INTERAÇÃO ENTRE A TEMPERATURA DA SUPERFÍCIE DO MAR DE WEDDELL E A CONCENTRAÇÃO DE GELO MARINHO ANTÁRTICO Janini Pereira 1, Ilana Wainer 1, Marilyn Raphael 2 e MaurícioM. Mata 3 RESUMO O presente trabalho investiga a sensibilidade da temperatura da superfície do mar (TSM) no Mar de Weddell às mudanças extremas da concentração do gelo marinho Antártico usando o modelo acoplado do NCAR-CCSM3 (National Center for Atmospheric Research/Community Climate System Model Version 3). Foram realizadas duas simulações de 150 anos, cada um para diferentes concentrações de gelo marinho, sendo estas a climatologia de gelo máximo (MAX) e mínimo (MIN). Os dados das concentrações de gelo marinho são derivados do satélite Nimbus-7 a fim de determinar a resposta da TSM. Os resultados, da influência das diferentes concentrações de gelo marinho na variabilidade anual da TSM do Mar de Weddell mostraram difereças entre os cenários de MAX e MIN, como mudanças no gradiente da Frente de Weddell. A variabilidade interanual, mostra para os eventos positivos um regime frio para a TSM do setor leste do Mar de Weddell usando a forçante de concentração de gelo MIN e um regime quente para a forçante de concentração de gelo MAX. ABSTRACT This study investigates the sea surface temperature (SST) sensitivity of the Weddell Sea to extreme Antarctic sea-ice concentration using the NCAR-CCSM3 (National Center for Atmospheric Research/Community Climate System Model Version 3) coupled model. Two simulations with 150 years for sea ice concentration (SIC) with maximum (MAX) and minimum(min) climatologies from satellite-derived data were analysed to determine the SST response. Results of the influence of SIC on Weddell Sea for the annual variability show diferences in the SST between MAX and MIN scenarios, particularly through changes in the Weddell Front gradient. The interannual variability shows for the composites of the positive events a SST cold regime for SIC the MIN experiment at the eastern side of the Weddell Sea and a warm regime for the MAX run. Palavras Chave: TSM e gelo marinho Antártico INTRODUÇÃO O gelo marinho tem um importante papel no clima das regiões polares por modificar os processos de radiação, energia e troca de massa. O gelo marinho Antártico modula a interação e o acoplamento entre o oceano e a atmosfera. A extensão do gelo do mar na Antártica possui grandes variações sazonais com uma área máxima de aproximadamente 2x10 7 km no começo da primavera para 4x10 6 km no outono (Zwally 1 Instituto Oceanográfico da Universidade de São Paulo, Brasil - IOUSP 2 Departamento de Geografia, Universidade da Califórnia Los Angeles, Estados Unidos - UCLA 3 Departamento de Física, Fundação Universidade Federal de Rio Grande, Brasil - FURG
et al., 1983). Esta variação resulta em uma forte mudança sazonal no balanço de calor da superfície sobre os oceanos do Hemisfério Sul. A variabilidade anual e interanual da cobertura do gelo do mar apresentam também um impacto significativo nos processos de modificações das massas de água, em particular na bacia do Mar de Weddell (Comiso e Gordon, 1998). Nessa região chave, a formação do gelo e seu derretimento influenciam a estabilidade do oceano superior. A influência do gelo marinho Antártico na escala de variabilidade interanual a decadal do Mar de Weddell ainda não é bem definida e precisa de um entendimento mais completo em relação às conseqüências aos processos de interação oceano-atmosfera. Por esta razão, o uso do modelo de circulação geral acoplado se torna essencial para um melhor conhecimento da resposta da superfície do oceano às mudanças do gelo-marinho. O objetivo deste estudo é examinar o impacto do gelo marinho Antártico na temperatura de superfície do Mar de Weddell analisando a resposta oceânica em diferentes cenários da concentração de gelo. MATERIAL E MÉTODOS O Modelo Numérico e o Experimento O modelo de circulação geral usado neste estudo é o NCAR CCSM3 (National Center for Atmospheric Research Community Climate System Model Version 3). O CCSM3 possui quatro componentes: a atmosférica - CAM versão 3 (Collins et al, 2006), a terrestre - CLM versão 3 (Dickinson et al, 2005), a criosfera - CSIM versão 5 (Briegleb et al, 2005) e a componente oceânica é baseada no POP (Parallel Ocean Model) versão 1.4.3 (Smith e Gent, 2004), cada componente será descrita a seguir. A CAM3 (Component Atmosphere Model 3) apresenta uma resolução zonal de 1.4 no equador e a dimensão vertical usa 26 níveis com uma coordenada terrestre híbrida. A CLM3 (Component Land Model 3) é integrada na mesma grade horizontal da atmosfera, além de cada grade ser dividida em hierarquias com unidades de terra, colunas de solo e tipos de plantas. A componente oceânica tem uma grade de resolução horizontal de 1 e as dimensões verticais usam coordenadas z com 40 níveis que se estendem até 5.37Km. A grade horizontal tem 320 (zonal) x 384 (meridional) pontos, e o espaçamento entre os pontos são de 1.125 na direção zonal e na meridional a grade apresenta espaçamento irregular de 0.5 e com maior resolução próximo do equador. O modelo do gelo marinho é integrado na mesma grade do modelo oceânico. As componentes físicas do modelo CCSM3 se comunicam através do acoplador, na qual liga as componentes e seus fluxos de condição de contorno, e quando necessário, dá informações físicas para cada componente (Drake et al, 2005).
Nesta investigação, o modelo do gelo marinho foi substituído por dados da concentração do gelo marinho Antártico derivados do satélite da NASA Nimbus-7 para o período de 1979 até 2000. Este satélite usa o seguinte radar SMMR (Scanning Multichannel Microwave Radar) e sensor SSM/I (Special Sensor Microwave/Imager). O modelo CCSM3 foi integrado por 150 anos em dois diferentes experimentos a fim, de avaliar a sensibilidade da TSM do Mar de Weddell. Esses experimentos são: primeiro a rodada que tem como forçante a climatologia máxima do gelo marinho observado (MAX), e a segunda rodada usou a climatologia mínima do gelo marinho (MIN). Os dados diários da concentração do gelo marinho foram agregados em médias mensais, e a extensão da área destas médias foi comparada para selecionar os meses extremos. Cada um dos 12 meses da climatologia máxima é o mês onde o conjunto de dados apresentou a máxima concentração de gelo marinho observado e a rodada do mínimo foi construída de forma similar, usando mínimas concentrações de gelo. Este conjunto de dados de gelo observado foi utilizado para se obter e usar exemplos fiéis à realidade das concentrações de máximo e mínimo como condições de contorno para determinar qual a influência que os extremos do gelo possam ter na TSM do Mar de Weddell. RESULTADOS Variabilidade Anual A média no tempo da integração de 150 anos foi feita para se obter a forma do padrão geral da TSM do Mar de Weddell. A figura 1 mostra a diferença entre os cenários de gelo MAX e MIN para o campo de TSM. Ao sul de 60 S os valores de TSM são menores para o experimento MAX e, ao norte são maiores para este cenário extremo com máxima concentração gelo. A maior diferença negativa ocorre na Passagem de Drake com valor de 1.4 C. As diferenças locais da concentração de gelo marinho podem mudar o gradiente de temperatura da Frente de Weddell. A Frente de Weddell está localizada próximo de 55 S e esta forma o limite entre o Giro de Weddell e a Corrente Circumpolar Antártica. A localização e a estabilidade da Frente de Weddell sendo alterada pode gerar condições mais favoráveis ou menos favoráveis para a intrusão da massa d água CDW (Circumpolar Deep Water), de acordo com Fahrbach et al, (2004). Os autores, ainda consideram que a Frente de Weddell pode ser afetada pela variação da convergência induzida pelo vento.
Figura 1 - Diferença entre o gelo marinho MAX e MIN para o campo da temperatura da superfície do Mar (TSM) no Mar de Weddell. Intervalos de 0.1 C. Variabilidade Interanual A variabilidade interanual foi investigada através de composições. Estas foram calculadas usando a média dos eventos positivos com valores maiores do que o desvio padrão da série de anomalia da TSM, para as simulações de MAX e MIN. Os eventos positivos para o gelo marinho MAX e MIN estão mostrados nas figuras 2 e 3. O resultado do experimento MAX apresenta na sua distribuição espacial uma forte anomalia positiva de temperatura para o lado leste do Mar de Weddell, onde ocorre a transição de massa d'água entre a Corrente Circumpolar Antártica (CCA) e do Giro de Weddell (figura 2). Já o resultado para o experimento MIN mostra para o evento positivo, anomalias negativas em quase todo o domínio (figura 3). Sugere-se que a causa desta anomalia seja devido à retração do gelo marinho gerando assim, uma maior interação entre o oceano e a atmosfera e fazendo que o oceano perca mais calor. Figura 2 - Composite dos eventos de anomalia positiva para o MAX do campo da Temperatura da Superfície do Mar (TSM) do Mar de Weddell. Intervalos de 0.1 C.
Figura 3 - Composite dos eventos de anomalia positiva para o MIN do campo da Temperatura da Superfície do Mar (TSM) do Mar de Weddell. Intervalos de 0.1 C. DISCUSSÃO Este estudo indica que a influência da concentração de gelo-marinho extremo, obtidos a partir de dados observacionais de satélite para o período de 1979-2000 e, usado como condição de contorno no modelo acoplado CCSM3 gerou algumas respostas na superfície do Mar de Weddell. As diferenças da TSM na climatologia anual entre os resultados dos experimentos MAX e MIN mostram que a concentração de gelo marinho pode alterar o gradiente da Frente de Weddell. A variabilidade interanual mostra através da composição dos eventos positivos um regime frio da TSM para os resultados do experimento MIN e um regime quente para os resultados do experimento MAX. Estes diferentes regimes estão relacionados a variações na cobertura e formação de gelo marinho. Raphael, (2003) em um estudo similar, porém com simulações de curta duração (aproximadamente 10 anos), observou um forte gradiente de pressão nos resultados do experimento MIN. O trabalho de Hudson e Hewitson, (2001) investiga a resposta da circulação atmosférica na redução da concentração do gelo marinho Antártico do verão, e eles encontraram um maior gradiente no cavado da baixa pressão. Esses dois estudos citados aqui nos dão uma idéia da resposta da circulação atmosférica as baixas concentrações de gelo marinho contudo, a resposta oceânica precisa ser melhor investigada. O próximo passo nesta investigação será examinar a pressão ao nível do mar (PNM) nos resultados dos experimentos de MAX e MIN para confirmar a hipótese de que quando a concentração de gelo é menor ocorre um aumento no gradiente de PNM, causando assim uma maior resistência na Frente de Weddell.
AGRADECMENTOS Os autores agradecem o apoio financeiro da FAPESP processo n. 03/03054-2 e CAPES PDEE - BEX 067805-8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Briegleb, B., C. Blitz, W. Lipscomb, M. Holland, J. Schramm e R. Moritz, 2005: Scientific description of the sea ice component in the community climate system model, version 3. NCAR Technical Note, 463, 78 pp. Collins, W., C. Bitz, M. Blackmon, G. Bonan, C. Bretherton, J. Carton, P. Chang, S. Doney, J. Hack, T. Henderson, J. Kiehl, W. Large, D. MacKenna, B. Santer e R. Smith, 2006: The community climate system model version 3 (CCSM3). J. Clim., 19, 2122-2143. Comiso, J. C. e Gordon, A. L., 1998: Interannual variability in summer sea-ice minimum, coastal polynyas and bottom water formation in the Weddell Sea In Antarctic Sea Ice: Physical Processes, Interactions and Variability, Antartic., Res. Ser., 74, 293-315. Dickinson, R., K. Oleson, G. Bonan, F. Hoffman, M. Vertenstein, Z-L. Yang e X. Zeng, 2005: The community land model and its climate statistics as a component of the community climate system model. J. Clim., CCSM Special Issue. Drake, J., P. Jones e G. Carr, 2005: Overview of the software design of the CCSM. Int. J. High Perform. C., in press. Fahrbach, E., M. Hoppema, G. Rohard, M. Schroder e A. Wisotzki, 2004: Decadal-scale variations of the water mass properties in the deep Weddell Sea. Ocean Dynamics, 54, 77-91. Hudson, D. A. e B. Hewitson, 2001: The atmospheric response to a reduction in Summer Antarctic sea ice extent. Clim. Res., 16, 79-99. Raphael, M., 2003: Impact of observed sea-ice concentration on the southern hemisphere extratropical atmosphere circulation in summer. J. Geophys. Res., 108, 1-11. Smith, R. e P. Gent, 2004: Reference manual for the parallel ocean program (POP): Ocean component of the community climate system model (CCSM2 e CCSM3). Los Alamos National Laboratory Technical Report, 02. Zwally, H. J.; Comiso, J. C.; Parkinson, C. L.; Campbell, W. J.; Carsey, F.D. and Gloersen, P. 1983: Antarctic Sea Ice, 1973-1976: satellite Passive-Microwave Observations. National Aeronautics and Space Administration, 10, 206 pp.