. Reynolds, R.W., A real time global sea surface temperature Analysis. J. Climate, 1, Reynolds, R.W., e T. M. Smith, 1994: An improved global sea surface temperature analysis using optimum interpolation. J. Climate, 7, Reynolds, R.W., e D.C. Stokes. Information for the use of the monthly NCEP SST analyzed fields. Washinghton: National Center for Environmental Prediction, p. Disponível na Internet. Jet Propulsion Laboratory Physical Oceanography Distributed Active Archive Center - California Institute of Technology, Pasadena, Califórnia. 17

18 ftp://podaac.jpl.nasa.gov/pub/sea_surface_temperature/reynolds/oisst/doc/oimonth/oimonth.info 25 maio Reynolds, R.W., N.A. Rayner, T.M. Smith, D.C. Stokes e W.Wang, An improved in situ and satellite SST analysis for climate. J. Climate, 15, Yan, X.-H., V. Klemas, e D. Chen. 1992a: The western pacific warm pool observed from Space. Eos 73, (4), Yan, X.-H., C.-R.Ho, Q. Zheng, e V. Klemas, 1992b : Temperature and size variabilities of the western Pacific warm pool. Science, 258,