RELATÓRIO DE ATIVIDADES

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1 Instituto de Astronoia, Geofísica e Ciências Atosféricas Universidade de São Paulo RELATÓRIO DE ATIVIDADES Área : Doutorado e Meteorologia Projeto : Estudo nuérico dos padrões de circulação na caada liite atosférica da região de ressurgência costeira de Cabo Frio Aluna : Flávia Noronha Dutra Ribeiro Orientadora : Profa. Dra. Jacyra Soares Data de entrega : 1/1/28

2 Estudo nuérico dos padrões de circulação na caada liite atosférica da região de ressurgência costeira de Cabo Frio 1. Resuo do plano inicial: 1.1 INTRODUÇÃO A caada liite planetária (CLP) é a região turbulenta da atosfera que está e contato direto co a superfície e onde a aior parte das atividades huanas é desenvolvida. Nela está localizada tabé grande parte das fontes naturais e antropogênicas de gases e aterial particulado. A CLP te sua orige ligada às trocas de energia, oento e assa entre atosfera e superfície, oduladas pela turbulência e escalas de tepo da orde ou inferiores a 1 hora. Neste intervalo de escala de tepo, os fluxos turbulentos de calor sensível e latente deterina e grande parte a estrutura vertical édia da teperatura e da uidade na CLP, enquanto o fluxo turbulento de oento horizontal condiciona a estrutura dinâica édia da CLP, tanto sobre regiões continentais quanto oceânicas. É difícil estabelecer conclusões gerais a respeito do coportaento da CLP sobre regiões co topografia coplexa e ocupação do solo heterogênea utilizando edidas e u único ponto ou e u único experiento (Roth, 2). De odo geral, isto é difícil por que a turbulência induz heterogeneidades horizontais no escoaento até eso quando a superfície é plana e hoogênea (Kanda et al., 24). Alé disso, a aioria dos fenôenos associados à topografia e ocupação do solo heterogêneos não é detectada e ua rede de superfície convencional, pois a natureza dos fluxos turbulentos associados aos efeitos topográficos e de ocupação do solo apresenta u caráter local (Garratt et al., 1996; Stivari et al., 23). Assi, do ponto de vista observacional a descrição do efeito topográfico e da ocupação do solo sobre o escoaento requer o eprego de ua rede de observação envolvendo, por u longo período de tepo, a operação de sensores de resposta rápida distribuídos co grande resolução espacial, de fora a aostrar adequadaente não só os fenôenos de grande escala, as tabé os de icro escala (Griond et al., 1998; Roth, 2). O alto custo da ipleentação de experientos icroeteorológicos, tanto

3 e teros de recursos técnicos quanto huanos, inviabiliza a obtenção de dados por longos períodos de tepo. Desse odo, praticaente não há dados observacionais que caracterize a interação entre as escalas do oviento que afeta a estrutura dinâica e terodinâica da CLP (Wood, 2). Tabé sobre o, apesar da sua enore iportância, estudos observacionais da CLP, são praticaente inexistentes no Brasil (Dourado e Oliveira, 21;Wainer et al., 23). Essa ausência se deve e grande parte as dificuldades técnicas associadas aos étodos de edidas. Observações eteorológicas sobre o requere equipaentos robustos (Bradley et al., 1991), pois a severidade do abiente arinho provoca a rápida deterioração dos sensores, alterando o desepenho dos esos. Alé disso, se as observações fore realizadas e plataforas óveis (navios ou bóias) a interferência dos ovientos da platafora dificulta, ou até inviabiliza, a obtenção dos dados turbulentos, especialente os fluxos verticais. No caso de observações efetuadas co aviões, alé do alto custo, que ipede a caracterização cliatológica da região, existe tabé ua liitação de operação do avião, ua vez que não é possível obter edidas abaixo de 3 etros (Enriquez e Friehe, 1997). A presença da ressurgência costeira (Miller et. al, 23) e das brisas arítia e terrestre (Clancy et. al, 1979) influencia diretaente o desenvolviento da CLP, e conseqüenteente a circulação local e o transporte de poluentes e uidade na região (Clappier et. al, 2; Ding et. al, 24). Coo a brisa pode se estender por quilôetros e direção ao, essa influência tabé se estende para as cidades próxias (Gillia et. al, 24). E todo o globo observa-se a presença de ressurgência costeira principalente nas argens leste dos s, por exeplo, Peru, Equador e Estados Unidos (Califórnia e Oregon) e noroeste da África, as tabé ebora enos intensa, podeos observá-la nas costas oeste, coo no Cabo Canaveral (EUA) no verão, e na Platafora Continental Sudeste Brasileira (PCSE). A PCSE constitui a região deliitada pelos Cabos Frio (RJ) e de Santa Marta (SC), desde a linha da costa até sua borda, situada entre as isobatiétricas de 12 e 18. A área total da PCSE é da orde de Nessa área, especialente na região de Cabo Frio, constanteente observaos o fenôeno de ressurgência costeira, pois há u centro

4 atosférico de alta pressão de larga escala seiperanente sobre o Oceano Atlântico Sul (Stech and Lorenzzetti, 1992), que anté na região ventos de nordeste, favoráveis à ocorrência do fenôeno. Esse fenôeno faz co que a teperatura da superfície do ar (TSM) diinua e aproxiadaente 1 o C perto da costa. Essa configuração é alterada na passage de frentes frias, que uda o vento doinante para de sudoeste, que é desfavorável à ressurgência. Franchito et. al (1998) utilizara dois odelos, u atosférico e outro oceânico, para estudar a influência da ressurgência costeira na brisa arítia na região de Cabo Frio, e obtivera, coo resultado, ua retroalientação positiva entre a brisa arítia e a ressurgência, isto é, o aior gradiente de teperatura devido à ressurgência intensifica a brisa arítia, e ua aior intensidade do vento devida à brisa arítia intensifica a ressurgência. O estudo da circulação, dos processos turbulentos na atosfera e da altura da CLP é de extrea iportância para entender os padrões de dispersão de poluentes, confore os estudos de Clappier et. al (2), Martilli et. al (22) e Ding et. al (24). Alé disso, o transporte de uidade pode alterar as condições eteorológicas da região, por exeplo, causando tepestades (Miller et. al, 23; Gillia et. al, 24). A circulação atosférica é influenciada pelas brisas arítia e terrestre, e as brisas são influenciadas pela ressurgência. Alé disso, a alteração da estabilidade estática da atosfera, devida à teperatura ais baixa da superfície gerada pela ressurgência, influencia diretaente o desenvolviento da CLP, através da diinuição da produção térica de turbulência. Por outro lado, os ventos gerados pelas brisas arítia e terrestre, através da produção ecânica de turbulência, tabé influencia o desenvolviento da CLP. Clancy et. al (1979) aponta que o efeito da estabilidade da atosfera nos fluxos turbulentos verticais e na altura da CLP deve ser considerados no estudo da interação -atosfera e situações de ressurgência, pois isso possibilita a análise sobre o efeito da ressurgência nas características turbulentas da CLP. Contudo, não há ainda nenhu estudo, na literatura, que investigue a influência conjunta da brisa arítia, da ressurgência costeira, da topografia e ocupação do solo no desenvolviento da CLP, coo tabé não há concordância sobre a retroalientação entre a brisa arítia e a ressurgência.

5 1.2 OBJETIVOS O objetivo geral da presente proposta é deterinar, utilizando u odelo nuérico oceânico, baseado na forulação de Carbonel (1998), acoplado ao odelo nuérico atosférico de esoescala TVM-NH, coo os padrões locais de circulação devidos à ocupação do solo e a topografia, os padrões de circulação de esoescala (brisa arítia) e a ressurgência costeira influencia a CLP na região de Cabo Frio. O odelo oceânico é acoplado ao odelo atosférico através dos valores do fluxo de calor e do cisalhaento do vento gerados na superfície, peritindo, dessa fora, obter u capo de TSM representativo de situações co e se ressurgência costeira. O código anterior do odelo atosférico assuia constantes as teperaturas sobre regiões cobertas de água. A validação dos odelos acoplados será feita através de coparação dos resultados odelados co dados disponíveis da atosfera e do da região de estudo. Ua vez acoplado os odelos, serão feitos experientos co diferentes cenários, a fi de isolar os ecanisos físicos, que pode influenciar a variação teporal e espacial da CLP local: (i) topografia, (ii) ocupação do solo, (iii) brisa arítia e terrestre e (iv) presença e ausência da ressurgência costeira. Após esses experientos será possível precisar, entre outras coisas, se de fato existe a ocorrência de ua retroalientação entre a brisa arítia e a ressurgência costeira, confore proposto por Franchito et. al (1998) MODELOS NUMÉRICOS MODELO ATMOSFÉRICO Os estudos da CLP serão baseados e siulações nuéricas do escoaento utilizando o odelo TVM-NH (Topographic Vorticity Mesoscale Non Hydrostatic) versão não-hidrostática. A série de odelos denoinada TVM teve sua orige no odelo bidiensional URBMET, Bornstein (1975) expandido, depois, para três diensões Bornstein et al. (1991). Nestas duas versões iniciais do odelo, a topografia era considerada plana, e as

6 equações da vorticidade na direção x e y era obtidas a partir das aproxiações de Boussinesq e hidrostática para as equações do oviento Os efeitos topográficos fora incluídos no TVM, através da introdução do sistea de coordenadas siga (Bornstein, et al., 1996; Schayes et al,1996). A versão hidrostática do odelo TVM, co coordenadas siga, já foi utilizada, pelo Grupo de Microeteorologia, para investigar o efeito topográfico sobre a evolução da caada liite planetária na região e Iperó, SP (Kara, 1995, Kara e Oliveira, 1998, Kara e Oliveira, 2). Thunis (1995) desenvolveu ua versão não hidrostática do odelo TVM, ou seja, o odelo TVM-NH. Esse odelo já foi utilizado, pelo Grupo de Microeteorologia, para estudar a brisa lacustre do lago de Itaipu (Stivari et al., 21). Estudos realizados utilizando o TVM te ostrado que ele siula co precisão, uitas características observadas da evolução diurna da caada liite planetária e abientes sob influência de brisas, e áreas de terrenos coplexos (Orgaz e Fortez, 1998). O odelo TVM-NH, que será utilizado neste trabalho, é u odelo tridiensional, não hidrostático, incopressível e segue as aproxiações de Boussinesq. O odelo conté duas caadas de solo e duas caadas atosféricas. Caadas de solo: O sistea de solo conté duas caadas, a prieira co profundidade de 1 c. A profundidade da segunda caada corresponde a alcançada pela onda anual de teperatura. A teperatura da superfície de cada classe de ocupação do solo é prognosticada pelo étodo da força restauradora (Deardorff, 1978), exceto para a teperatura do que é antida constante. Caada Liite Superficial (CLS): A CLS é a caada ais próxia da superfície e corresponde aos dois prieiros níveis do odelo. Nesta caada os fluxos turbulentos são considerados constantes e diagnosticados através da teoria da siilaridade de Monin- Obukov. Caada Atosférica acia da CLS: Acia da CLS as equações que descreve a estrutura dinâica e terodinâica do odelo são derivadas das equações de conservação de oento, calor e uidade para convecção rasa. O TVM utiliza para prognóstico do capo do vento as equações de vorticidade. As coponentes da velocidade do vento são recuperadas da vorticidade via funções de corrente.

7 1.3.2 MODELO OCEÂNICO Foi desenvolvido u odelo, na fora de subrotina, baseado na forulação de Carbonel (1998), que foi revista e Carbonel (23), por ser ua forulação siples, as que reproduz satisfatoriaente as correntes e a variação da TSM e situações de ressurgência, especialente e Cabo Frio. O odelo baroclínico, bidiensional, utiliza o étodo de diferenças finitas e considera ua estrutura vertical descrita por ua caada ativa sobre ua caada profunda, inerte, co teperatura constante e gradiente de pressão igual a zero. Na caada superior, o odelo inclui a versão turbulenta, não-linear e verticalente integrada das equações de oento, continuidade e calor. Condições iniciais e de contorno: as condições iniciais são alientadas pelo odelo atosférico através do fluxo de calor e do cisalhaento do vento. Os deais parâetros (profundidade da caada ativa, densidades das duas caadas teperatura inicial da caada ativa, teperatura da caada inferior, etc.) são os esos do artigo de Carbonel e Valentin (1999), pois se trata da esa região. Na costa são utilizadas coo condições de contorno valores hoogêneos da profundidade da caada superior (h) e da TSM (T), ou seja, T/ xn= h/ xn=, sendo xn a direção noral à costa, e as velocidades serão nulas Ui = ui =. Nas fronteiras abertas, é utilizada a condição chaada Weakly reflective boundary condition, descrita pelo artigo de Verboo e Slob (1984). Essa condição é baseada no étodo das características. Os valores de TSM obtidos pelo odelo oceânico alienta o odelo atosférico ACOPLAMENTO Na inicialização da teperatura da superfície no odelo atosférico, o odelo oceânico é chaado para inicializar o capo de TSM. A partir disso, o odelo atosférico chaa novaente o odelo oceânico a cada 2 passos no tepo, alientando-o co os capos de tensão de cisalhaento do vento e fluxo de calor na superfície e o odelo oceânico alienta o odelo atosférico co a TSM atualizada. O odelo atosférico é atualizado a cada 3 segundos e o oceânico a cada segundos. O acoplaento foi siulado por 31 horas e todos os experientos.

8 2. Desenvolviento do trabalho No seestre passado, fora feitos testes a fi de verificar a ocorrência da retroalientação positiva entre a ressurgência costeira e a brisa arítia e Cabo Frio, sugerida por Franchito et al(1998). A área de estudo utilizada foi ua superfície de 99 x 99, centralizada e 22,8 S e 42,5 W, co u espaçaento de 3 x 3 (34 x 34 pontos de grade), que envolve parte da costa e parte do da região de Cabo Frio. Para as fronteiras laterais, fora adicionados 8 pontos de grade, co espaçaento variando de 3,6 a 12,9 (PG de razão 1,2), totalizando u doínio de 218 x 218 (5 x 5 pontos de grade), a fi de iniizar a influência das fronteiras sobre a área de estudo. Na direção vertical são utilizados 25 pontos de grade e o espaçaento varia de 15 próxio à superfície até 12 no topo, peritindo ua aior resolução nos níveis inferiores do odelo. Fora consideradas a topografia (Fig. 1) e a ocupação do solo (considerando 4 classes, Fig. 2) da região, a fi de prognosticar a teperatura e os fluxos turbulentos na superfície, segundo o étodo force restore (Deardorff, 1978). Os resultados serão ostrados e u corte vertical sobre a linha 1 apresentada na Figura linha 1 1 floresta cerrado 12 cultura 14 água Figura 1: Topografia da área de estudo. A linha Figura 2: Tipo de ocupação de solo da área de representa a posição do corte vertical que será estudado estudo. neste trabalho.

9 3. Resultados preliinares Para verificar se a ocorrência de ressurgência costeira auenta a intensidade da brisa arítia, fora feitos três blocos de testes (Tab. 1): o prieiro se ressurgência (capo de TSM inicial hoogêneo e igual a 26 C); o segundo co ressurgência, sendo o capo de TSM inicial correspondente a dois dias de siulação do odelo oceânico forçado por ventos de 9 s -1 de NE, apresentado na Figura 3; e o terceiro co ressurgência; sendo o capo de TSM inicial hoogêneo e igual a 18 C. Para os dois prieiros blocos, fora feitos u teste co topografia realística e outro co a topografia plana. Topografia realística Topografia plana Se ressurgência EXP1 EXP4 Co ressurgência EXP2 EXP5 (TSM do odelo) Co ressurgência EXP3 (TSM hoogênea) Tabela 1: Experientos realizados. E todos os testes, o capo inicial de vento é nulo, para eliinar a influência de fenôenos de larga escala TSM ( C) Figura 3: Capo inicial de TSM para os experientos EXP2 e EXP5. A Figura 4 ostra o capo da coponente zonal do vento e u corte vertical sobre a linha 1 (Fig. 1): às 12h (a) para EXP1 e (b) para EXP2; às 15h (c) para EXP1 e (d) para EXP2 e às 18h (e) para EXP1 e (f) para EXP2.

10 (a) Coponente zonal 12HL (b) Coponente zonal 12HL (c) Coponente zonal 15HL (d) Coponente zonal 15HL (e) Coponente zonal 18HL (f) Coponente zonal 18HL Figura 4: Capo da coponente zonal do vento e corte vertical sobre a linha 1 às 12h (a) para EXP1 e (b) para EXP2; às 15h (c) para EXP1 e (d) para EXP2 e às 18h (e) para EXP1 e (f) para EXP2.

11 Nota-se que as diferenças são poucas, sendo que as velocidades são u pouco aiores no caso co ressurgência (EXP2) sobre o a de altura entre 14 e 16. A Figura 5 apresenta o capo da coponente eridional do vento e u corte vertical sobre a linha 1: às 12h (a) para EXP1 e (b) para EXP2; às 15h (c) para EXP1 e (d) para EXP2 e às 18h (e) para EXP1 e (f) para EXP2. Novaente, as diferenças são uito pequenas. Para verificar a influência da distribuição espacial de TSM, foi utilizado o experiento EXP3. A Figura 6 ostra o capo da coponente zonal do vento e u corte vertical sobre a linha 1: às 12h (a) para EXP1 e (b) para EXP3; às 15h (c) para EXP1 e (d) para EXP3 e às 18h (e) para EXP1 e (f) para EXP3. Verifica-se que os valores da coponente zonal são leveente ais intensos no EXP3 que no EXP1 para as 15h e para as 18h (Figs. 7c a 7f). Isso sugere que, se o acoplaento dos odelos, pode-se superestiar a brisa arítia, já que nesse experiento a distribuição espacial de TSM é hoogênea. A figura 7 apresenta o capo da coponente eridional do vento e u corte vertical sobre a linha 1: às 12h (a) para EXP1 e (b) para EXP3; às 15h (c) para EXP1 e (d) para EXP3 e às 18h (e) para EXP1 e (f) para EXP3. Novaente as diferenças são poucas, co exceção das 15h, quando a coponente zonal do vento sobre o é ais intensa no EXP3 (Fig. 7d), e concordância co o observado para a coponente zonal (Fig. 6). O EXP4 e o EXP5 fora feitos para verificar a influência da topografia na circulação de brisa. A figura 8 apresenta capo da coponente zonal do vento e u corte vertical sobre a linha 1: às 12h (a) para EXP4 e (b) para EXP5; às 15h (c) para EXP4 e (d) para EXP5 e às 18h (e) para EXP4 e (f) para EXP5. Novaente o experiento co ressurgência (EXP5) ostra ventos leveente ais intensos, especialente sobre o, que o experiento se ressurgência (EXP4). A figura 9 ostra capo da coponente eridional do vento e u corte vertical sobre a linha 1: às 12h (a) para EXP4 e (b) para EXP5; às 15h (c) para EXP4 e (d) para EXP5 e às 18h (e) para EXP4 e (f) para EXP5.

12 (a) Coponente eridional 12HL (b) Coponente eridional 12HL (c) Coponente zonal 15HL (d) Coponente eridional 15HL (e) Coponente eridional 18HL (f) Coponente eridional 18HL Figura 5: Capo da coponente eridional do vento e corte vertical sobre a linha 1 às 12h (a) para EXP1 e (b) para EXP2; às 15h (c) para EXP1 e (d) para EXP2 e às 18h (e) para EXP1 e (f) para EXP2. Linhas pontilhadas são valores positivos e linhas cheias valores negativos.

17 A exeplo do EXP3, percebe-se às 15h ua aior intensidade do vento no EXP5 que no EXP4. Alé disso, o vento é leveente ais intenso nos EXP1 e EXP2 que nos EXP4 e EXP5, indicando que a topografia acelera o vento. Co isso, concluíos que a ressurgência costeira não intensifica significativaente a intensidade da brisa arítia. Alé disso, a distribuição espacial de TSM e a topografia da região são fatores iportantes para a circulação de brisa arítia e Cabo Frio. A seguir, para verificar se a brisa arítia intensifica a ressurgência costeira, fora feitos dois testes: u utilizando os odelos acoplados (EXPA), onde a brisa arítia é siulada pelo odelo atosférico e tepo real, e outro apenas co o odelo oceânico (EXPB), sendo forçado por vento constante. Abos os experientos tê o capo de TSM igual ao apresentado na Figura 3. Para o EXPB o vento é constante de 6 s-1 de NE, e para o EXPA esse é o vento inicial e de larga escala. A Figura 1 apresenta o capo de TSM após 24h de siulação para cada experiento. Observa-se que o capo no EXPA (Fig. 1a) te TSM enor na região superior direita do doínio, as te TSM aior na região inferior esquerda, onde a brisa arítia tende a tornar a direção do vento ais paralela à linha de costa. (a) TSM ( C) (b) TSM ( C) Figura 1: Capo de TSM após 24 horas de siulação (a) EXPA e (b) EXPB. Pode-se concluir, portanto, que a brisa arítia contribui para a intensificação da ressurgência costeira, as a últia não contribui significativaente para a intensificação da brisa arítia.

18 4. Atividades Desenvolvidas 4.1 Participação no XV CBMET 28 : Fora apresentados dois trabalhos no XV Congresso Brasileiro de Meteorologia (CBMET), realizado e São Paulo de 24 a 29 de agosto de 28, a seguir: - A Nuerical Investigation Of The Air-Sea Interaction At The Coastal Upwelling Area Of Cabo Frio Using Coupled Models, apresentação oral; - Influência Da Topografia Na Circulação Atosférica Na Região De Ressurgência Costeira De Cabo Frio, apresentação de pôster. 4.2 Participação no IV SBO 28 : Está sendo confeccionado u artigo para participação no IV Sipósio Brasileiro de Oceanografia (SOB), que será publicado no Brazilian Journal of Oceanography, sob o título The Coinfluence Of The Sea Breeze And The Coastal Upwelling At Cabo Frio: A Nuerical Investigation Using Coupled Models, utilizando os resultados apresentados no ite 3 deste relatório. 5. Perspectivas Nesse seestre será iniciada a confecção de u artigo sobre os resultados obtidos no ite 3 e será iniciada a redação da tese. 6. Bibliografia Bornstein, R. D., 1975: The two-diensional URBMET Urban Boundary Layer Model. J. Appl. Meteor., 14, Bornstein, R. D; J. Cordova, R. Salvador and L. J. Shieh, 1991: Modeling the Polluted Coastal Urban Environent; Electric Power Research Institute EPRI, Report EA-591, Vol. 3, Research Project pp. Bornstein, R. D., P. Thunis, P. Grossi and G. Schayes, 1996: Topographic Vorticity-Mode Mesoscale-B (TVM) Model. Part II: Evaluation, J. of Appl. Meteor., 35, Bradley, E.F., Coppin, P.A. and Godfrey, J.S., 1991: Measureents of sensible and latent heat flux in the western equatorial Pacific Ocean. J. Geophys. Res., 96,

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