ANÁLISE DE SÉRIES TEMPORAIS DE VENTO E TEMPERATURA DO MAR EM CABO FRIO (RJ) Tânia Ocimoto Oda Instituto de Estudos do Mar Almirante Paulo Moreira ieapm@alohanet.com.br The coastal upwelling which occurs in Cabo Frio (Rio de Janeiro, Brazil) region has been studied mainly in its oceanographic and biological aspects. Its influence over the local atmospheric circulation, however, is not very known. This work presents a description of the local circulation in the region, with emphasis on the sea breeze circulation and its relation with the coastal upwelling, through the analysis of the ten year hourly time series of wind and sea water temperature. The results show the relation between the seasonal and interannual variations of the local winds and the local sea temperature: upwelling event periods are related to more intense winds and larger diurnal variations of the wind speed, while in the nonupwelling periods there is larger diurnal variation of the direction of the wind. The results indicate that the local circulation at Cabo Frio is driven by the sinoptic flow, modulated by the sea and land breezes. Introdução O fenômeno da ressurgência é caracterizado por um movimento ascendente pelo qual águas de camadas sub-superficiais do oceano, geralmente mais frias, são trazidas para a superfície. Dessa forma, as regiões de ressurgência apresentam temperaturas de superfície do mar mais baixas em relação à média para suas respectivas latitudes. Em Cabo Frio, o domínio dos ventos de nordeste (NE) devido ao Anticiclone Subtropical do Atlântico Sul resulta num transporte de água no sentido da costa para o largo, fazendo então com que águas mais profundas aflorem próximo à costa de Cabo Frio. Esta predominância é quebrada pela passagem de sistemas frontais, que invertem o vento para Sudoeste (SW), Sul (S) e Sudeste(SE), como já discutido por Allard (1955), Moreira da Silva (1977), Gonzalez- Rodriguez et al. (1992) e Dourado (1994). A ressurgência de Cabo Frio tem caráter sazonal, conforme Tanaka (1986), que mostrou que a ressurgência é mais freqüente na primavera e mais intensa no verão. No inverno, em geral, não se observa a presença de águas frias à superfície (Mascarenhas Jr. et al., 1971 e Torres Jr., 1995, Candella, 1997). Alguns estudos apontam para uma variabilidade interanual da circulação atmosférica sobre o Atlântico Sul (Hastenrath e Heller, 1977 e Peterson e Stramma, 1991), que pode também influenciar a ressurgência. Essas anomalias negativas da temperatura da superfície do mar aumentam o contraste térmico entre o oceano e o continente, o que deve provocar uma intensificação da circulação de brisa. Em Cabo Frio (RJ), séries temporais de dados de vento mostram um sinal de brisa marítima mais acentuado no período de verão, indicando que a ressurgência deve intensificá-la (Miranda, 1982). Estudos de modelagem numérica da circulação local de Cabo Frio também mostram maior intensidade da circulação de brisa no período de outubro a março e mais fraca entre abril a setembro (Franchito et al.,1996 e Oda, 1997). Dados utilizados e metodologia Neste estudo, foram analisadas as séries temporais de dados horários de vento (direção e velocidade) da Estação Meteorológica de Cabo Frio (83719) e temperatura da superfície do mar registrada pela Companhia Nacional de Álcalis, correspondentes ao período de 01/01/1971 a 31/12/1980. Para identificar as periodicidades presentes nas séries, foram calculados os espectros das séries de Temperatura da Superfície do Mar, velocidade do vento e componentes meridional (u) e zonal (v). A séries de velocidade do vento foi dividida, considerando os meses de março a agosto (MAMJJA) como sendo períodos de não ressurgência e os meses de Setembro a
Fevereiro do ano seguinte (SONDJF) como períodos de ressurgência. Foram obtidos os espectros destas sub-séries e calculados espectros médios (em SONDJF e MAMJJA). Para descrever a variação sazonal da circulação de brisa, foram calculadas médias horárias de cada variável, para cada mês. Analogamente, foram tomadas as médias horárias para cada ano da série, para avaliação da variação interanual. Resultados A Figura 1 mostra a dominância da periodicidade anual (1,1 x 10-4 cph) na variação da TSM local. Esta variação se deve ao caráter sazonal da ressurgência costeira de Cabo Frio (Stech et al., 1982 e Tanaka, 1986). A Figura 2 mostra o espectro da série de velocidade do vento. Nota-se aqui um pico acentuado na freqüência de 4,2 x 10-2 ciclos por hora (cph) (período de 24 horas). A energia restante se distribui pelas freqüências mais baixas (períodos da ordem de dias), associadas às perturbações sinóticas. Há também picos na freqüência correspondente à variação semi-anual e anual da velocidade do vento. O espectro sugere ainda a existência de uma periodicidade interanual dentro do período analisado. Nas freqüências maiores que a diurna, observa-se um pico em 8,3 x 10-2 cph (12,0 horas), associadas à variação da direção do vento (Frye et al., 1980). O espectro da componente zonal u (Figura 3) apresenta um padrão bastante similar ao da velocidade do vento, com variação diurna bastante evidente. O espectro da componente meridional v (Figura 4) mostra que a variação diurna é muito menor do que a da componente zonal. Isto se deve à predominância de ventos de quadrante Norte (N, NNE, NE) sobre a região, que faz com que a variação de u seja maior do que a de v. Considerando que a brisa marítima na região intensifica e inclina o vento em sentido mais zonal, de acordo com Franchito et al. (1996), pode-se verificar que a componente zonal tem maior variação diurna do que a componente meridional (Oda, 1997). As variações de maior período, em geral, mostram maior amplitude em v do que em u, indicando que as perturbações sinóticas são mais notadas pela variação da primeira. As Figs. 5 e 6 mostram, respectivamente, os espectros médios da velocidade do vento para o período de não ressurgência (MAMJJA) e ressurgência (SONDJF). Pode-se observar que a amplitude da oscilação diurna é maior nos meses de SONDJF do que em MAMJJA. Por outro lado, a oscilação de apresenta maior energia em MAMJJA, sugerindo que a variação na direção do vento é maior neste período, o que é esperado, considerando-se que períodos de nãoressurgência são mais favoráveis ao desenvolvimento de brisa terrestre. A Figura 7 mostra o campo de TSM média para cada hora e mês. Observa-se claramente que a TSM média é mais baixa de janeiro a fevereiro, seguindo-se então um acentuado aquecimento até abril, quando ocorre o máximo da TSM. A partir desse mês, as temperaturas vão declinando, até atingir o mínimo em outubro, concordando com resultados de Stech et al. (1986), que mostra as menores temperaturas no período de OND. A maior freqüência de episódios de ressurgência durante a primavera (Tanaka, 1986) pode explicar o mínimo de outubro. O período de abril a agosto não é favorável à ressurgência, e as maiores temperaturas são observadas entre março e abril pois em JJA a TSM nesta latitude é bem menor nos meses de JJA do que em MAM (Hastenrath e Lamb, 1977). Os vetores de vento médio, na Figura 8, ilustram a predominância do ventos de quadrante leste durante quase todo o ano, com exceção dos meses de AMJ, indicando a influência do Anticiclone Subtropical do Atlântico Sul sobre a região, além de mostrar uma modulação deste escoamento pelo ciclo diurno do vento. Nessa situação, a brisa terrestre não se estabelece pois, devido à baixa temperatura do oceano, o resfriamento radiativo noturno do continente não é suficiente para inverter o gradiente térmico. Somente em AMJ, quando além da maior TSM, o vento médio é mais fraco, e pode-se notar, nas primeiras horas do dia, uma fraca circulação de brisa terrestre. A partir do mês de agosto, a intensidade do vento começa a aumentar, gradativamente, acompanhando o resfriamento da superfície do mar.
A ressurgência, portanto, impede o estabelecimento da circulação de brisa terrestre e a brisa marítima, durante esses períodos, é diferenciada do restante do ano pela maior variação na velocidade do vento. O escoamento mais zonal (máximo da brisa) tende a ocorrer de uma a duas horas mais cedo nos períodos de ressurgência. Em AMJ, quando há brisa terrestre, seu máximo ocorre entre 6:00 e 8:00h. A temperatura média anual horária do oceano (Figura 9) mostra que os três primeiros anos (1971 a 1973) foram bem mais quentes, seguido por outros máximos em 1980 e 1976, em ordem decrescente de TSM. É bem proeminente o mínimo de 1977, mostrando ter sido este o ano mais frio da série, seguido pelos anos de 1975 e 1979. Uma vez que a ressurgência de Cabo Frio está associada principalmente ao escoamento de nordeste devido ao anticiclone subtropical do Atlântico Sul, a variabilidade interanual das temperaturas locais pode estar relacionada a variações atmosféricas de grande escala (Peterson e Stramma, 1991 e Hastenrath e Heller, 1977). Os vetores médios do vento (Fig.10) mostram marcantemente a variação diurna. Os máximos intensidade coincidem com temperaturas baixas do oceano. A circulação foi mais zonal em 1972 e 1973 do que nos outros anos, sugerindo uma alteração no padrão de circulação de grande escala, que inibiu a ressurgência. Em 1977, quando as temperaturas foram mínimas, a componente de norte, apresentou máxima intensidade. Conforme já apontado anteriormente, as variações de longo período são mais perceptíveis na série da componente meridional. CONCLUSÕES A circulação atmosférica local em Cabo Frio é bastante afetada pela circulação de brisa marítima/terrestre. Entretanto, como a TSM local é dominada pela variação sazonal, nos períodos de TSM mais baixas, há maior variação diurna na magnitude do vento, e menor variação na sua direção; nos meses de maior TSM, a variação diurna de direção apresenta-se maior, em virtude da alternância entre brisa marítima e brisa terrestre. A análise das variações interanuais indicou maiores temperaturas da superfície do mar entre 1972 e 1973, e mínimas em 1977. Considerando a TSM local como uma função da ocorrência ou não da ressurgência costeira, que por sua vez é dirigida pela circulação de grande escala, essas variações estão presentes também na série dos ventos. Mais uma vez, a variação diurna na direção dos ventos esteve associada a maiores TSMs, e as maiores variações diurnas de velocidade aos menores valores de TSM. Conclui-se, ainda, que a componente zonal parece depender do aquecimento diurno do continente, enquanto a componente meridional varia seguindo a circulação de grande escala, ou seja, mostrando as variações de maior período. REFERÊNCIAS Allard, P. Anomalies dans les temperatures de l eau de mer observées au Cabo Frio au Brésil. Comite Central d Oceanographie et d Étude des Côtes, Service Hydrographique de la Marine. Bulletin d Information 2, Fev.1955. Dourado, M.S. Estudo da camada limite planetária atmosférica marítima (Dissertação de Mestrado), INPE, 1994, 100p. Franchito, S.H.; Rao, V.B.; Stech, J.L.; Lorenzetti, J.A. The effect of coastal upwelling on the sea-breeze circulation at Cabo Frio, Brazil: a numerical experiment, (submetido ao Journal of Geophysical Research), 1996. Frye, D.E.; Pond, S.; Elliott, W.P. Note on the kinetic energy spectrum of coastal winds. Monthly Weather Review, 100(9), 671-673, 1972. Gonzalez-Rodriguez, E; Valentin, J.L.; André, D.L. e Jacob, S.A. Upwelling and downwelling at Cabo Frio (Brazil): comparison of biomass and primary production responses. Journal of Plankton Research, 14(2), 289-306, 1992. Hastenrath, S.; Lamb, P.J. Climatic atlas of the tropical Atlantic and eastern Pacific Oceans.
University of Wisconsin Press, Madison, 112 pp., 1977. Hastenrath, S.; Heller,L. Dynamics of climatic hazards in northeast Brazil. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 103, 77-92, 1977. Mascarenhas Jr., A.S.; Miranda, L.B.; Rock, N.J. A study of the oceanographic conditiions in the region of Cabo Frio. In: Costlow Jr, J.D.(ed.) Fertility of The Sea, New York, Gordon&Breach, 205-308, 1971. Miranda, L.B. Análise de massas de água da plataforma continental e da região oceânica adjacente: Cabo de São Tomé (RJ) a Ilha de São Sebastião (SP). Tese apresentada ao Instituto Oceanográfico da Universidade de São Paulo para a obtenção do Título de Livre-Docente. São Paulo, 1982. Moreira da Silva, P.C. A ressurgência em Cabo Frio. Publicação do Instituto de Pesquisas da Marinha (IPqM) N.78, 1977. Oda, T.O. Influência da ressurgência costeira sobre a circulação local em Cabo Frio. Dissertação de Mestrado. INPE, São José dos Campos, 1997. Peterson, R.G.; Stramma, L. Upper-level circulation in the South Atlantic Ocean. Progress in Oceanography, 26, 1-73, 1991. Stech, J.L.; Stevenson, M.R.; Inostroza, H.M. Determinação das características climatológicas sazonais da temperatura nas Águas Sudeste do Brasil, usando dados oceanográficos. INPE-3819-RPE/503), 1986. Tanaka, K. Análise de série temporal de 10 Anos: ressurgência em Cabo Frio. INPE-3812- RPE/502, 1986. Torres Jr., A.R. Resposta da ressurgência costeira de Cabo Frio a forçantes locais. Tese de Mestrado, COPPE-UFRJ, 1995. 2.50 Espectro da série total de TSM Espectro da série total da velocidade do vento 24 horas 2.00 1.50 1.00 2 anos 3 meses 1,8 anos 18 dias Fig. 1 Espectro da Série de 10 anos de TSM em Arraial do Cabo (RJ) Espectro da componente zonal (série inteira) Fig. 2 Espectro da série de 10 anos de velocidade do vento à superfície em Cabo Frio. Espectro da componente meridional (série total) 5 anos 2 anos 75 dias 9 dias 4 dias 5 anos 2 anos Fig. 3 Espectro da série de 10 anos da componente u (zonal) do vento em Cabo Frio. Fig. 4 - Espectro da série completa da componente v do vento em Cabo Frio.
0.80 Espectro da velocidade do vento MAMJJA 0.80 Espectro da velocidade do vento SONDJF 0.60 0.60 46 dias 8 dias 5 dias 46 dias 8 dias 5 dias 1.0E-4 1.0E-3 1.0E-2 1.0E-1 1.0E+0 Fig. 5 Espectro médio da velocidade do vento à superfície em Cabo Frio. 1.0E-4 1.0E-3 1.0E-2 1.0E-1 1.0E+0 Fig. 6 Espectro da série de 10 anos de velocidade do vento à superfície em Cabo Frio. Temperatura da Superfície do Mar (graus Celsius) Hora Mês Fig.7 Temperatura Média Horária da Superfície do Mar, para cada mês. As médias foram calculadas para o período de 1971-80. Temperatura da Superfície do Mar (graus Celsius) Fig.8-Variação diurna do vento, para cada mês. Os vetores representam a média horária mensal da série de 1971-80. Hora Ano Fig. 9 - Média Horária da TSM, para cada ano da série. Fig. 10 - Variação diurna do vento para cada ano da série.