SISTEMAS FRONTAIS, VISUALIZAÇÃO E ANÁLISE: ESTUDO DE CASO DO DIA 24 DE AGOSTO DE 2005. ALINE FERNANDA CZARNOBAI aczarnobai@yahoo.com.br DANIEL AUGUSTO DE ABREU COMBAT danielcombat@gmail.com JORGE BORTOLOTTO jorgebortolotto@gmail.com RAFAELLE FRAGA DE SANTIS farelao.estudos@gmail.com Curso Técnico de Meteorologia (Módulo III) Centro Federal de Educação Tecnológica de Santa Catarina CEFET/SC RESUMO Na região Sul do Brasil as mudanças das condições do tempo são geralmente associadas à passagem de sistemas frontais. O objetivo deste estudo é identificar e analisar esses sistemas em três dimensões, a partir de um estudo de caso com deslocamento sobre o sul do Brasil no dia 24 de agosto de 2005, o qual apresentou uma frente fria intensa e bem configurada. Dessa forma, propõe-se interpretar as seguintes variáveis meteorológicas: gradiente de temperatura, convergência do vento, velocidade vertical do vento, umidade relativa, utilizando dados do modelo regional ETA. Palavras chaves: sistemas frontais, Frente Fria, ETA.
1. INTRODUÇÃO Em 1918, Bjerknes, pioneiro no estudo de sistemas frontais, definiu frente como sendo uma zona de transição ou superfície de descontinuidade entre o ar frio (denso) e o ar quente (menos denso). Para Petterssen (1956), frontogêneses implica numa tendência para a formação de uma descontinuidade ou intensificação de uma zona de transição já existente, enquanto o termo frontólise indica enfraquecimento ou destruição de uma frente. A passagem das frentes frias, geralmente é acompanhada por mudança na direção do vento e forte cisalhamento vertical e horizontal, diminuição na temperatura e umidade do ar e aumento da pressão atmosférica, com mudanças rápidas das propriedades das nuvens e da precipitação. Segundo Fedorova (2000), zonal frontal, caracteriza-se pelos elevados gradientes de temperatura. As frentes com intensos gradientes de temperatura e com grandes ângulos de inclinação são associados a grandes mudanças do vento gradiente com o aumento da altura. A ocorrência de passagens de frentes no Brasil é comum durante o ano inteiro. Em Santa Catarina, por exemplo, há uma média mensal de 3 a 4 frentes frias em todos os meses do ano, com um leve aumento desta freqüência durante os meses de primavera (Rodrigues, 2003). O continente sul-americano é influenciado por massas polares, originadas na Antártica, essas massas atingem os estados sul e sudeste do Brasil no inverno, contribuindo para aumentar a precipitação média dessas áreas. O objetivo desse estudo é a identificação do comportamento de sistemas frontais ocorridos na Região Sul do Brasil, através dos dados do modelo regional ETA, analisando gradiente de temperatura, variação da umidade relativa, campos de pressão, vento zonal (u) e vento meridional (v), como estabelecer parâmetros para sua análise a partir de um estudo de caso. O foco principal do estudo será a Região Sul da América do Sul, a qual compreende as regiões Sul, Sudeste e Centro-Oeste do Brasil, Uruguai, Paraguai e parte da Argentina e da Bolívia e do Chile.
1.1. Classificação de Sistemas Frontais As frentes são classificadas em principal, secundária e frente no ar superior. Frentes principais têm comprimentos horizontais de milhares de km. Observadas em todos os níveis da atmosfera, atuam de três a seis dias. Nas zonas de frontogênese das frentes principais desenvolvem-se ciclones extratropicais e famílias de ciclones. As frentes secundárias possuem comprimento horizontal de centenas de km. São observadas em baixos níveis da atmosfera e duram até dois dias. As frentes no ar superior são observadas nos altos níveis da atmosfera. Não permanecem na superfície e tem largura inferior a 500 km. Quando o ar frio esta avançando e substituindo o ar quente, as zonas frontais podem ser classificadas como uma frente fria. Em cartas meteorológicas são indicadas por uma linha contendo a base de triângulos eqüiláteros. Define-se como uma frente quente quando o ar quente está avançando e substituindo o ar frio. São representadas em cartas meteorológicas por semicírculos voltados para o lado do avanço da massa de ar quente. Quando nenhuma das massas de ar está avançando, é denominada de frente estacionária. Com o processo de conjugação de duas frentes, forma-se a frente oclusa (Fedorova, 2000, Varejão-Silva, 2001).
2. METODOLOGIA 2.1. Dados A área de estudo compreende parte do sul da América do Sul, entre 45ºS a 15ºS e de 70ºW a 30ºW. Fig.1 Localização da área de estudo (15ºS a 45ºS,70ºW a 30ºW). O período escolhido para o estudo de caso é de 24 a 25 de agosto de 2005. Neste período houve a passagem de uma frente fria intensa pelas regiões Sul e Sudeste do Brasil, a qual causou queda de temperatura, geada, neve e nevoeiros. Escolhemos um sistema frontal que trouxe chuvas intensas para a área geográfica abordada. A partir desse período, acompanhamos as análises do modelo ETA, com o objetivo de realizar uma visualização tridimensional e análise dos dados meteorológicos. O estudo será realizado com base nas análises do modelo ETA (CPTEC).Também foram utilizadas imagens do satélite GOES e o software MATLAB para a visualização das características termodinâmicas da zona frontal.
2.2. O Modelo ETA Neste trabalho foram utilizados Análises do Modelo Regional ETA. O modelo regional tem a vantagem de prever com maior detalhamento fenômenos associados a sistemas de mesoscala. As previsões se estendem até 48h e cobrem a América do Sul - a região compreendida entre as longitudes de 25ºW a 90ºW e as latitudes de 12ºN a 45ºS. O modelo ETA busca identificar com maior detalhamento o comportamento da atmosfera sobre uma região e, com sua resolução espacial de 40km, permite a melhor identificação dos fenômenos meteorológicos de mesoscala. A análise do modelo é compostas com resultados de observações meteorológicas e previsões anteriores para gerar um estado inicial chamado análise. As variáveis foram analisadas a partir de gráficos em duas e três dimensões. Dessa maneira, foi possível visualizar a zona frontal em diversos níveis barométricos, planos de cortes, buscando encontrar melhores ângulos de visualização dos dados para interpretação coerente da situação atmosférica durante a passagem da frente.
3. Estudo de Caso 3.1 Análise Sinótica Fig.2 - Imagem de Satélite GOES, 24/08/05, 12Z. Fig.3 - Imagem de Satélite GOES, 25/08/05, 12Z. A analise sinótica que segue abaixo foi organizada com base no Monitoramento Diário do Tempo 1, do CIRAM - Centro de Informações de Recursos Ambientais e de Hidrometeorologia de Santa Catarina. No dia 24 de agosto de 2005, um sistema frontal atua sobre o estado de Santa Catarina associado a ciclone extratropical em formação no sul do Uruguai ocasionando tempo nublado no sul do Estado. Os sistemas podem ser observados nas imagens de satélite (fig.2), causaram chuvas no período da manhã e tarde, com o avanço de uma massa de ar fria e seca, as precipitações cessaram. À noite o céu estava claro em todas as regiões. Segundo o CIRAM, ocorreu
nevoeiro em Ituporanga, São Miguel D Oeste e Videira. O vento variou de noroeste a sudoeste, com intensidade moderada e presença de um jato subtropical em altos níveis (200hPa), associado à frente. No dia 25 de agosto a frente deslocou-se para o oceano Atlântico e próximo a região Sudeste do Brasil (fig.3). O centro do ciclone extratropical, neste dia, localizava-se aproximadamente em 38 S 43 W. Em algumas cidades de Santa Catarina ocorreram fenômenos como nevoeiros. O vento variava entre nordeste a oeste, com fraca intensidade. Temperaturas mínimas negativas ocorreram no Estado, como em Matos Costa, com temperatura registrada em 2,2 C e 1 C em São Joaquim. Neve em Urupema (Morro das Antenas). Geada em Caçador, Campo Erê, Chapecó, Major Vieira, Matos Costa, Ponte Serrada e São Joaquim (CIRAM). O jato subtropical em altos níveis (200hPa), se deslocou para região Sudeste do Brasil. 1 Referente as datas do deslocamento do sistema frontal (24/08/2005 e 25/08/2005).
4. RESULTADOS Identificação e Análise do sistema frontal que passou pelo Sul da América do Sul entre os dias 24 e 25 de agosto de 2005. Fig.4 -Imagem de Satélite do dia 24/08/05, 12Z. Frente fria sobre o estado de Santa Catarina. Para identificar e visualizar o sistema frontal do dia 24 e 25 de agosto (Fig.4), analisamos as seguintes variáveis meteorológicas: 4.1 Temperatura O gradiente horizontal de temperatura é intenso nos sistemas frontais. Em médios e baixos níveis os gradientes se apresentam maiores que em superfície (Fedorova, 2000). As figuras a seguir representam a temperatura do ar, no dia 24 de agosto de 2005, às 00Z:
Fig.5 Temperatura, dia 24/08/2005 00Z, no Fig.6 Temperatura, dia 24/08/2005 00Z, no nível de 1000hPa. nível de 925hPa. Observa-se a temperatura do ar, no dia 24 de agosto de 2005,00Z. A massa de ar frio encontra-se na parte inferior e a massa de ar quente na parte superior (Fig.5 e 6). No nível de 925hPa (Fig.6) existe um forte contraste térmico, aproximadamente de 20ºC entre as massas de ar quente e massa de ar frio; a massa de ar frio com valores que variam de 1 a 9ºC (tons azuis), com avanço pelo sudoeste do continente. Fig.7 Temperatura do ar, 24/08/2005 12Z, no nível de 1000hPa. Fig.8 Temperatura do ar, 24/08/2005 12Z, no nível de 925hPa.
A partir das figuras de temperatura do ar, no dia 24 de agosto de 2005,12Z, verificase que massa de ar frio possui temperatura variando de 6 a 12ºC e a massa de ar quente com temperatura variando de 22 a 26ºC. No nível de 925hPa ( Fig.8), a massa de ar frio se aproxima do estado de Santa Catarina. Fig.9 - Temperatura do ar, 24/08/2005 12Z, no nível de 850hPa. Fig.10 - Temperatura do ar, 24/08/2005 12Z, no nível de 500hPa. Em baixos níveis (850hPa) e médios níveis (500hPa) observa-se uma intensa queda na temperatura. Em 850hPa, a temperatura da massa de ar frio varia aproximadamente de -3 a 3º C e em 500hPa, a temperatura da massa de ar frio varia de -25 a -19ºC. Verificamos o deslocamento das massas de ar entre as 00Z e 12Z, sendo que a massa de ar frio está avançando em direção ao estado de Santa Catarina. 3.2. Umidade Relativa A umidade relativa é o quanto a atmosfera está próxima de atingir o ponto de saturação, ou seja, a relação verificada entre a pressão de vapor de água na atmosfera e a saturação da pressão de vapor na mesma temperatura. A seguir, será apresentado o mapa de representação vertical da atmosfera (skew-t) das cidades que se encontram na área de estudo e sofreram influencia do sistema frontal.
Fig.11 Diagramas termodinâmicos Skew-T, dia 24/08/05, 12Z. C Porto Alegre (RS) e Curitiba (PR) 12Z. As figuras abaixo representam a umidade relativa do dia 24 de agosto de 2005, às Fig.12 Umidade Relativa, 24/08/2005. 12Z Superfície (1000hPa) e Médios Níveis (500hPa). Em superfície (1000hPa), observa-se alta umidade próxima à frente e na sua retaguarda na região Sul do Brasil (Fig.12). Em 500hPa, observa-se uma faixa de alta umidade relativa associada à convergência em superfície do ar na zona frontal.
Verificando o Skew-T do mesmo horário, nas cidades de Porto Alegre e Curitiba, ocorre uma aproximação das linhas de temperatura (T) e temperatura do ponto de orvalho (Td), o que significa um valor de umidade próximo a 100%.(Fig.11) 3.3 Divergência do vento A direção do vento ao longo do sistema frontal é variável. Na zona frontal, verificase convergência do vento próximo à zona frontal. Para a identificação do sistema, geralmente observa-se a área em que ocorre confluência dos ventos. Na frente dos sistemas de baixa pressão o ar ganha vorticidade ciclônica, o que implica em convergência do ar. Na retaguarda o sistema de baixa pressão, à superfície, o ar ganha vorticidade anticiclônica, o que implica em divergência. Fig.13 - Divergência do vento, 24/08/05, 12Z nível de 1000hPa e 925hPa. Fig.14 Altura Geopotencial, 25/08/05 00Z, níveis de 1000hPa e 925hPa. Em 925hPa (Fig.13), observamos divergência negativa entre as latitudes 20ºS e 30ºS e 45ºW 53ºW, isto é, a convergência do vento, na área à frente do sistema frontal. Em 1000hPa, pode ser observado a mesma configuração, contudo menos intensificado.
Verificam-se também pontos isolados de grande intensidade de convergência e divergência dos ventos. 3.4 Altura Geopotencial Fig.14 Altura Geopotencial, 25/08/05 00Z, níveis de 1000hPa e 925hPa. No dia 25/08, o centro da baixa pressão permanece bem configurado até 850hPa. Na figura acima (Fig.14), observa-se a configuração do sistema de baixa pressão nos níveis de 1000hPa e 950hPa. O ciclone associado à frente localiza-se no oceano Atlântico, aproximadamente em 38ºS e 50ºW. 3.5 Gradiente Horizontal de Temperatura Segundo Fedorova (2000), o gradiente horizontal de temperatura é grande nas zonas frontais em médios e baixos níveis, e menor em superfície. O Gradiente de temperatura horizontal é a variação da temperatura numa distância. O gradiente é expresso em graus Celsius por quilômetro.
Fig.15 Gradiente Horizontal de Temperatura, 24/08/05 00Z. Níveis de 1000hPa e 925hPa No nível de 925hPa, em uma pequena faixa da zona frontal, com coordenadas de 20ºS a 25ºS, observa-se um gradiente horizontal de temperatura muito forte, com valor mínimo de 0,06ºC/km, e atinge valores até 0,12ºC/km. Em superfície, encontra-se um gradiente que varia de 0,03 a 0,45ºC/km, principalmente na área de 54ºW a 60ºW. Neste caso, em relação ao nível de 925hPa, há um gradiente de temperatura menos intenso. Fig.16 Gradiente Horizontal de Temperatura, 24/08/05 00Z. Níveis de 850hPa e 700hPa.
No nível de 850hPa, na área entre 55ºW a 66ºW, existe um intenso gradiente horizontal de temperatura, com valor aproximado de 0,06ºC/km. Esta área com maior variação de temperatura pode ser associada a convergência do ar em superfície. Fig.17 Gradiente Horizontal de Temperatura, 24/08/05 12Z. Níveis de 1000hPa e 925hPa. Na Fig.17, a banda de gradiente horizontal segue a zona frontal e o intenso gradiente orientado de noroeste/sudeste, com um valor médio entre 0,04 e 0,05 ºC/km. Fig.18 Gradiente Horizontal de Temperatura, 24/08/05 12Z. Níveis de 600hPa e 500hPa.
No centro do Rio Grande do Sul, o gradiente horizontal de temperatura alcança valores próximo de 0,05ºC/km em 500hPa (Fig.18). Comparando as demais figuras já analisadas em baixos níveis, pode-se perceber que o posicionamento da banda de maior gradiente horizontal em baixos níveis está localizado nos Estados do Paraná e de Santa Catarina, e o gradiente máximo observado em 500hPa localiza-se sobre o Estado do Rio Grande do Sul. 3.6 Gradiente Vertical da Temperatura Fig.19 Gradiente Vertical da Temperatura, 24/08/05 00Z. Níveis de 850hPa e 700hPa. O gradiente vertical de temperatura é a variação da temperatura por um valor de altura (m). Os tons de azul destacam os maiores gradientes e encontram-se associadas a massa de ar quente. Nota-se que o gradiente vertical de temperatura é menor no ar frio. Na vertical, a massa de ar tende a aquecer adiabaticamente no lado frio e esfriar adiabaticamente no lado quente: por isso, assim as frentes são mais intensas na superfície e nos altos níveis.
3.7 Frente termal da Isoterma de 10 C O objetivo principal desse trabalho é a visualização e análise do sistema frontal em imagens tridimensionais. As análises das variáveis meteorológicas em três dimensões podem ser verificadas a seguir: Fig. 20- Frente Termal - Isoterma de 10ºC, 24/08-00Z 1000hPa 700hPa. (Azimute: 104 - Elevação: 14) A figura acima ilustra a massa de ar que possui temperatura menor ou igual a 10ºC, do nível de 1000hPa até 700hPa. A opção de selecionar esse valor de temperatura serve para visualizar a isoterma de 10 C e valores inferiores para caracterizar a massa de ar mais frio e poder visualizar o comportamento das massas de ar.
Fig.21- Frente Termal - Isoterma de 10 C,24/08-12Z. Az.146 El.14 O volume da massa de ar mais quente que está sobre o continente, se estende até altos níveis, conforme a figura acima. A casca observada corresponde ao formato volumétrico descrito pela isoterma de 10ºC. O volume da massa de ar frio avança pelo continente, adquirindo mais volume. 3.8 Velocidade Vertical Relativa e Magnitude Horizontal A velocidade vertical é o componente vertical do movimento de uma parcela do ar e é dada por w = dz/dt. A unidade é m.s -1. Em coordenadas isobáricas, a velocidade vertical é designada ω, é dada por ω=dp/dt. A unidade usada é hpa.s -1. Verifica-se que valores
negativos da w representam movimentos verticais descendentes e valores positivos indicam movimentos verticais ascendentes. A magnitude do movimento vertical do vento, em geral, é muito menor (por quatro ordens de magnitude) que os movimentos horizontais, u e v. Isto é, w, normalmente, apresenta valores da ordem de 1 cm s -1. As figuras abaixo representam a relação entre velocidade relativa e magnitude horizontal. Fig. 22- Velocidade Vertical Relativa e Magnitude Horizontal do vento - 24/08/05 12Z Foram escolhidos os planos de 925hPa, 800hPa e 600hPa por ilustrar melhor a distribuição das correntes na atmosfera. O exagero das linhas de correntes na vertical corresponde a 10000 vezes o valor real, para melhor visualização das linhas de corrente. Nota-se o escoamento ciclônico fechado nos níveis de 925hPa e 800hPa. A localização da baixa pressão do sistema é indicada pela relação positiva da velocidade
vertical relativa pela magnitude horizontal. O centro da circulação ciclônica (vermelho, Lat. 40 S) indica que ocorre convergência do ar, caracterizando-se assim o centro da baixa pressão. Fig. 23 -Velocidade Vertical Relativa e Magnitude Horizontal do vento - 24/08/05 12Z Para visualizar a convergência da baixa pressão do sistema frontal, utilizou-se um corte na longitude 51 W. O movimento ascendente é sinalizado pela cor vermelha (nas latitudes 40 S a 35 S).
Figura 24 - Velocidade Vertical Relativa e Magnitude Horizontal do vento - 24/08/05 00Z Entre as latitudes 40ºS e 35ºS (Fig.24), verifica-se áreas em que ocorre movimento ascendente do vento, ou seja, a velocidade vertical positiva em tons de vermelho situa-se à frente e, movimentos descendentes em tons de azul à retaguarda. A descontinuidade do fluxo vertical indica a presença da frente fria. Embora o movimento vertical seja pequeno comparado com o movimento horizontal, ele é importante para as condições do tempo. O sistema frontal em estudo, observado na figura 24, pode ser visualizado no esquema a seguir:
Fig.25- Frente fria e frente quentes, associadas a sistema de Baixa Pressão. Quando a massa do ar frio avança em direção a massa do ar quente a frente é denominada frente fria. Quando a massa de ar quente avança sobre a direção da massa de ar frio, é denominada de frente quente. 3.9 Convergência do vento A convergência é uma característica do escoamento em três dimensões em que um elemento material do fluido tende a diminuir seu volume. Em um escoamento de duas dimensões um elemento material do fluido tende diminuir a sua área sob o efeito da convergência. A convergência de um campo vetorial em três dimensões é dada por -.V = -( u/ x + v/ y + w/ z). A convergência é o oposto da divergência. Nas figuras de convergência do vento a seguir verificam-se valores de convergência superiores a 1,5/s formando a casca representada na cor azul. Realizamos cortes horizontais para podermos visualizar a convergência entre diferentes níveis de pressão. A seguir, as imagens de convergência de vento das 00Z:
Figura 26 convergência do vento em 24/08/05 00Z. Segundo a figura acima, na qual foi realizado um corte horizontal em 925hpa representando a convergência existente entre os níveis de 1000hpa 925hpa. Aproximadamente em 40S, observamos a convergência associada a massa de ar quente, variando de 1,5 a 2/s na parte periférica, e 3,5/s no seu interior. Aproximadamente na área compreendida 30S e 20S / 50W e 65W a massa de ar frio avança pelo continente, observa-se que seu formato característico de concha é mais acentuado em relação à massa de ar quente.
1 2 Figura 27 convergência do vento em 24/08/05 00Z A figura acima representa a convergência a partir de um valor mínimo de 1,5/s entre os níveis de 1000 a 700hpa. Na região indicada com nº 1 a massa de ar quente. Na região indicada pelo nº 2, onde se localiza o avanço da massa de ar frio a convergência do vento mantém-se presente até níveis superiores, enquanto na região indicada com nº 1, a convergência não se mantém em níveis mais altos.
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS O presente trabalho apresentou um caso de sistema frontal com visualização dimensional e tridimensional. A principal vantagem da forma de visualização tridimensional está na variedade de cortes e perspectivas para análises das variáveis meteorológicas dos planos barométricos. A utilização de gráficos em 2D e 3D para visualização do comportamento das variáveis como gradiente de temperatura, convergência do vento, velocidade vertical do vento, umidade relativa, ao longo do sistema frontal possibilitaram fazer análises eficientes e objetivas. Acredita-se que o trabalho poderá contribuir de alguma forma para desenvolvimento de estudos posteriores que visam a análise de sistemas meteorológicos como Frentes. 5. AGRADECIMENTOS Agradecemos aos professores Márcia Fuentes e Mário Quadro pela atenção e ao professor Carlos Araújo pela orientação.
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