VÓRTICES CICLÔNICOS DE AR SUPERIOR: UM ESTUDO DE CASO ATRAVÉS DE BALANÇO DE VORTICIDADE

VÓRTICES CICLÔNICOS DE AR SUPERIOR: UM ESTUDO DE CASO ATRAVÉS DE BALANÇO DE VORTICIDADE Fábio Cuna Conde Rua do Matão, 1226, Cidade Universitária-SP, 05508-900 e-mail: fabconde@model.iag.usp.br Maria Assunção Faus Silva Dias Rua do Matão, 1226, Cidade Universitária-SP, 05508-900 e-mail: mafdsdia@noys.iag.usp.br ABSTRACT Te objective tis work is te analysis of a cases study of te Brazilian Norteast Cyclonic Vortice in te upper air for te period of 04 to January 13, 1999 using a vorticity budget. Images from te infrared cannel of te GOES (Geostacionary Operation Environmental Satellite) satellite were used, available from INPE/DSA (Institute of Space Researc /Department of Environmental Sensory) and from analysis of te GPSATRS/CPTEC (Global of Sout Atlantic Troposperic Center of Forecast of te Time and Climatic Studies Model), to define airflow streamlines and to determine components of te vorticity balance in 200 mb. Te data set was also obtained from GPSATRS/CPTEC. Te results indicate tat te pattern of observed VCAS was caracterized by rainfall in te Norteast area in Brazil. Tis VCAS configuration is in agreement wit te proposed by Kousky and Gan (1981). Te VCAS studied was accompanied of an upper air ridge associated wit a typical of blocking pattern in te subtropical areas in Brazil. INTRODUÇÃO. A região nordeste do Brasil é caracterizada por uma grande irregularidade do seu regime pluviométrico, decorrente da influência de vários sistemas atmosféricos. A acentuada variabilidade temporal e espacial das cuvas é um fator de efeitos danosos às localidades atingidas, pois tanto podem provocar secas como também encentes. Isto atinge direta ou indiretamente grande parte das atividades econômicas desenvolvidas na região, especialmente àquelas ligadas ao setor agropecuário. Entretanto, com o aperfeiçoamento tecnológico, acoplado com modelos de previsão nas últimas décadas, proporcionaram o aprimoramento de conecimentos da atmosfera e suas interações, que influenciam no comportamento do clima da região. Os primeiros estudos observacionais sobre a origem e formação dos vórtices ciclônicos em altos níveis (VCAS s) foram desenvolvidas para o emisfério norte, destacando se dois tipos: os de Palmén (1949) e os de Palmer (1951). Os vórtices do tipo Palmén, formam-se quando bolsões de ar frio, associados com extensos cavados, se desprendam e são confinados no lado equatorial da corrente média dos ventos de oeste, são comuns na primavera, inverno e outono e as tempestades Kona que ocorre no Pacífico leste, são deste tipo (Simpson, 1952). O segundo tipo, fornam-se em latitudes tropicais, acima de 10Km de altura, principalmente durante os meses de verão e raramente no inverno, permanecendo estacionário nos trópicos, intensificando quando passam para latitudes mais altas. Na América do sul, a existência dos VCAS s foi demostrada através de estudos das características da circulação troposférica. Os primeiros estudos realizados sobre os vórtice ciclônicos em altos níveis no Atlântico sul tropical foram feitos por Dean (1971) e Aragão (1975). Kousky e Gan (1981) e Gan (1982) utilizaram dados meteorológicos, análises de modelos de previsão de tempo e imagens de satélite para definir diversos aspectos relacionados à origem, formação e deslocamento dos vórtice ciclônicos em altos níveis. Os vórtices ciclônicos da alta troposfera consistem em sistemas de baixa pressão em grande escala que se formam na alta troposfera e cuja circulação ciclônica fecada possui o centro mais frio que sua periferia (Gan, 1983). As características principais dos vórtices ciclônicos de altos níveis que penetram sobre o Nordeste, segundo Kousky e Gan (1981) e Gan (1983) são: vórtices de origem tropical; originam-se no Oceano Atlântico; surgem nos meses da primavera, verão e outono; originam-se acima de 9000 m, em baixas latitudes; podem permanecer na região tropical por longos períodos (semanas); durante a passagem para latitudes mais altas, geralmente crescem e se intensificam; e possuem movimento irregular, movendo-se tanto para leste como para oeste. Podem permanecer quase estacionários ou deslocarem-se mais de 8º de longitude por dia. Segundo Frank (1966, 1970), os vórtices ciclônicos de alta troposfera confinam-se preferencialmente acima de 500 mb e a maior parte (60%) deles não atinge a superfície. 1876

A circulação dos vórtices ciclônicos de altos níveis surge inicialmente nas partes mais altas da troposfera, estendendo-se gradualmente para baixo (Palmer, 1951) e o centro da circulação fecada inclina-se, na vertical, na direção do ar mais frio (Carlson, 1967). Os ventos máximos ocorrem próximos a 200 mb diminuindo em direção aos baixos e médios níveis. Considerando-se o movimento vertical gerado pelos vórtices ciclônicos de altos níveis, notamos que este possui uma circulação direta que se caracteriza por um movimento descendente de ar frio e seco no seu centro e movimento ascendente de ar quente e úmido na sua periferia (figura 1). Essa circulação transforma energia potencial em cinética. Figura. 1 - Seção vertical transversal através do sistema de vórtice ciclônico. Desta forma, a intensificação de um vórtice ciclônico de altos níveis se dá devido a conversão de energia potencial em cinética através da liberação de calor latente ao longo da periferia (Gan, 1983). A desintensificação é feita através da destruição da energia cinética. Sobre o continente ou águas oceânicas quentes, a dissipação do vórtice ciclônico de altos níveis se dá devido ao aquecimento em superfície (calor sensível) que, junto com o núcleo frio do vórtice (em médio e altos níveis) criam uma situação suficientemente instável que se sobrepõe aos efeitos da subsidência no centro do vórtice que libera calor latente no centro do vórtice (Kousky e Gan, 1981). Sobre o Oceano, os vórtices ciclônicos de altos níveis não se dissipam mas são absorvidos pelos ventos de oeste (circulação global) de latitudes médias através de fortes cavados que se deslocam de latitudes mais altas. Kousky e Gan (1981) e Gan (1983) propõe o mecanismo de geração para os vórtices ciclônicos de altos níveis que atingem o Nordeste Brasileiro descrito a seguir: Em vários casos, os vórtices ciclônicos de altos níveis se formam ou intensificam-se corrente abaixo de um sistema frontal de latitudes médias fortemente amplificado que penetra em latitudes subtropicais. Geralmente, uma forte advecção quente precede o sistema principalmente em baixos e médios níveis. Essa advecção quente amplifica a crista em altos níveis que acompana o sistema corrente abaixo que, por sua vez, amplifica o cavado de altos níveis mais adiante. A figura 2 esquematiza a geração do vórtice. A figura 2a esquematiza a circulação não perturbada em 200 mb para a América do Sul e Oceano Atlântico Sul durante o verão. A figura 2b esquematiza um cavado de altos níveis superposto com uma frente fria que o acompana e a forte crista em altos níveis se estendendo do Brasil centra até o Oceano Atlântico. É evidente também a intensificação do cavado sobre o Oceano Atlântico. Na figura 2c a frente fria se move para sudeste do Brasil e o vórtice ciclônico em altos níveis se feca no Atlântico Oeste. Fig. 2- Seqüência esquemática da formação de um vórtice ciclônico em 200mb no Atlântico Sul 1877

A cobertura de nuvens associada com os vórtices ciclônicos de altos níveis em baixas latitudes varia consideravelmente de acordo com sua intensidade e sua extensão vertical (Frank, 1970). Geralmente, a cobertura de nuvens associada ao sistema vórtice de altos níveis e frente fria possui uma forma de S (Kousky e Gan, 1981). É importante ressaltar que os vórtices ciclônicos de altos níveis podem ou não conter uma banda convectiva em seu redor. Gan (1983) classificou-os como vórtices secos ou úmidos de acordo com a existência ou não da banda convectiva. Frank (1970) observou que os vórtices ciclônicos de altos níveis úmidos apresentam uma região sem nuvens no seu interior que é caracterizado como uma região de subsidência. Kousky e Gan (1981), como já comentado, observaram atividade convectiva no centro do vórtice quando este se encontra sobre região continental ou sobre águas oceânicas quentes. Kousky e Gan (1981) e Gan (1983) observaram também que, nos vórtices úmidos que atuam sobre o Nordeste brasileiro, a maior atividade convectiva é encontrada nas bordas do vórtice, na direção do movimento do vórtice. Segundo Kousky e Gan (1981), Gan (1983) e Kousky et al (1983), os vórtices ciclônicos de altos níveis ocorrem principalmente nos meses de primavera, verão e outono (setembro a abril), sendo seu pico máximo de ocorrência no mês de janeiro. Ramírez (1996), estudou os padrões de circulação associados aos VCAS's sobre o nordeste do Brasil e Atlântico Tropical Sul, utilizando análises diárias do modelo de previsão do tempo do European Center for Mediun Range (ECMWF) e imagens de satélite, mostrando que os VCAS's formam-se na alta troposfera, apresentando máxima vorticidade ciclônica em 200 Pa e um centro frio em 300 Pa, com a maioria se originando sobre o Atlântico Tropical, sendo mais freqüente nos meses de verão É importante ressaltar que uma forte correlação positiva é observada entre a freqüência de vórtices ciclônicos de altos níveis e o ciclo da componente meridional dos ventos nos altos níveis da troposfera sobre a América do sul. Durante os meses de verão, um forte anticiclone de altos níveis fica presente na área da Bolívia (Alta da Bolívia) enquanto durante os meses de inverno, os ventos em altos níveis sobre a América do Sul são praticamente zonais. Quando o vórtice ciclônico se aproxima do nordeste brasileiro vindo do Oceano Atlântico, como dito anteriormente, sua região de máxima convecção concentra-se nas partes oeste e norte do vórtice (na região de direção do movimento). A entrada do vórtice ciclônico sobre o Nordeste normalmente mantém parte da região com precipitação e parte sob céu claro. Em vários casos observados, os vórtices mantém seu centro de subsidência na parte sudeste do Nordeste (nordeste da Baia, Sergipe, Alagoas, litoral de Pernambuco e Paraíba) e sua região de convecção sobre os Estados do Ceará, oeste do Rio Grande do Norte, Piauí, oeste de Pernambuco. Entretanto, é fundamental ressaltar que o movimento do vórtice é aleatório, causando grande variação nas áreas afetadas pela região de precipitação e pela de subsidência. O objetivo deste trabalo é caracterizar as condições atmosféricas na formação de Vórtices Ciclônicos de Ar Superior (VCAS) na primeira quinzena de janeiro de 1999 no nordeste brasileiro que influenciam no regime de precipitação da região. METODOLOGIA Os dados utilizados foram as imagens do satélite GOES-8 (Geostacionary Operation Environmental Satellite) no canal infravermelo gerado no INPE/DSA (Instituto de Pesquisa Espaciais /Departamento de Sensoriamento Ambiental) e análises do GPSATRS/CPTEC (modelo Global do Atlântico Sul Troposféico/Centro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos), linas de correntes e o balanço de vorticidade em 200 mb a partir das análises do GPSATRS/CPTEC com recursos do GRADS (Grid Analysis and Display System). A metodologia empregada fundamenta-se em reunir, a partir dos dados mencionados, os maiores e variados conjuntos de informações referentes a formação, manutenção e dissipação do VCAS que influencia o regime de precipitação para a região do Nordeste Brasileiro (NEB). Este complexo de informações permitem caracterizar da maneira mais detalada possível o cenário meteorológico em que ocorreram os fenômenos de atuações dos VCAS s. O critério usado para definir o início de um VCAS foi a ocorrência de um centro fecado de circulação orária sobre a região do Atlântico Sul Tropical (AST) ou costa leste do Brasil, enquanto que o critério usado para definir sua dissipação foi o desaparecimento do centro fecado, restando apenas um cavado. 1878

Utilizou-se para o estudo as componentes (u e v) do vento nos orários 0000Z, 1200Z e 1800Z através das linas de correntes em 200 mb onde apresentaram-se em pontos de grade longitudinais e latitudinais com intervalos de 5º, abrangendo uma faixa de 100º W-0º e 60º S-30º N. Para verificar quais o fatores dinâmicos importantes para o deslocamento dos VCAS, julgou-se necessário utilizar a equação da vorticidade para se obter a contribuição quantitativamente de cada temo na seguinte forma: t + V p ( + f ) + ø + ( + f ) V R = 0 Desprezando-se o termo de advecção vertical da vorticidade esta equação para t, obtém-se: { { { ( ) { t (3) 1 44 2443 (5) (1) = A (2) v + f (4) V + R ø p (1), pois em 200 mb ø 0, e resolvendo Onde: (1) termo da variação local da vorticidade relativa com o tempo, ou, em outras palavras, este temo representa a soma do deslocamento e da intensificação do sistema; (2) termo de advecção de vorticidade relativa; (3) termo beta; (4) termo da divergência; e (5) Resíduo. Lembrando que a equação (2) foi determinada em coordenadas cartesianas, utilizando-se o método das diferenças finitas e dados das análises do GPSATRS através dos recursos operacionais do GRADS através do diagrama de Hovmöller para todo o período do estudo. O critério para a elaboração da contribuição de cada termo, observou-se através das linas de correntes a posição do centro do VCAS, onde a partir da observação do centro adotou-se uma faixa de abrangência entre 5º S a 15º S, onde os termos da equação (2) foram calculados através de uma média ponderada estabelecendo um peso maior na latitude de 10º S devido ao fato que o VCAS apresentou um deslocamento quase estacionário. RESULTADOS. Foram observados oitos sistemas frontais que atuaram durante a primeira quinzena de janeiro de 1999 no Brasil e apenas um, atingiu latitudes ao norte de São Paulo, cegando até o sul da Baia. Durante a primeira quinzena do mês, observou-se que as frentes frias deslocavam-se rapidamente pelo sul do país e adquiriu um caráter semi estacionário sobre a região sudeste, o que caracterizou a camada Zona de Convergência Intertropical do Atlântico Sul (ZCAS). Esta rápida passagem de frentes frias pelo sul do país, contribui para o déficit de cuva na região (Climanálise, v. 1, 1999). O objetivo deste trabalo é enfatizar a primeira quinzena do mês de janeiro, com atuação dos Vórtices Ciclônicos do Ar Superior (VCAS s) na região nordeste, afetando a nebulosidade e cuva no litoral norte e oeste desta região. O primeiro VCAS s atuou de 1 até 13/01/99, sobre a região nordeste. O centro do sistema encontrava-se sobre o oceano Atlântico. Supõem-se que ocorreu, devido a falta de dados no início de sua formação (dias 1, 2 e 3/01/99), que este vórtice originou-se de acordo com o mecanismo de formação dos VCAS s, proposto por Kouky e Gan (1981). Observando as imagens de satélite (Quadro 1), nota-se a presença de um sistema frontal atingindo o sul da Baia e uma frente fria, deslocando-se rapidamente do Rio Grande do Norte até a região sudeste do Brasil, onde estes sistemas ficaram semi- estacionário na região, o que caracterizou a camada ZCAS. No Quadro 1 (figuras 1 a 6), verifica-se através das imagens de satélite no canal infravermelo a presença da configuração da banda de nebulosidade relacionada ao VCAS s, principalmente nos dias 07/01/99, às 12Z, que mostrou bem definido a configuração da nebulosidade em forma de S, gerado pela presença da frente fria na região sudeste, estendendo-se até o oceano Atlântico, a banda convectiva no Brasil central e outra região mais ao norte, gerado na periferia do VCAS que é causado pela circulação direta, ou seja, ar frio e seco no centro do vórtice e ar quente e úmido nas bordas do sistema. Observa-se, também que durante o período de estudo do VCAS, a Zona de Convergência Intertropical (ZCIT) esteve ao norte, com relação a sua média climatológica. (2) 1879

Quadro I Imagens de Satélites no Canal Infravermelo. 1) Imagem 04/01/99-12Z 2) Imagem-05/01/99-12Z 3) Imagem 06/01/99-00Z 4) Imagem 06/01/99-12Z 5) Imagem 07/01/99-00Z 6) Imagem 07/01/99-12Z 7) Imagem 09/01/99-00Z 8) Imagem 09/01/99-12Z 9) Imagem 10/01/99-12Z 10) Imagem 10/01/99-12Z 11) Imagem 11/01/99-00Z 12) Imagem 11/01/99-12Z 13) Imagem 13/01/99-00Z 14) Imagem 13/01/99-12Z 15) Imagem 14/01/99-00Z 16) Imagem 14/01/99-12Z As linas de correntes em 200 mb no Quadro 2 (figuras 1 a 5), mostra que o centro do sistema, encontrava-se sobre o oceano Atlântico. A partir do dia 1 até 06/01/99, teve trajetória desde o litoral da Baia até o litoral de Pernambuco. Observa-se, também, a presença da Bifurcação Inter Hemisférica (BI) no escoamento zonal desde os altos níveis, envolvendo as circulações do HN e HS à noroeste da América do sul, ocorrendo na faixa compreendida entre 5ºN 10ºS e 90ºW 100ºw, a sudeste da qual encontra-se a Alta da Bolívia (AB no HS)e a nordeste da Alta do Norte (AN), localizada no HN (Quadro 2, figuras 1 a 14). 1880

Quadro 2 Linas de Corrente em 200 mb 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 10) 11) 12) 13) 14) 15) 16) 1881

Verificou-se a existência do par simétrico de anticiclone (Quadro 2, figuras 9 e 10). AB no HS e AN no HN, associados a BI, observado neste estudo e explicada em estudos teóricos, apresentados por Gill (1980) e Silva Dias et al., (1983). Estes autores afirmaram que a formação do par simétrico de anticiclônico é uma manifestação da onda de Rossby simétrica, gerada como resposta a uma fonte de calor centrada sobre o Equador. Neste estudo, também se observou a presença de um bloqueio (quadro 2, figuras 9 a 12) na faixa compreendida entre 40 80W e 60 30S, no qual a ocorrência deste bloqueio contribuiu para a persistência da BI à oeste da América do Sul. Observa-se a presença do dipolo AB/cavado do nordeste em 200mb que é uma característica do escoamento troposférico na América do Sul no mês de janeiro (verão). Identificou-se que a AB possuía uma extensão quase zonal associado ao VCAS. A alta troposférica apresentou uma ligeira variabilidade espacial, posicionando-se principalmente sobre a região norte do Cile e/ou sul do Peru, Bolívia, Rondônia, Mato Grosso e Mato Grosso do sul e sobre o oceano Pacífico, sendo que no dia 06/01/99 a AB apresentava mais de um centro de circulação (Quadro 2, figuras 3 e 4). Durante a ocorrência dos VCAS s, observou-se que a AB se localizou aproximadamente em 18ºS e 72º W. esta posição está à oeste da posição climatológica média de janeiro (Climanálise, v. 1,1999). No caso da AB com ampla extensão zonal, Silva Dias et al., (1983) sugerem que a AB estende-se para oeste devido à dispersão das ondas longas de Rossby. Durante este estudo foram observados mais quatro tipos de formações de VCAS s de acordo com o estudo proposto por Paixão, 1999: formação do tipo Alta, formação do tipo Africana I, formação do tipo Africana II e formação do tipo Mista. Formação do tipo Alta: neste caso a formação do VCAS deve-se à intensificação da ZCAS, que por sua vez causa a formação da Alta do Atlântico (AT), resultando na formação de um cavado a norte/noroeste desse anticiclone. No quadro 2 (figuras 7 a 13), verifica-se a presença desse mecanismo de formação. Notou-se nesse escoamento a presença de outros sistemas de grande escala, tais como a Alta do Norte (AN) no norte da América do Sul, um ramo anticiclônico no sul da África que pode ser caracterizado pela Alta da Angola (AAN), e uma bifurcação inter-emisférica na costa oeste da África (BIAF), semelante à observada com uma certa frequência no Pacífico equatorial leste. Formação do tipo Africana I: a formação desse tipo de vórtice ocorre devido à intensificação da convecção na África, que faz surgir um par de anticiclone em altos níveis. Esses anticiclones aparentemente induzem um aprofundamento do cavado a oeste dos mesmos, como observado no quadro 2 (figuras 4 a 8), onde o VCAS é formado a sudoeste da bifurcação inter-emisférica na África. Formação do tipo Africana II: neste caso, atribui-se a formação dos vórtices ao desacoplamento em altos níveis e um cavado proveniente da região sudoeste do Saara. No quadro 2 (figuras 12 e 13) foi observado a presença de um VCAS próximo a lina do Equador no qual encontrava-se acoplado ao escoamento da África. Nota-se, nesse caso, uma extensa faixa de anticiclones próximos a latitude de 20º S, porém, com a AB menos intensa que nos casos de formação clássica e de formação alta. Além desses quatros tipos de VCAS, foram encontrados casos onde, a principio atua um determinado tipo de formação e logo depois outro mecanismo predomina sobre o primeiro. Assim, como existiu uma dificuldade em definir qual dos mecanismos domina nesses casos, atribuiu-se a eles o nome de formação mista. O termo da divergência e o termo beta possuem tendências maiores do que o temo da advecção da vorticidade relativa (Quadro 3), então estes termos, predominam no cálculo da variação local de vorticidade relativa, e consequentemente favorecem o deslocamento do VCAS para oeste. Quadro 3 Balanço de Vorticidade 1) Diagrama Tempo x Longitude 2) Diagrama Tempo x Longitude 3) Diagrama Tempo x Longitude 1882

4) Diagrama Tempo x Longitude 5) Diagrama Tempo x Longitude 6) Diagrama Tempo x Longitude CONCLUSÃO Este estudo de caso apresentou uma análise das condições atmosféricas em altos níveis da caracterização dos VCAS que atuaram no NEB e Atlântico Sul na estação de verão durante a primeira quinzena do mês de janeiro (maior ocorrência) no período compreendido entre os dias 04/01/99-12Z até o dia 13/01/99-18Z (dissipação) que influenciaram no regime de precipitação da região. Devido a falta de dados no início da formação do sistema (dias 1, 2 e 3/01/99), concluiu-se que o VCAS, que atuou na contribuição no regime pluviométrico da região, tena sido semelante ao modelo conceitual proposto por Kousky e Gan (1981). A permanência de um VCAS na região de estudo, acompanada de uma crista a sudoeste possui uma configuração típica de bloqueio de latitudes subtropicais. A manutenção e desintensificação do VCAS, ocorre de acordo com o proposto por Kousky e Gan (1981), ou seja, o período de permanência do sistema é diretamente relacionado com a circulação direta (transformação de energia potencial em cinética) e sua desintensificação é gerada pela liberação de calor latente provocado por nuvens convectivas próximas ao centro do vórtice, ocorrendo geralmente sobre o continente. O deslocamento do vórtice foi para oeste devido o termo de divergência e beta assumirem valores maiores do que o termo de advecção relativa, consequentemente, influenciou que o VCAS penetra-se na região nordeste. Observou-se a formação de vórtices do tipo Misto (Paixão, 1999), sendo que tais vórtices não influenciaram o regime pluviométrico da região de estudo. BIBLIOGRAFIA ARAGÃO, M.R.S.; CORREIA, M.F. E ARAÚJO,H.A. Vórtices Ciclônicos da alta Troposfera no nordeste do Brasil: Campos de Precipitação via Radar e Condições Atmosféricas associadas. CALSON,T.N., 1967. Structure of a steady-state cold low. Montly Weater Review, 95(11): 763-777. FRANK,N.L., 1970. On te energetics of cold lows. Proceedings of te Symposium on Tropical Meteorology, American Meteorological Society, EIV I-EIV6. GAN,M.A., 1983. Um estudo observacional sobre as baixas frias de alta troposfera, nas latitudes subtropicais do Atlântico Sul e leste do Brasil. Dissertação de Mestrado, INPE - 2685 - TDL/126. KOUSKY,V.E., CAVALCANTI, I.F.A., GAN, M.A., 1983. Contrasts between wet an dry periods witin te 1981 rainy season in Norteast Brazil. INPE - 2728 - PRE/310. KOUSKY,V.E., GAN,M.A., 1981. Upper troposperic cyclonic vortices in te Tropical Sout Atlantic, Tellus, 33, 538-551. PALMER,C.E., 1951. On ig-level cyclones originating in te tropics. Transactions of American Geopysics Union,32(5): 683-695. PAIXÃO, E. B., 1999. Caracterização do Vórtice Ciclônico de Ar Superior no Nordeste Brasileiro. Dissertação de Mestrado, DCA/IAG/USP. 104 pp. 1883