SIMULAÇÕES DE INTERAÇÃO OCEANO ATMOSFERA NO PACÍFICO OESTE POR UM MODELO ACOPLADO. PARTE II - PROPRIEDADES DE ANOMALIAS DE SALINIDADE Alexandre Araújo Costa* e William R. Cotton Department of Atmospheric Science - Colorado State University Fort Collins, CO, 80523 USA *e-mail: costa@atmos.colostate.edu ABSTRACT The coupled model described in Part I simulated the formation of precipitation-produced, stable freshwater lenses on top of the ocean mixed layer, with a variety of horizontal dimensions and lifetimes. The simulated fresh anomalies showed realistic features, such as positive correlation between salinity and temperature, development of a surface jet in the direction of the wind and, as a consequence, downwelling (upwelling) on its downwind (upwind) edge. INTRODUÇÃO A convecção tropical é usualmente organizada em sistemas de mesoescala, compreendendo múltiplas células convectivas que produzem forte precipitação e uma região estratiforme, que produz uma precipitação menos intensa. A estrutura complexa da convecção provoca a existência de uma grande variabilidade espacial no campo de precipitação na superfície. Sobre os oceanos tropicais, particulamente sobre o Pacífico Oeste, em associação com o campo variável de precipitação, lentes de água fresca são produzidas pela chuva (Soloviev and Lukas 1997; Wijesekera et al. 1999), gerando uma correspondente variabilidade no campo da salinidade da superfície do mar (SSM). A amplitude das perturbações no campo de SSM é particularmente intensa sobre anomalias de água fresca recém-formadas, em especial sob intensa precipitação convectiva. Observações de lentes de água fresca (Wijesekera et al. 1999) mostram que elas correspondem a anomalias frias no campo de TSM, pelo menos nos estágios iniciais de seu ciclo de vida, devido ao fato de, nos trópicos, a água da chuva ser usualmente mais fria que a do oceano. Em tais lentes, a estratificação associada com a salinidade faz com exista uma forte estabilidade para movimentos verticais, inibindo a mistura e modificando os processos de transporte próximo à superfície do oceano. Como conseqüência, a evolução seguinte do campo de temperatura da superfície do mar (TSM) também é influenciada pela presença de anomalias de água fresca. Na parte I deste trabalho, um modelo acoplado oceano-atmosfera, composto por um modelo atmosférico de "ensemble" de nuvens e um modelo oceânico de alta resolução vertical e horizontal foi descrito e validado usando-se dados experimentais. 2711
A configuração do modelo oceânico (juntamente com o forçante heterogêneo fornecido pelo modelo atmosférico) permitem que ele funcione como um "modelo de ensemble de lentes de água fresca", a partir do qual as características destas lentes podem ser investigadas. No presente trabalho (parte II), apresenta-se uma descrição das propriedades de lentes de água fresca produzidas por precipitação e discute-se a variabilidade dos campos oceânicos de SSM, TSM, correntes, etc a elas associada. Serão feitas referências a dois estudos de casos do Tropical Ocean Global Atmosphere Coupled Ocean-Atmosphere Research Experiment (TOGA-COARE), previamente descritos na parte I: convecção profunda, mas pouco organizada, sob ventos de larga escala fracos entre 7 e 17 de Dezembro de 1992 (Caso 1) e convecção fortemente organizada sob ventos moderados de oeste e cisalhamento intenso entre 19 e 29 de Dezembro de 1992 (Caso 2). CARACTERÍSTICAS DE LENTES DE ÁGUA FRESCA SIMULADAS Para ilustrar a formação de anomalias de água fresca por sistemas precipitantes e sua influência sobre o campo de TSM, Figuras 1 e 2 mostram diagramas de Hovmüller da precipitação, SSM e TSM para os casos 1 e 2, respectivamente. Figura 1 Diagramas de Hövmuller para a precipitação, em mm/h (esquerda), SSM em psu (centro) e TSM em o C (direita) para o Caso 1. 2712
Figura 2 Como na Figura 1, exceto para o Caso 2. Em ambos os casos, a estrutura complexa do campo de precipitação produziu um espectro de anomalias de água fresca, com uma variedade de dimensões horizontais e tempos de vida. É aparente que a maior parte das lentes de água fresca corresponde a anomalias frias no campo de TSM durante a maior parte dos seus tempos de vida. As características iniciais de uma lente de água fresca são fortemente ditadas pelo comportamento do sistema atmosférico pai. A dimensão horizontal de uma lente de água fresca recém-formada depende principalmente da velocidade de propagação do sistema precipitante. Sistemas de propagação rápida geram lentes largas, enquanto sistemas quase estacionários tendem a produzir anomalias de salinidade localizadas. O tempo de vida de lentes de água fresca, por sua vez, depende fortemente dos ventos à superfície. Uma vez que ventos fortes induzem mistura vertical na camada de mistura oceânica, a duração do ciclo de vida de lentes de água fresca diminui em tal situação. O Caso 1 foi, via de regra, caracterizado por convecção pouco organizada, sistemas precipitantes de propagação lenta e ventos de larga escala fracos. O resultado foi a formação de lentes de água fresca relativamente estreitas e de vida longa. Conforme mostrado na Figura 1, perturbações de SSM de até 0.2psu persistiram por mais de 48 horas. Em contraste, o Caso 2 exibiu convecção mais organizada, sistemas precipitantes de propagação rápida e, em conseqüência, lentes de água fresca mais extensas com tempos de vida mais curtos (Figura 2). A Figura 3 mostra distribuições de ocorrência para a extensão horizontal máxima e tempo de vida de lentes de água fresca. Em ambos os casos, as dimensões da lente estão positivamente correlacionadas com a sua duração, ou seja, uma maior 2713
extensão horizontal favorece um ciclo de vida mais longo. Conforme discutido anteriormente, uma ocorrência mais freqüente de lentes de maior dimensão se deu no Caso 2. >24h a 18-24h 12-18h Lifetime (hours) 5-6 4-5 3-4 2-3 1-2 0-1 6-12h <6h <10km 10-20km 20-30km 30-40km 40-50km >50km Horizontal Extension (km) >24h b 18-24h 12-18h Lifetime (hours) 2-3 1-2 0-1 6-12h <6h <10km 10-20km 20-30km 30-40km 40-50km >50km Horizontal Extension (km) Figura 3 Número de lentes de água fresca por categorias de máxima extensão horizontal e tempo de vida, nas simulações do (a) Caso 1 e (b) Caso 2. 2714
Comprovando a noção intuitiva que se tem, a partir das Figuras 1 e 2, que lentes de água fresca correspondem a anomalias frias de TSM, a correlação espacial entre esta e a SSM tendeu a ser próxima de 1.0 imediatamente após fortes chuvas, como entre 11 e 14 de Dezembro, entre 20 e 22 de Dezembro e em 24 de Dezembro. Especialmente sob ventos mais fortes, se a precipitação não está presente ou é fraca, esta correlação decresce rapidamente com o tempo. Isto se deu, por exemplo, em 23 de Dezembro, quando a convecção atmosférica foi suprimida e a correlação SSM- TSM decresceu de 0.90 a 0.21. Um exemplo ainda mais dramático ocorreu em 28 de Dezembro, quando esta correlação mudou de sinal, indo de 0.75 a 0.27 em 9 horas. Durante tal período, a precipitação foi nula ou quase nula (Figura 2, painel da esquerda), anomalias de água fresca estiveram praticamente ausentes (painel central) e a evaporação foi extremamente significativa, com um fluxo de calor latente superior a 100 Wm -2. Observações do TOGA-COARE descritas por Wijesekera et al. (1999) indicam que lentes de água fresca possuem uma estrutura termo-halina e dinâmica complexa. A seguir, são listadas algumas das características de uma lente de água fresca descrita pelos referidos autores: 1. A lente de água fresca se aprofunda verticalmente com o tempo, enquanto a amplitude da anomalia de SSM se reduz, como resultado de transporte vertical; 2. A temperatura e a salinidade são fortemente correlacionadas dentro da lente, o que é consistente com a sua formação a partir de precipitação fria; 3. Um jato (anomalia de velocidade horizontal) se desenvolve sobre a lente, na direção do vento, com a forte estabilidade associada à estratificação na salinidade limitando a transferência de momentum da atmosfera a uma camada rasa; 4. Em associação com o jato, movimentos ascendente e descendente ocorrem em extremidades opostas da lente ao longo da direção do vento. O modelo foi capaz de simular tais características. A Figura 4 mostra uma lente de água fresca recém formada e o sistema precipitante pai às 19UTC em 22 de Dezembro, ou 2 horas após o início do evento de precipitação. A lente inicialmente é bastante rasa, com valores de salinidade inferiores a 34.0 psu (ou uma anomalia da ordem de 0.1psu) encontrados somente acima de 6m. Alguns aspectos da evolução temporal da mesma lente são mostrados na Figura 5. Os dois paineis são diagramas de Hovmüller para a SSM e a velocidade vertical a uma profundidade de 22.5m (painel a) e a TSM e a corrente zonal na superfície (painel b). Conforme esperado, após o final do evento de precipitação, a amplitude da anomalia de salinidade passou a decair com o tempo, principalmente devido à mistura vertical, ao mesmo tempo em que a lente se contraía na horizontal (Figura 5a). Durante todo seu ciclo de vida, a lente mostrou-se mais fria que o ambiente (Figura 5b), com a posicão dos mínimos de TSM e SSM coincidindo. Com o transporte de momentum limitado a uma camada rasa, estratificada do ponto de 2715
vista da salinidade, uma anomalia de oeste se desenvolveu na corrente zonal, com um valor máximo superior a 16 cm/s (Figura 5b). Associados a este jato, movimento descendente se desenvolveu na extremidade leste da lente e movimento ascendente apareceu em sua extremidade oeste (Figura 5a). Figura 4 Uma lente de água fresca recém-formada e o sistema precipitante pai a 19UTC, 22 de Dezembro de 1992. A razão de mistura de água condensada é mostrada no painel superior (atmosfera) e a salinidade no inferior (oceano). Os dois paineis têm escalas verticais diferentes. a b Figura 5 Diagramas de Hovmuller da (a) SSM em psu e velocidade vertical em cm/s e (b) TSM em o C e corrente zonal em m/s para uma lente de água fresca. Apenas parte do domínio computacional (0<x<40km) é mostrado. 2716
a b Figura 6 Seção vertical da lente de água fresca mostrada em figuras anteriores, a 04UTC, 23 de Dezembro, mostrando (a) salinidade, em psu e velocidade vertical, em cm/s, e (b) temperatura do oceano, em o C, e corrente zonal, em m/s. Em seu estágio maduro, a lente de água fresca apresenta-se como na Figura 6, que mostra a salinidade com a velocidade vertical (painel a) e a temperatura do oceano com a corrente zonal (painel b) às 04UTC, 23 de Dezembro (9 horas após a formação da lente). Uma comparação entre as figuras 6a e 4 mostra o aumento da extensão vertical da lente, com o contorno de 34.0 psu tendo chegado a cerca de 16m (contra os menos de 6m anteriores). A base da lente mostra-se inclinada, com uma camada fresca mais profunda à direita, onde, devido à corrente descendente, água fresca é transportada para uma maior profundidade (até cerca de 40m). A Figura 6b 2717
mostra que a lente de água fresca é significativamente mais fria que a vizinhança, mesmo várias horas após sua formação. Assim como as isolinhas de salinidade, as isotermas também mostram-se inclinadas, devido ao transporte de água fria para baixo na extremidade leste da lente. A perturbação máxima na corrente zonal sobre a lente naquele instante era de cerca de 7cm/s (Figura 6b). Abaixo da lente, a perturbação na corrente zonal tem sinal oposto. CONCLUSÕES Dados de simulacões efetuadas usando-se um modelo acoplado oceanoatmosfera foram analisados, visando investigar as características de anomalias negativas de salinidade, (lentes de água fresca), produzidas por sistemas precipitantes no Pacífico Oeste. O modelo acoplado produziu uma significativa variabilidade nos campos oceânicos (salinidade, temperatura e correntes), em associação com o forçante atmosférico não-uniforme. Lentes de água fresca simuladas exibiram um comportamento coerente com as observações descritas por Wijesekera et al. (1999) durante o TOGA-COARE, incluindo: 1. O aprofundamento da lente com o tempo; 2. A alta correlação entre salinidade e temperatura; 3. O desenvolvimento de um jato sobre a lente, na direção do vento; 4. Movimento ascendente e descendente em extremidades opostas da lente, em associação com o jato. Um modelo da dinâmica de uma lente de água fresca é mostrado na Figura 7. Vento Anomalia de corrente na direção do vento Superfície do Oceano Corrente ascendente Corrente descendente Lente de água fresca (baixa salinidade e baixa temperatura) Figura 7 Modelo conceitual da estrutura dinâmica de uma lente de água fresca Estudos futuros deverão ser efetuados visando uma maior compreensão da estrutura, dinâmica e papel das lentes de água fresca nos oceanos tropicais. Em primeiro lugar, os presentes resultados foram obtidos com um modelo bidimensional, cujas limitações são óbvias. Simulações tridimensionais poderão mostrar o papel de 2718
um terceiro grau de liberdade na dinâmica das lentes de água fresca. Segundo, é preciso determinar qual a importância da circulação mostrada na Figura 7 para a evolução dos campos de TSM sobre os oceanos tropicais. É possível que a referida circulação contribua efetivamente para tornar o transporte mais eficiente na camada de mistura oceânica em contraste com a "pura" mistura turbulenta na vertical. Uma simulação em que um modelo oceânico unidimensional (portanto sem a presença de lentes e da dinâmica a ela associada) contribuirá nesse sentido. REFERÊNCIAS SOLOVIEV, A., LUKAS, R. Sharp frontal interfaces in the near-surface layer of the ocean in the western equatorial Pacific warm pool. J. Phys. Oceanogr., v.27, p.999-1017, 1997. WIJESEKERA, H. W., PAULSON, C.A., HUYER, A. The effect of rainfall on the surface layer during a westerly wind burst in the western equatorial Pacific. J. Phys. Oceanogr., v.29, p.612-632, 1999. 2719