4.3 Estrutura termodinâmica da atmosfera e convecção intensa na Amazônia
4.3.1 Perfis termodinâmicos antes da convecção intensa
4.3.1.1 Temperatura do ar
Nas análises dessa seção não se fará a separação por estação do ano, pois não existem radiossondas suficientes para esse tipo de análise (Tabela 3.3). Dessa forma, as análises consistem em observar diferenças e semelhanças entre os perfis selecionados, nos períodos da manhã (08:00 HL) e noite (20:00 HL), entre os eventos convectivos profundos (ECP), eventos convectivos menos profundos (ECMP), eventos convectivos quentes (ECQ) e eventos sem chuva (ESC), assim como, entre um local e outro. Vale lembrar que o local de lançamento das radiossondas é fixo, e que as mesmas foram separadas de acordo com os dias e horários dos eventos de precipitação observados em cada uma das localidades analisadas. Como pode ser observado na Tabela 3.3 para ECQ, no período da noite, não se tem nenhuma sondagem disponível para análise.
A Figura 4.23 mostra o perfil médio da temperatura do ar, às 08 e 20 HL, para situações em que se observaram eventos convectivos nos quatro pluviômetros analisados, no período da manhã (10, 11 e 12 HL) e no período da noite (22, 23 e 24 HL). As diferenças entre os perfis são pequenas, principalmente durante a manhã, quando a atmosfera está menos aquecida.
Para uma análise mais geral, a Figura 4.24 mostra o perfil médio da temperatura do ar, às 08 e 20 HL, quando se considera todos os eventos observados na região de estudo (somente separados por tipo de evento). Nota-se que, de fato, as diferenças nos perfis de temperatura entre casos de convecção intensa e casos sem convecção úmida são imperceptíveis.
Figura 4.23: Perfil vertical médio da temperatura do ar, às 08 e 20 HL, quando se ob- servaram ECP, ECMP, ECQ e ESC nas localidades analisadas. Os eventos convectivos intensos ocorreram de manhã (10, 11 e 12 HL) e à noite (22, 23 e 24 HL).
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Figura 4.24: Perfil vertical médio da temperatura do ar, às 08 HL (a) e 20 HL (b), na Amazônia Central, quando ocorreu (ou não) convecção intensa nas localidades analisadas. Os eventos convectivos intensos ocorreram de manhã (10, 11 e 12 HL) e à noite (22, 23 e 24 HL).
Para se tentar visualizar as pequenas diferenças entre os perfis, se criou a Figura 4.25. Se observa que na maioria dos níveis, entre a superfície e a média troposfera (500 hPa), as diferenças são de 1◦C, aproximadamente. Essas diferenças ocorrem em uma
maior profundidade da troposfera às 20 HL.
Figura 4.25: Diferenças dos perfis verticais médios da temperatura do ar, às 08 (a) e 20 HL (b), entre eventos convectivos (ECP, ECMP e ECP) e eventos não convectivos (ESC), que ocorreram nas localidades estudadas. Os eventos convectivos intensos ocorreram de manhã (10, 11 e 12 HL) e à noite (22, 23 e 24 HL).
É surpreendente que a temperatura da baixa (alta) troposfera seja, aproximada- mente, 1◦C mais fria (quente) quando se tem convecção intensa. Esta observação indica
estabilização, os eventos convectivos ocorreram.
Contudo, é importante mencionar que essa diminuição da temperatura pode ser causada por downdrafts, que trazem ar frio e seco de dentro para fora da nuvem, o que permite uma diminuição da temperatura do ambiente. Além disso, vale lembrar que os eventos convectivos foram selecionados se levando em consideração os horários em que se observou chuva ≥ 20 mm/hora. Isso não significa que antes desses horários não ocorreu precipitação, a qual poderia ter ajudado a estabilizar a baixa troposfera.
Machado (2000) mostrou que durante eventos convectivos o fluxo de radiação solar absorvido pela superfície é sempre menor do que o fluxo total de energia fornecido à atmosfera, e sempre maior durante eventos não convectivos. Ou seja, a superfície perde mais energia do que recebe durante os eventos convectivos e vice-versa. Comportamento semelhante a esse se observa nesse estudo, pois a temperatura na baixa troposfera foi menor para casos de eventos convectivos.
Porém, se a temperatura do ar não desempenha um forte papel na intensificação da convecção rasa e profunda, a pergunta que se faz é: o que causou/intensificou a convecção intensa?
4.3.1.2 Umidade do ar
A Figura 4.26 apresenta os perfis verticais médios da razão de mistura, às 08 e 20 HL, quando se observou a ocorrência de ECP, ECMP e ECQ nas estações meteorológicas utilizadas. Os maiores valores de umidade (∼ 18 g.kg−1) ocorreram na camada limite e,
em geral, a atmosfera esteve mais úmida antes da ocorrência de precipitação. Ou seja, os valores da razão de mistura para os três tipos de eventos precipitantes é maior que quando não se observa precipitação (ESC). É possível notar que na média, à noite, a umidade é maior quando se tem ECP, enquanto que pela manhã, ela varia entre os tipos de eventos. De uma maneira geral (ver também a Figura 4.27) pode-se dizer que ao contrário do perfil de temperatura, os perfis de umidade mostram diferenças consideráveis entre os diferentes casos. O mais interessante é que em todos os casos de atividade convectiva, ela é maior que nos casos sem convecção úmida. Isso mostra a importância da umidade troposférica na formação de convecção, seja profunda ou seja rasa. Outro fato interessante é que a umidade na ocorrência de ECP tende a ser maior que na ocorrência de ECMP e ECQ. Isto é, no caso de convecção menos profunda e rasa essa variável é, em geral, menor que no caso de convecção profunda, principalmente na baixa troposfera (abaixo de 700 hPa).
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Figura 4.26: Perfil vertical médio da razão de mistura, às 08 e 20 HL, quando se ob- servaram ECP, ECMP, ECQ e ESC nas localidades analisadas. Os eventos convectivos intensos ocorreram de manhã (10, 11 e 12 HL) e à noite (22, 23 e 24 HL).
Figura 4.27: Perfil vertical médio da razão de mistura, às 08 HL (a) e 20 HL (b), na Amazônia Central, quando ocorreu (ou não) convecção intensa nas localidades analisadas. Os eventos convectivos intensos ocorreram de manhã (10, 11 e 12 HL) e à noite (22, 23 e 24 HL).
Para uma melhor visualização das variações entre os eventos convectivos e eventos não convectivos, a Figura 4.28 mostra as diferenças nos perfis de umidade, se levando em consideração todos os eventos ocorridos nas quatro localidades de estudo. Nota-se que nos dois horários as máximas variações ocorrem na camada de 900 a 500 hPa, o que confirma a importância da umidade nessa camada para a atividade convectiva. As diferenças máximas ocorrem nos perfis que envolvem ECMP ou ECQ, e na baixa troposfera (até 700 hPa). A diferença entre ECP e ESC é de 2 g.kg−1 (ou mais) na baixa troposfera,
semelhante ao que foi encontrado por Rocha (2010).
Nota-se a existência de uma “camada menos úmida” no nível de 625 hPa às 08 HL, e em 775 hPa às 20 HL, principalmente na ocorrência de ECP. Isso se deve ao entranhamento de ar menos úmido de fora para dentro da região convectiva. Uma vez que estes mínimos são presentes nos perfis médios, se pode dizer que o entranhamento de ar do ambiente, em algum nível na baixa-média troposfera (acima da CLA), é importante para a convecção profunda.
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Figura 4.28: Diferença dos perfis verticais médios de razão de mistura, às 08 e 20 HL, entre eventos convectivos (ECP, ECMP e ECP) e eventos não convectivos (ESC), quando os mesmos ocorreram nas localidades estudadas. Os eventos convectivos intensos ocorreram de manhã (10, 11 e 12 HL) e à noite (22, 23 e 24 HL).
Calculou-se a água precipitável média (W) para cada tipo de evento convectivo, às 08 e 20 HL, se levando em consideração todos os eventos selecionados para a área de estudo. Os cálculos foram realizados para toda a troposfera (sup. a 200 hPa) e para a camada de 900 a 500 hPa. Os valores são mostrados na Figura 4.29. Nota-se que os maiores valores de W estão associados com ECP e ECQ, indicando uma alta dependência da umidade para a formação da convecção rasa e profunda, principalmente na camada de 900 a 500 hPa. Porém, para W ser maior para ECQ pode estar associado ao fato de que todos os ECQ analisados ocorreram na estação chuvosa, enquanto que entre os ECMP e ECP existem também eventos que ocorreram na estação menos chuvosa, e isso pode influenciar nos valores médios.
Figura 4.29: Valores médios de água precipitável, em toda a troposfera e na camada de 900 a 500 hPa, às 08 HL (a) e 20 HL (b), quando ocorreu convecção úmida intensa nas localidades analisadas.
convecção intensa são pequenas (∼ 1.5 mm), porém os casos não convectivos apresentam, em média, 7 mm a menos. Logo, pode-se dizer que, a convecção intensa na Amazônia Central se manifesta para W (900 - 500 hPa) > 32 mm. Ou, a convecção intensa não se manifesta para W (900 - 500 hPa) < 32 mm. Esse resultado pode ajudar na previsão de tempo da região de estudo.
Os perfis de umidade em situações que se observaram eventos convectivos, que ocorreram em cada região analisada, são mostrados na Figura 4.30. O gráfico para ECQ (às 20 HL) não é mostrado devido a ausência de informações. Nota-se que existem diferen- ças entre os perfis, com uma tendência de a atmosfera próximo a superfície se mostrar mais úmida quando os eventos ocorreram nas áreas de floresta, principalmente para ECMP nos dois horários. Observa-se também, que da mesma forma que ocorrem maiores diferenças de umidade, na camada 900-500 hPa, entre os tipos de eventos (Figuras 4.28), nesses mesmos níveis se observam as máximas variações de umidade quando os eventos ocorrem em locais diferentes, porém essas variações são menores para ECP, nos dois horários, e maiores para ECMP e ECQ.
No entanto, é importante enfatizar que essas variações estão diretamente relacio- nadas a distância entre as localidades, onde ocorreram os eventos onvectivos, e o ponto de lançamento das radiossondas. Dessa forma, a radiossondagem pode ou não ter captado a umidade associada a precipitação que ocorreu em cada estação.
Os resultados acima são semelhantes ao encontrado por Holloway e Neelin (2009), na ilha de Nauru no Oceano Pacífico, onde a variabilidade do vapor d’água foi maior acima de 850 hPa, e muito significativa entre 850 e 700 hPa. Porém, os resultados encontrados nessa pesquisa mostram que a umidade numa camada mais profunda, entre 900 e 500 hPa, é consideravelmente mais alta nos casos de convecção intensa na Amazônia.
A partir dos perfis de temperatura e umidade, se notou que a convecção intensa se manifesta quando a temperatura é, aproximadamente, 1◦C mais fria e a umidade é de
2 a 3 g.kg−1 mais elevada, na baixa troposfera. O efeito dessas duas variáveis sobre a
densidade do ar próximo a superfície (e na baixa troposfera) pode ser expresso em termos da temperatura virtual (Tv), a qual é dada por:
Tv = T (1 + 0,608q) (4.1)
Portanto, o efeito da alta umidade compensa o efeito oposto da baixa temperatura. Todavia, era inesperado que a convecção intensa na região de Manaus fosse associada com uma temperatura ligeiramente inferior, na baixa troposfera.
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Figura 4.30: Perfil vertical médio da razão de mistura, às 08 HL (a) e 20 HL (b), separado por tipo de evento, quando os mesmos ocorreram nas diferentes localidades analisadas. Os eventos convectivos intensos ocorreram de manhã (10, 11 e 12 HL) e à noite (22, 23 e 24 HL).
4.3.1.3 Velocidade e direção do vento
Os perfis verticais médios das componentes zonal e meridional do vento, são ana- lisados nesta seção. As Figuras 4.31 e 4.32 mostram as variações do vento na região de estudo separadas por localidade onde ocorreu a chuva, enquanto que as Figuras 4.33 e 4.34 mostram essas variações, mas considerando a média entre todos os eventos convectivos.
Em geral, se observa que na componente zonal (Figura 4.31 e Figura 4.33) os ventos são de leste, em toda a profundidade da troposfera. Os ventos que sopram do Oceano Atlântico ajudam a trazer a umidade do oceano para o continente.
O cisalhamento vertical do vento (variação do vento com altura) na baixa troposfera é, em média, maior (menor) quando se tem eventos convectivos (não convectivos). Esse cisalhamento nos casos de ECP, é da ordem de -4 m.s−1em 2 km de altura. O cisalhamento
na CLA favorece a instabilização da camada.
A componente meridional (Figura 4.32 e 4.34) é fraca em comparação com a com- ponente zonal, apresentando perfis irregulares. Não é evidente nenhuma característica que possa sugerir o aparecimento de convecção úmida, porém se nota que, às 20 HL, existe uma tendência de os ventos serem de norte quando ocorre convecção profunda. Também é importante notar, através das duas componentes, que próximo a superfície, se observam ventos de oeste e sul. Isso ocorre por que o ponto de lançamento das radiossondas está próximo ao rio Negro (ver Figura 3.2), e as sondagens são influenciadas pela brisa fluvial. Ainda em relação ao cisalhamento do vento, quando o mesmo é forte ocorre uma diminuição no valor do Número de Richardson (Ri) (veja equação 1.1) e facilita a incidên- cia da instabilidade. Valores de Ri foram calculados para os tipos de eventos estudados (Tabela 4.6). Os valores são sempre maiores quando não existe convecção úmida. Quando o cisalhamento é alto o Ri diminui, e isso ajuda na formação da convecção. Entre os even- tos convectivos, os ECMP são os que apresentam os menores valores de Ri, indicando que para esses casos o cisalhamento foi mais intenso que para ECP e ECQ. Contudo, se deve levar em consideração a menor amostragem de casos para ECMP (valores entre parênteses na tabela), o que pode ter subestimado valores de Ri.
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Figura 4.31: Perfil vertical médio da componente zonal do vento, às 08 e 20 HL, quando se observaram ECP, ECMP, ECQ e ESC nas localidades analisadas. Os eventos convectivos intensos ocorreram de manhã (10, 11 e 12 HL) e à noite (22, 23 e 24 HL).
Figura 4.32: Perfil vertical médio da componente meridional do vento, às 08 e 20 HL, quando se observaram ECP, ECMP, ECQ e ESC nas localidades analisadas. Os eventos convectivos intensos ocorreram de manhã (10, 11 e 12 HL) e à noite (22, 23 e 24 HL).
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Figura 4.33: Perfil vertical médio da componente zonal do vento, às 08 HL (a) e 20 HL (b), na Amazônia Central, quando ocorreu (ou não) convecção intensa nas localidades analisadas. Os eventos convectivos intensos ocorreram de manhã (10, 11 e 12 HL) e à noite (22, 23 e 24 HL).
Figura 4.34: Perfil vertical médio da componente meridional do vento, às 08 HL (a) e 20 HL (b), na Amazônia Central, quando ocorreu (ou não) convecção intensa nas localidades analisadas. Os eventos convectivos intensos ocorreram de manhã (10, 11 e 12 HL) e à noite (22, 23 e 24 HL).
Tabela 4.6: Valores de Ri, às 08 e 20 HL, em condições que se observaram ECP, ECMP, ECQ e ESC, na Amazônia Central. Os números entre parênteses correspondem a quan- tidade de casos utilizada para cada tipo de evento.