INVESTIGAÇÃO DAS COMPONENTES OCEÂNICAS RESPONSÁVEIS PELA VARIABILIDADE DO PADRÃO SAZONAL DE TSM NO ATLÂNTICO TROPICAL Jacques Servain 1, Alban Lazar 2 e Carlos A. D. Lentini 3 RESUMO O objetivo deste trabalho é estimar a importância relativa dos termos oceânicos (advecção, turbulência etc) na variação sazonal da TSM através do modelo OGCM-ORCA. Os resultados estão subdivididos em três grupos de acordo com a intensidade da influência oceânica. Para o grupo-1, a importância dos termos oceânicos é menos efetiva na determinação da variabilidade sazonal da TSM, e oposta à forçante sazonal atmosférica. Isso porque o sistema de correntes que atuam nessa região é paralelo às isotermas e a única componente oceânica atuante na TSM deve-se aos efeitos verticais (advecção vertical e turbulência vertical). Para o grupo-2, a importância dos termos oceânicos é mais efetiva, ora em oposição à forçante sazonal, ora em fase. Finalmente, para o grupo-3, a contribuição dos termos oceânicos é complexa, apresentando uma combinação entre os termos de advecção (horizontal e vertical), turbulência vertical e forçante atmosférica. Em geral, a resposta entre os termos oceânicos e a forçante atmosférica apresenta sinais opostos, e os efeitos verticais estão fora de fase com a advecção horizontal. ABSTRACT The purpose of this work is to evaluate the relative importance of the oceanic terms (advection, turbulence etc) in the seasonal variability of SST through the OGCM-ORCA model. The results are grouped into three categories according to the intensity of the oceanic influence. For group-1 the importance of the oceanic terms is less effective in the determination of the seasonal variability of SST, and opposite to the seasonal atmospheric forcing. This is due to because the ocean current system, that acts on this region, is parallel to the isotherms and the only oceanic component acting on the SST is due to the vertical effects (vertical advection and vertical turbulence). For group-2 the importance of oceanic terms is more effective, sometimes opposite to the seasonal forcing, sometimes in-phase. Finally, for group-3 the contribution of oceanic terms is complex, showing a combination among advection (horizontal and vertical), vertical turbulence and atmospheric forcing. In general, the response between oceanic terms and the atmospheric forcing have opposite signs, and the vertical effects are out-of-phase with the horizontal advection. Palavras-chave: Atlântico tropical, TSM, dinâmica oceânica. 1 Institut de Recherche pour le Développement (IRD) - Pesquisador visitante Fundação Cearense de Meteorologia e Recursos Hídricos-FUNCEME Av. Rui Barbosa, 1246 Fortaleza - CE - CEP 60115-221 Fone: 0xx85-3101-1125. e-mail: servain@funceme.br 2 Université de Paris 6 - LOCEAN 4, Place Jussieu 75252 Paris Cédex 05 - França Fone: 33-0-1-4427-7536. e-mail: alban.lazar@lodyc.jussieu.fr 3 Fundação Cearense de Meteorologia e Recursos Hídricos-FUNCEME Av. Rui Barbosa, 1246 Fortaleza - CE - CEP 60115-221 Fone: 0xx85-3101-1125. e-mail: lentini@funceme.br
INTRODUÇÃO Os fluxos radiativos e turbulentos de calor na interface ar-mar são os principais termos que controlam a variação sazonal do conteúdo térmico da camada de mistura oceânica, e, portanto, na variação da temperatura da superfície do mar (TSM). Entretanto, as componentes oceânicas como a advecção (horizontal e vertical), a turbulência (lateral e vertical), o entranhamento na base da camada de mistura não podem ser negligenciadas. O objetivo deste trabalho é estimar, através de simulações numéricas realísticas, a importância de cada um desses termos oceânicos que contribuem para a variação sazonal da TSM no Atlântico tropical, e compará-los com os fluxos turbulentos e radiativos atmosféricos. Aqui, nós nos limitaremos às zonas intertropicais além da faixa equatorial, uma vez que essa faixa foi descrita recentemente por Peter et al. (2006). METODOLOGIA O modelo de circulação oceânica geral ORCA (Peter et al., 2006) apresenta uma resolução horizontal de 0.5 x 0.5 e 30 níveis verticais. Esse modelo foi forçado com uma climatologia semanal, incluindo os fluxos de calor latente, evaporação e tensão de cisalhamento do vento derivados do ERS1-2, assim que temperatura do ar, umidade relativa, cobertura de nuvens, e precipitação derivadas de diferentes climatologias observadas. A descarga de rios também foi introduzida na simulação através da adição de valores médios mensais. A base metodológica inicia com uma descrição, discussão e interpretação dos termos da tendência para as diferentes variáveis analisadas. Pela palavra tendência compreende-se a contribuição em C, para cada variável entre dois passos de tempo consecutivos, na variação em C na temperatura média dentro da camada de mistura. Valores positivos (respostas negativas) na tendência expressam que cada variável analisada induz um aquecimento (resfriamento) da TSM. A curva da variação sazonal da tendência, que corresponde à derivada da TSM, aparece geralmente em quadratura de fase com a curva da variação sazonal da TSM. Esse método permite uma fácil interpretação em termos de aquecimento ou resfriamento entre as diferentes componentes que participam na variação sazonal da TSM. Para compreender melhor os resultados, o Atlântico tropical foi dividido em caixas ou subregiões, exceto a região equatorial, discutida por Peter et al. (2006). Essas sub-regiões são consideradas como representativas das principais características locais associadas à dinâmica oceânica no estabelecimento da variação sazonal de TSM. Nove sub-regiões são apresentadas na Figura 1. As caixas WOI-1, SOI-1, COI-1 e SOI-2 estão situadas em oceano aberto no Atlântico tropical, ao sul e a norte do equador. As caixas WOI-2, COI-3 e COI-2 localizam-se a oeste da bacia e apresentam dimensões variáveis. As duas ultimas caixas, COI-4 e SOI-3 localizam-se a leste da bacia, ao longo da costa africana.
Figura 1: Sub-regiões onde a importância dos termos oceânicos é fraca (WOI), forte (SOI) e complexa (COI). A escala de cor representa a porcentagem de importância (valor absoluto) da soma dos termos oceânicos em relação a soma dos termos atmosféricos. Os tons mais escuros (claros) representam a maior influência do oceano (atmosfera). Os pontos coloridos representam a localização das bóias da rede PIRATA. RESULTADOS As diferentes quantidades deduzidas a partir do modelo ORCA são as seguintes: fluxo de calor latente; fluxo de calor sensível; absorção da radiação de ondas curtas; emissão de ondas longas; forçante total (soma dos quatro termos acima); advecção horizontal e vertical; turbulência lateral (meso-escala) e vertical; turbulência vertical devido ao entranhamento na base da camada de mistura; soma dos termos oceânicos horizontais e verticais; TSM e variação da TSM, (i) a partir do modelo ORCA (integrada na camada de mistura), e (ii) a partir da climatologia de Reynolds e Smith (1994). Os resultados das tendências para as nove caixas foram subdivididos em três grupos de acordo com o nível da importância dos termos de tendência oceânica no estabelecimento da variação anual da TSM de janeiro a dezembro: sub-regiões onde a influência oceânica é fraca (WOI), forte (SOI) e complexa (COI). Aqui são ilustradas (Figura 2) somente quatro dessas subregiões (WOI-1, SOI-1, COI-1 e SOI-2), todas situadas em oceano aberto no Atlântico tropical. Os painéis a esquerda da Figura 2 são representativos da variação sazonal ( tendência ) de TSM derivada do modelo (DT_SST_ORCA) e daquela derivada das observações (DT_SST_REYNOLDS), assim como a soma dos termos de tendência das forçantes atmosférica e radiativa (TOTAL_FORCING) e a soma dos termos de tendência oceânica (TOTAL_OCEAN). Os painéis do meio representam de novo a evolução anual dos termos TOTAL_FORCING e TOTAL_OCEAN, e os termos os mais significantes das componentes oceânicas por cada caixa analisada. Esses últimos correspondem à soma dos termos da advecção horizontal, a soma dos termos verticais e a difusão lateral. Por último, nos painéis do lado direito da Figura 2 estão representados as variações sazonais da TSM calculada pelo modelo (SST_ORCA) e dada pela climatologia (SST_REYNOLDS), bem como pela diferença entre eles (SST_DIFF). Essa última série fornece a informação da representatividade do modelo em cada sub-região considerada.
a) b) c) d) Figura 2: Exemplo de alguns resultados para os três grupos de caixas referentes à importância dos termos oceânicos, (a) WOI-1, (b) SOI-1, (c) SOI-2, (d) COI-1. Detalhes desta figura se encontram no texto. a) Áreas onde a atividade oceânica é fraca (sub-regiões WOI-1 e WOI-2): A sub-região WOI-1 (Figura 2), que inclui parte da Corrente Norte Equatorial (CNE), está associada a correntes de superfície quase-permanentes, enquanto que a sub-região WOI-2 (não
ilustrada aqui) corresponde a uma área intermediária entre o interior da bacia do Atlântico tropical e a entrada do Golfo do México. Aqui os termos oceânicos são considerados particularmente fracos, individualmente ou em grupo, no estabelecimento da variação sazonal da TSM. O termo total da forçante atmosférica é praticamente o único responsável pela modulação anual da TSM. Os termos oceânicos horizontais (não mostrando aqui) são praticamente nulos ao longo do ano, devido ao escoamento das correntes ser praticamente paralelo às isotermas. Os termos verticais são os principais responsáveis pela contribuição oceânica fraca na variação anual da TSM. O modelo é ligeiramente mais frio ao longo do ano (~ -0,25 C/mês) para a sub-região WOI-1, passando por um valor quase nulo em setembro até valores mais importante (-1 C/mês) em dezembro-janeiro. b) Áreas onde a atividade oceânica é forte (sub-regiões SOI-1, SOI-2 e SOI-3): SOI-1 (Figura 2) está localizada em uma região com forte variabilidade sazonal. Do ponto de vista oceânico, essa região é marcada pela presença da Contra-Corrente Norte Equatorial (CCNE) no verão boreal. Do ponto de vista do acoplamento termodinâmico com a atmosfera, ela é marcada pela migração meridional da ZCIT. SOI-2 (Figura 2) está sujeita a intensa dinâmica oceânica dependendo da circulação da Corrente Sul Equatorial (CSE). SOI-3 (não ilustrada aqui), nas proximidades do continente Africano ao sul do equador, é uma região caracterizada por uma forte ressurgência sazonal. Nota-se que a contribuição total dos termos oceânicos é duas vezes mais importante do que no caso anterior: 0,50 C/mês ao invés de 0,25 C/mês. No caso da sub-região SOI-1, é a advecção horizontal que é a componente oceânica mais importante, em conformidade com o cruzamento da corrente com as isotermas. No caso da região SOI-2, são as componentes verticais que induzem as variações. Uma análise mais detalhada (não mostrada aqui) indica que, entre os termos verticais, é inicialmente a turbulência vertical, de sinal negativo, que domina a maior parte dessa variabilidade. Nota-se que a representatividade da TSM dada pelo modelo é correta para as caixas SOI-1 e SOI-2, o que não acontece para a região SOI-3. c) Áreas onde a atividade oceânica é complexa (sub-regiões COI-1, COI-2, COI-3 e COI-4): Aqui, somente a caixa COI-1 (Figura 2) refere-se a uma região offshore; as outras três caixas (não ilustradas aqui) estão associadas a processos costeiros. Essas quatro sub-regiões foram consideradas juntas por dois motivos: (i) se consideradas individualmente, alguns dos termos oceânicos responsáveis pelo estabelecimento da variação anual da TSM apresentam um sinal robusto, mas (ii) esses sinais são compensados e o balanço total desses termos é muito próximo de zero. A subregião COI-1 está associada o corrente CSE. A importância dos termos oceânicos oscila (< 0,25 C/mês) ao redor de zero. Aqui a importância dos termos oceânicos é entre a advecção horizontal,
continuamente positiva com valores que não excedem 0,25 C/mês, e os termos verticais, continuamente negativos com valores menores do que 0,30 C/mês. O termo de advecção horizontal reflete a contribuição de calor proveniente da região equatorial. Outro estudo detalhado (não mostrado aqui) indica que a turbulência vertical é o fator dominante da importância negativa dos termos verticais. Esse resfriamento vertical causado pela turbulência é conseqüência do forte bombeamento de Ekman, que é presente em toda a porção sul subtropical onde a camada de mistura é relativamente fina (20 a 50m) e o vento apresenta uma intensidade constante (~ 30m/s). Os resultados indicam uma boa representatividade do modelo, sendo que as diferenças absolutas de TSM entre o modelo e as observações são praticamente nulas ou então em torno de 0,5 C. CONCLUSÃO Este estudo permitiu mostrar que existem certas regiões do Atlântico tropical onde a ação meramente oceânica, sem ser preponderante no que diz respeito aos termos atmosféricos (fluxos radiativos e turbulentos), é, contudo suficientemente importante para contribuir significativamente na variação do ciclo anual da TSM. Para certas regiões, é a ação horizontal (advecção principalmente) que predomina, enquanto que em outras regiões é a ação vertical (turbulência de meso-escala e/ou advecção vertical), podendo, em algumas sub-regiões interagirem entre si de forma compensatória. Torna-se então evidente a necessidade da inclusão da dinâmica oceânica (advecção horizontal e vertical, turbulência vertical, subducção, etc) em estudos climatológicos no Atlântico tropical. Isso é principalmente importante no entendimento do comportamento espaçotemporal do armazenamento de calor na camada de mistura. Esse armazenamento, em última estância, é responsável pela variação sazonal da TSM, que por sua vez atua como um dos principais motores da circulação atmosférica responsável pelo clima do Nordeste. AGRADECIMENTOS Este estudo é financiado pelo projeto CATIN (IRD-CNPq 492690/2004-9). O terceiro autor é financiado pelo CNPq (Proc. Indiv. 350110/2006-9) e pela FUNCAP (Proc. 5384/05) REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Peter, A-C; M. Le Hénaff; Y. du Penhoat; C. E. Menkes; F. Marin; J. Vialard; G. Caniaux and A. Lazar; 2006: A model study of the seasonal mixed layer heat budget in the equatorial Atlantic. J. Geophys. Res., 111, C06014, doi:10.1029/2005jc003157. Reynolds, R. W., and T. M. Smith, 1994: Improved global sea surface temperature analyses using optimal interpolation. J. Clim., 7, 929-948.