Fluxos turbulentos na interface oceano-atmosfera durante a passagem de uma frente fria na região da confluência Brasil- Malvinas Denis Harley Feijó Cardoso 1 1 Centro de Estudos do Mar CEM - Universidade Federal do Paraná - Av. Beira Mar, s/n - Pontal do Paraná PR - Telefone: (41)34551333. e-mail:deniscardoso@ufpr.br Marcelo Sandin Dourado 2 2 Centro de Estudos do Mar, Universidade Federal do Paraná e-mail: dourado@ufpr.br ABSTRACT: The turbulent heat fluxes and momentum at the ocean-atmosphere interface were investigated during the passing of a cold front in the region of the Brazil-Malvinas confluence, using data from moored buoy ARGOS-23056. These fluxes were estimated using the COARE 3.0 bulk scheme. Throughout the study period the air temperature was higher than the sea surface temperature. This resulted in average sensible and latent turbulent heat fluxes of 17.26W.m-2, -74.98W.m-2 respectively, and 0.12 N.m-2 for the momentum flux. Positive values represent fluxes to the ocean. The sensible and latent heat fluxes respond differently to the forcings. The sensible heat flux shows a coefficient of correlation of 0.85 with the air-sea temperature difference, and 0.48 with the wind speed. On the other side, the latent heat flux has a coefficient of correlation of 0.77 with the wind, and 0.44 with the temperature difference, which influences the difference in moisture. Palavras chave: Interação oceano-atmosfera, fluxos turbulentos, confluência Brasil- Malvinas. 1- INTRODUÇÃO A região sul do Brasil é influenciada durante todo o ano pela passagem de massas de ar associadas às frentes frias. Estes sistemas além de alterarem os campos de vento, pressão, temperatura, e outras variáveis atmosféricas, interagem também com a superfície do oceano, através dos fluxos de momento, calor e massa entre o ar e o mar (Dourado e Oliveira, 2008). Um caso em especial de interação oceano-atmosfera ocorre no Atlântico Sul, na região da convergência Brasil-Malvinas (entre as latitudes 35 e 45 S), que é caracterizada pelo intenso gradiente horizontal de temperatura, devido aos meandros e vórtices oceânicos gerados pelo encontro das águas quentes e frias, das correntes do Brasil (CB) e das Malvinas (CM), respectivamente. A passagem das massas de ar frio sobre esta região de forte gradiente, intensifica os fluxos de calor sensível e latente entre o oceano e a atmosfera (Saraiva e Silva Dias, 1995). Assim, o objetivo deste trabalho é investigar os fluxos turbulentos de calor sensível, calor latente e momento, na interface oceano-atmosfera durante a passagem de uma frente fria na região da confluência Brasil-Malvinas (CBM). 2 MATERIAIS E MÉTODOS Os dados utilizados neste trabalho são provenientes da bóia de fundeio ARGOS-32056, localizada à aproximadamente 190 km da costa, na altura da desembocadura da Lagoa dos Patos (32º54 S e 50º48 W). As variáveis medidas por ela são: temperatura do ar e da superfície do mar ( C), velocidade (m.s -1 ) e direção do vento (graus) em dois níveis (3,95 e 4,95 m), umidade relativa (%), pressão atmosférica (hpa), radiação solar (W.m -2 ), altura significativa de onda (metros) e freqüência do pico de onda.
A frente fria escolhida para este trabalho deslocou-se sobre a área da bóia no dia 10 de Junho de 2002, tendo a atuação de ventos de quadrante sul desde o dia 09 até o dia 15 (Figura 1). Para a sua identificação foram utilizadas cartas sinóticas de superfície, imagens de satélite e a verificação dos seguintes critérios, a partir da análise dos dados da bóia: giro do vento de quadrante norte para quadrante sul e a sua permanência por pelo menos mais de um dia; diminuição da temperatura no momento do giro do vento, ou até dois dias depois, de pelo menos 0.5 graus Celsius (Rodrigues et al., 2004). Figura 1a - Carta sinótica de pressão ao nível do mar (hpa) do dia 10/06/02, às 00 UTC, mostrando a aproximação do sistema frontal ao ponto de estudo. Figura 1b - Imagem do satélite GOES-8 no canal infravermelho para o 10/06/2002, às 05:45 UTC. Os fluxos turbulentos entre o oceano e a atmosfera podem ser determinados a partir do vento, temperatura e umidade média obtida numa simples altura introduzindo coeficientes de transferência bulk de calor, umidade e momento (Geernaert, 1990). As expressões bulk padrões para os fluxos de calor sensível (H), latente (LE) e de momento (τ ) são definidos como: H = ρ C C U ( TSM θ ) p h LE = ρ L C U ( q q) e τ = ρ C d U onde C h, C e e C d são os coeficientes de transferência para o calor sensível, calor latente e momento, respectivamente. θ é a temperatura do ar, TSM é temperatura da superfície do mar, q é razão de mistura do vapor d água e U é a velocidade do vento. Os fluxos de superfície serão estimados utilizando o esquema COARE 3.0 proposto por Fairall et al. (2003). Este algoritmo foi desenvolvido utilizando os dados do programa internacional Tropical Oceans Global Atmosphere - Coupled Ocean Atmosphere Response Experiment (TOGA-COARE), que tem como área de estudo as águas quentes do Oceano Pacífico Ocidental. Entretanto, este esquema tem sido utilizado para investigar a interação oceano-atmosfera na região da confluência (Pezzi et al. 2005). 3 - RESULTADOS E DISCUSSÃO A penetração da massa de ar frio e seco, localizada na retaguarda da frente fria, provocou uma redução da temperatura e da umidade do ar, bem como um aumento da pressão atmosférica pelo fato dela estar associada ao anticiclone polar (Rodrigues et al., 2004). Este padrão pode ser observado na Figura 2, onde a partir do dia 10, que corresponde ao dia da passagem frontal, observou-se um declínio na temperatura do ar (Figura 2a) e na umidade relativa (Figura 2b). No dia anterior a temperatura oscilou entre 13,8 C e 14,9 C, e a umidade entre 56% e 82%, como resultado da presença da massa de ar quente e úmida localizada na dianteira da frente fria. Em seqüência, na situação pós-frontal da atmosfera, os valores diminuiram de forma acentuada para as duas variáveis, atingindo o mínimo da temperatura e s 2
(8,1 C) para o dia 11, e da umidade (48%) para o dia 10. A partir do dia 14 os valores voltaram a subir gradativamente, em resposta ao distanciamento da massa de ar frio. Já em relação à pressão atmosférica, uma elevação significativa pode ser verificada para o mesmo dia da entrada da frente fria, oscilando entre 1019 hpa e 1021,7 hpa até o dia 13 (Figura 2c). O contraste térmico entre a superfície do mar e a atmosfera, e a intensidade dos ventos próximos à superfície, influenciam diretamente nos fluxos turbulentos de calor e momento na interface ar-mar. Pezzi et al. (2005) demonstraram a partir de observações in situ na região da CBM, que os fluxos entre a camada limite oceânica e atmosférica, estão fortemente correlacionados com a temperatura da superfície do mar. Figura 2 - Evolução temporal de (a) temperatura do ar (Tar) e da superfície do mar (Tsm); (b) umidade relativa do ar; (c) pressão atmosférica; (d) velocidade do vento; (e) direção do vento; (f) radiação solar entre os dias 9 e 17 de junho de 2002. A Figura 3 apresenta os fluxos turbulentos de calor sensível, latente e momento, calculados durante o período de influência da frente fria. Os valores positivos indicam fluxos da atmosfera para o oceano. A média dos fluxos de calor sensível, latente e de momento foram de 17,26W.m -2, -74,98W.m -2 e 0,12 N.m -2, respectivamente, para o período. Os valores do fluxo de calor sensível foram positivos durante quase todo o período, exceto para o dia 14 (Figura 3a). Como mostra a Figura 3c, o contraste térmico entre a temperatura da atmosfera (Tar) e a temperatura do oceano superficial (Tsm) foi positivo (Tar>Tsm) para a maioria dos dias, caracterizando um fluxo no sentido positivo, onde o ar transferiu calor sensível para o oceano. Por outro lado, no dia 14, pode-se verificar uma inversão do sinal, e o fluxo de calor sensível apresenta uma média diária igual a -1,52 W.m -2, como resultado de um contraste térmico negativo entre a atmosfera e o oceano (Tar<Tsm),
fazendo com que haja uma perda de calor do mar para o ar. Apesar desta elevação a temperatura da superfície do mar mostrou-se baixa para todo o período em estudo, resultado de um possível aumento do transporte da Corrente das Malvinas, típico do inverno, que leva águas frias para menores latitudes. Como esperado para uma região oceânica, o fluxo de calor latente apresentou uma amplitude superior ao de calor sensível. Além disto, os seus valores foram negativos para a maioria dos dias (Figura 3b), ou seja, do oceano para a atmosfera. No entanto, valores positivos foram encontrados para os dias 9, 16 e 17, caracterizando uma situação onde o fluxo de calor latente esteve direcionado da atmosfera para a superfície. Isto está possivelmente relacionado a uma limitação do esquema COARE 3.0 em calcular os fluxos quando há uma situação fortemente estável, uma vez que este algoritmo foi desenvolvido para região altamente instável de TOGA-COARE. O valor máximo do fluxo de calor latente do mar para o ar, -180,44 W.m -2, foi encontrado no dia 10. Este pico é resultado de um aumento na velocidade do vento de quadrante sul próximo à superfície, em resposta à entrada da frente fria. De acordo com a Figura 2d, os maiores valores da velocidade do vento (15 m/s aproximadamente) foram observados para o dia 10, coincidindo com a maior amplitude do fluxo negativo de calor latente, e também com o valor máximo do fluxo de momento (0,66 N.m -2 ), como mostra a Figura 3b. Isto porque o aumento da turbulência mecânica nas camadas limite atmosférica e oceânica, intensifica a transferência de momento do ar para a camada superficial do oceano (fluxo positivo de momento), levando a uma elevação das taxas de energia liberadas na atmosfera por evaporação (Rogers, 1995). Para os dias seguintes à entrada da frente fria, o fluxo de calor latente acompanhou as variações do fluxo de momento, já que a diferença de temperatura entre a atmosfera e a superfície do oceano não varia significativamente até o dia 13. Para este dia foram encontrados baixos valores do fluxo de momento, que aliado a uma diminuição do contraste térmico entre a Tar e a Tsm, contribuiriam para um decréscimo do fluxo de calor latente do mar para o ar, chegando a um valor mínimo diário de -10,33 W.m -2. Apesar da diferença entre a Tar e a Tsm não ter apresentado uma variação significativa, o fluxo negativo de calor latente volta a subir no dia 14 (máximo diário de -148,73 W.m -2 ) como consequência de um novo aumento da velocidade do vento. Figura 3 - Evolução temporal dos (a) fluxos turbulentos de calor; (b) fluxo turbulento de
momento; (b) diferença entre a Temperatura do ar (Tar) e da superfície do mar (Tsm) entre os dias 9 e 17 de junho de 2002. 4 - CONCLUSÕES Os fluxos turbulentos de calor e momento na interface oceano-atmosfera foram investigados durante a passagem de uma frente fria na região da confluência Brasil-Malvinas, utilizando dados da bóia ARGOS-23056. Os fluxos foram estimados utilizando o esquema COARE 3.0. Durante todo o período estudado a temperatura do ar permaneceu maior que a temperatura do mar. Isto implicou num fluxo de calor sensível, latente e de momento da ordem de 17,26W.m -2, -74,98W.m -2 e 0,12N.m -2, respectivamente. Os fluxos de calor sensível e latente parecem responder diferentemente às forçantes. O fluxo de calor sensível apresenta um coeficiente de correlação de 0,85 com a diferença de temperatura entre o ar e o mar e de 0,48 com a velocidade do vento. O fluxo de calor latente tem um coeficiente de correlação de 0,77 com a velocidade do vento e de 0,44 com a diferença de temperatura, que tem influência na diferença de umidade. 5 - AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq, processo individual 475708/2007-5, ao Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) e ao Diretório de Hidrografia e Navegação (DHN) da Marinha do Brasil, pelo suporte para a realização deste trabalho. 6 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS DOURADO, M.S.; OLIVEIRA, A.P. de. A numerical investigation of atmosphere-ocean thermal contrast on the PBL shor-term variation over the coastal upwelling region of Cabo Frio, Brazil. Atmosfera, 2008. FAIRALL, C.W.; BRADLEY,E.F. Bulk Parameterization of air-sea Fluxes: Updates and Verification for the COARE algorithm. J. of Climate, v.16, p.571-591, 2003. GEERNAERT, G. L. Bulk parameterizations for the wind stress and heat fluxes, in Surface Waves and Fluxes, Volume 1--Current Theory, edited by G. L. Geernaert, and W. J. Plant, pp.91-172, Kluwer Academic Publishers, 1990. PEZZI, L. P.; R.B. de SOUZA.; M.S. DOURADO.; C.A.E GARCIA.; M.MATA,; M.A.F. SILVA-DIAS. First in situ ocean-atmosphere observations at the Brazil-Malvinas Confluence region. Geophy. Research Letters, 2005. RODRIGUES, M.L.G.; FRANCO, D.; SUGAHARA, S. Climatologia de frentes frias no litoral de Santa Catarina. Rev. Bras. Geof., São Paulo, v. 22, n. 2, Ago. 2004. ROGERS, D. P. Air sea Interaction: Connecting the Ocean and Atmosphere. Scripps Institution of Oceanography, La Jolla, California. Rev. Geophys., Vol. 33, Suppl. American Geophysical Union, 1995. SARAIVA, J.B.; SILVA DIAS P.L. Local Atmospheric Circulations generated by SST contrasts along the souther coast of Brazil., Reunião Científica do Projeto :and-ocean Interactions in the Coastal Zone (LOICZ), Instituto Oceanográfico USP, São Paulo, SP, 1995.