Atividade Convectiva no Sul da América do Sul
TAÍS PEGORARO SCAGLIONI
Pelotas
Rio Grande do Sul - Brasil
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
UNIVERSIDADE FEDERAL DE PELOTAS FACULDADE DE METEOROLOGIA
Dissertação apresentada à Universidade Federal de Pelotas, sob orientação da Professora Dra. Roseli Gueths Gomes, como parte das exigências do Programa de Pós-Graduação em Meteorologia, para obtenção do título de Mestre em Ciências (M.S.).
Dados de catalogação na fonte:
Ubirajara Buddin Cruz – CRB-10/901 Biblioteca de Ciência & Tecnologia - UFPel
S278a Scaglioni, Taís Pegoraro
Atividade Convectiva no Sul da América do Sul / Taís Pegoraro Scaglioni ; orientador Roseli Gueths Gomes. – Pelotas, 2006. – 105f. : il. color. – Dissertação (Mestrado). Programa de Pós-Graduação em Meteorologia. Faculdade de Meteorologia. Universidade Federal de Pelotas. Pelotas, 2006.
1.Meteorologia. 2.Sistemas convectivos de mesoescala. 3.Circulação de mesoescala. 4.Campos observados.
5.Campos preditores. I.Gomes, Roseli Gueths. II.Título.
CDD: 551.5
Dedico:
AGRADECIMENTOS
À Universidade Federal de Pelotas pela oportunidade de realizar o curso de Pós-Graduação em Meteorologia.
Em especial a Dra Roseli Gueths Gomes pela valiosa orientação, confiança,
amizade e apoio constante durante o curso e execução deste trabalho.
À banca examinadora pelas construtivas e valiosas sugestões, para o aprimoramento do trabalho.
Aos professores e colegas dos cursos de Graduação e Pós-Graduação em Meteorologia pelos ensinamentos e amizades.
Em especial a Dra Simone Vieira de Assis, pela amizade, ensinamentos e
excelentes momentos de descontração.
A Dra Jaci Maria Bilhalva Saraiva, pela paciência, confiança e dedicação ao
meu amadurecimento e formação profissional.
Aos alunos do curso de Graduação em Meteorologia Bruna Barbosa Silveira e Gabriel Bonow Münchow pelo auxílio valioso e fundamental durante a execução do trabalho.
A colega Luciana Barros Pinto, pela amizade, apoio e sempre se mostrou disposta a ajudar nos momentos de dificuldade.
Aos funcionários do Centro de Pesquisa e Previsões Meteorológicas da UFPel.
Em especial a funcionária Sônia Machado das Neves, pela amizade e por sempre estar pronta a colaborar.
Ao Instituto Nacional de Meteorologia e Fundação Estadual de Pesquisa Agropecuária, pelo fornecimento dos dados de superfície.
Ao Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos (CPTEC)/Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), pelo fornecimento das imagens de satélite. Ao Dr. Sebastião Cícero Pinheiro Gomes e equipe pelo apoio técnico no que diz respeito ao modelo de mesoescala MM5.
A minha família por todo amor, dedicação, carinho e apoio incondicional em todos os momentos.
Em especial, ao meu grande amigo e amor Marcos Antônio Marques Pereira, pelo carinho, compreensão e apoio que sempre ofertou.
Enfim, a todas as pessoas, que direta ou indiretamente contribuíram de alguma forma para a realização deste trabalho e principalmente àquelas que sempre mostraram solidariedade, respeito e amizade.
RESUMO
SCAGLIONI, Taís P. Atividade Convectiva no Sul da América do Sul. 2006. 105f. Dissertação (Mestrado em Ciências) Faculdade de Meteorologia, Universidade Federal de Pelotas, Pelotas.
Neste trabalho são analisados aspectos sinóticos e de mesoescala associados à formação de Sistemas Convectivos de Mesoescala (SCM) no sul da América do Sul (AS) que atingiram o Estado do Rio Grande do Sul (RS) em algum momento durante seu tempo de vida. O período selecionado envolve o mês de fevereiro dos anos 2002 a 2005. Dentre os SCM identificados, dois casos foram escolhidos para estudo individual porque um adentrou no RS e outro não, apesar de apresentarem duração total semelhante e resultarem da interação entre vários SCM. Também foram analisados seis SCM, três observados em março/2002 e três em fevereiro/2003, para identificar campos preditores da sua ocorrência algumas horas antes da sua formação. A base experimental para a realização deste trabalho incluiu imagens de satélite geoestacionário, valores de anomalias de Temperatura da Superfície do Mar (TSM) nos Oceanos Atlântico e Pacífico, dados observados de estações meteorológicas de superfície localizadas no RS e simulações obtidas com o modelo MM5. A comparação entre as anomalias de precipitação com o campo climatológico mostrou que o mês de fevereiro de 2003 foi extremamente chuvoso,
quantidade de SCM que atingiu o RS em fevereiro de 2003 foi aproximadamente seis vezes superior à observada nos outros meses. Os valores das anomalias de TSM no Oceano Atlântico influenciaram decisivamente sobre a intensidade da atividade convectiva observada no sul da AS. Os horários e localizações geográficas de início e de término dos SCM, bem como a direção preferencial de deslocamento dos mesmos, foram diferentes para cada um dos meses analisados. A análise individual de dois casos mostrou diferenças nos campos termodinâmicos e cinemáticos. Particularmente, o campo de vento em superfície agiu decisivamente, favorecendo ou impedindo a penetração dos SCM no Estado. Os melhores resultados para previsão de SCM foram encontrados para o intervalo de seis horas antes da sua formação. Na região onde os SCM se formaram os valores de razão de mistura estavam próximos de 10 g/kg e o ar estava bastante úmido na camada superfície/850 hPa. Os índices de instabilidade K e Total-Totals indicaram que valores a partir de 15ºC e 40ºC, respectivamente, são bons indicadores da ocorrência de SCM. Valores de velocidade horizontal superiores a 15 m/s no nível 850 hPa foram encontrados ao norte/nordeste dos SCM mais intensos. Foi proposta uma metodologia de previsão para o período de seis horas antes da formação dos SCM observados em condições sinóticas semelhantes às analisadas neste trabalho.
Palavras-Chave: Sistemas Convectivos. Preditores. Circulação de Mesoescala. Padrões Observados.
ABSTRACT
SCAGLIONI, Taís P. Atividade Convectiva no Sul da América do Sul. 2006. 105f. Dissertação (Mestrado em Ciências) Faculdade de Meteorologia, Universidade Federal de Pelotas, Pelotas.
In this work synoptic and mesoscale aspects are analyzed in association to the formation of Mesoscale Convective Systems (MCS) at South of South America (SA) that reached the State of Rio Grande do Sul (RS) in some moment during its life time. The selected period involves the month of February of the years 2002 to 2005. Among the identified MCS, two cases had been chosen for individual study because one entered on the RS and another one not, although they presented similar total duration and resulted from the interaction between several MCS. Also it were analyzed six MCS, three observed in March/2002 and three in February/2003, to identify predictors patterns of its occurrence some hours before its formation. The experimental base to the accomplishment of this work included geostationary satellite imagery, Sea Surface Temperature (SST) anomalies values on the Atlantic and Pacific Oceans, observed data at the surface meteorological stations located on RS and simulations obtained with the MM5 model. The comparison between the precipitation anomalies with the climatologic field showed that February 2003 was extremely rainy while in February 2002, 2004 and 2005 it had precipitation deficit.
times greater than the observed in the other months. The values of the anomalies of SST in the Atlantic Ocean had influenced decisively on the intensity of the observed convective activity at the south of SA. The schedules and geographic localizations of beginning and ending of the MCS, as well as the preferential direction of displacement of them, had been different for each one of the analyzed months. The individual analysis of two cases showed differences in the thermodynamic and kinematic fields. Particularly, the field of wind at the surface acted decisively, favoring or hindering the penetration of the MCS in the State. The best results to the prediction of MCS had been found for the interval of six hours before its formation. In the region where the MCS had formed the values of mixing ratio were next to 10 g/kg and the air was sufficiently humid in the layer superface/850hPa. The instability index K and Total-Totals had indicated that values from 15ºC and 40ºC, respectively, are good pointers of the MCS occurrence. Values of horizontal velocity greater than 15 m/s in the level 850 hPa were found to the north/northeast of MCS more intenses. A methodology of forecast for the period of six hours before the formation of the MCS observed in similar synoptic conditions to the analyzed ones in this work was proposal.
Keywords: Convective Systems. Predictors. Mesoscale Circulation. Observed pattrens.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Página FIGURA 1 Exemplos de imagens de satélite utilizadas neste estudo, para o
mês de fevereiro de (a) 2002 e 2003; (b) 2003 e 2004 e (c) 2005 .. 6 FIGURA 2 Representação dos domínios 1 e 2 utilizados nos
processamentos do Modelo de Mesoescala MM5 ... 9 FIGURA 3 Fluxograma de funcionamento do modelo MM5 ... 10 FIGURA 4 Topografia do Estado do Rio Grande do Sul e localização das
estações meteorológicas em superfície utilizadas neste trabalho... ... 16 FIGURA 5 (a) Campo climatológico de precipitação no Rio Grande do Sul,
relativo ao período 1975-2005 e anomalias de precipitação em superfície observadas no Estado no mês de fevereiro de (b) 2002; (c) 2003; (d) 2004 e (e) 2005... 19 FIGURA 6 Localização geográfica dos centros de alta (em azul) e de baixa
pressão (em vermelho), no Oceano Atlântico, obtida com o modelo de mesoescala MM5 (simulações das 12 UTC) para o mês de fevereiro de (a) 2002; (b) 2003; (c) 2004 e (d) 2005... ... 21 FIGURA 7 Anomalias de TSM (Temperatura da Superfície do Mar), em °C,
nos Oceanos Atlântico e Pacífico, obtidos a partir dos dados do NCEP, para o mês de fevereiro de (a) 2002; (b) 2003; (c) 2004 e
FIGURA 8 Localização geográfica da posição de formação (em vermelho) e de dissipação (em azul sublinhado) dos SCM que ocorreram no mês de fevereiro de 2003... 25 FIGURA 9 (a) Período de formação; (b) período de dissipação; (c) tempo de
vida e (d) direção predominante dos SCM identificados em fevereiro de 2003... ... 27 FIGURA 10 (a) Localização geográfica da formação (em vermelho) e
dissipação (em azul, sublinhado) dos SCM; (b) período de formação; (c) período de dissipação; (d) tempo de vida e (e) direção predominante dos SCM, para fevereiro de 2004... ... 29 FIGURA 11 (a) Localização geográfica da formação (em vermelho) e
dissipação (em azul sublinhado) dos SCM; (b) período de formação; (c) período de dissipação; (d) tempo de vida e (e) direção predominante dos SCM, para fevereiro de 2005... ... 31 FIGURA 12 Segmentos das imagens de satélite geoestacionário que
mostram os seis casos de SCM selecionados. O horário das figuras da primeira coluna corresponde a seis horas antes da formação do SCM, o horário das figuras da coluna do meio corresponde ao período de formação e o horário da última coluna corresponde ao de desenvolvimento máximo do respectivo SCM: (a) SCM1; (b) SCM2; (c) SCM3; (d) SCM4; (e) SCM5 e (f) SCM6... ... 41 FIGURA 13 Distribuição horizontal do índice de instabilidade K para (a)
SCM1; (b) SCM2; (c) SCM3; (d) SCM4; (e) SCM5 e (f) SCM6, 6 horas antes da formação (figuras da esquerda) e na formação (figuras da direita) destes SCM... ... 44 FIGURA 14 Distribuição horizontal do índice de instabilidade Total-Totals
para (a) SCM1; (b) SCM2; (c) SCM3; (d) SCM4; (e) SCM5 e (f) SCM6, 6 horas antes da formação (figuras da esquerda) e na formação (figuras da direita) destes SCM... .. 46 FIGURA 15 Distribuição horizontal da razão de mistura (a) SCM1; (b) SCM2;
(c) SCM3; (d) SCM4; (e) SCM5 e (f) SCM6, 6 horas antes da formação destes SCM... 49
FIGURA 16 Distribuição horizontal da razão de mistura na camada entre a superfície e 850 hPa, (a) SCM1; (b) SCM2; (c) SCM3; (d) SCM4; (e) SCM5 e (f) SCM6, 6 horas antes da formação destes SCM... ... 51 FIGURA 17 Campo do vento horizontal em 850 hPa. (a) SCM1; (b) SCM2;
(c) SCM3; (d) SCM4; (e) SCM5 e (f) SCM6, 6 horas antes da formação destes SCM... . 52 FIGURA 18 Localização geográfica da posição de formação dos SCM que
ocorreram no mês de fevereiro de 2003 na (a) primeira semana, (b) segunda semana, (c) terceira semana e (d) quarta semana ... 60 FIGURA 19 Localização geográfica da posição de formação dos SCM que
ocorreram no mês de fevereiro de (a) 2004 e (b) 2005. Nesta figura, os números em vermelho correspondem aos SCM que se formaram na primeira semana, em azul na terceira semana e em verde na quarta semana... 61 FIGURA 20 Seqüência de imagens de satélite geoestacionário, no canal
infravermelho, relativo ao primeiro caso de estudo, observado nos dias 02 e 03 de fevereiro de 2003 ... 62 FIGURA 21 Campos meteorológicos em superfície sobre o Estado do Rio
Grande do Sul. (a) temperatura do ar, (b) depressão de temperatura, (c) vento horizontal e (d) pressão atmosférica, às 12 UTC do dia 02/02/2003, referente ao primeiro caso de estudo... ... 64 FIGURA 22 Campos meteorológicos em superfície sobre o Estado do Rio
Grande do Sul. (a) temperatura do ar, (b) depressão de temperatura, (c) vento horizontal e (d) pressão atmosférica, às 18 UTC do dia 02/02/2003, referente ao primeiro caso de estudo.. 65 FIGURA 23 Campos meteorológicos em superfície sobre o Estado do Rio
Grande do Sul. (a) temperatura do ar, (b) depressão de temperatura, (c) vento horizontal e (d) pressão atmosférica, à 00 UTC do dia 03/02/2003, referente ao primeiro caso de estudo... ... 67
FIGURA 24 Campos meteorológicos em superfície sobre o Estado do Rio Grande do Sul. (a) temperatura do ar, (b) depressão de temperatura, (c) vento horizontal e (d) pressão atmosférica, às 12 UTC do dia 03/02/2003, referente ao primeiro caso de estudo... . 68 FIGURA 25 Seqüência de imagens de satélite geoestacionário, no canal
infravermelho, relativo ao segundo caso de estudo, observado nos dias 03 e 04 de fevereiro de 2004. ... ... 69 FIGURA 26 Campos meteorológicos em superfície sobre o Estado do Rio
Grande do Sul. (a) temperatura do ar, (b) depressão de temperatura, (c) vento horizontal e (d) pressão atmosférica, às 12 UTC do dia 03/02/2004, referente ao segundo caso de estudo. . ... 71 FIGURA 27 Campos meteorológicos em superfície sobre o Estado do Rio
Grande do Sul. (a) temperatura do ar, (b) depressão de temperatura, (c) vento horizontal e (d) pressão atmosférica, às 18 UTC do dia 03/02/2004, referente ao segundo caso de estudo... ... 72 FIGURA 28 Campos meteorológicos em superfície sobre o Estado do Rio
Grande do Sul. (a) temperatura do ar, (b) depressão de temperatura, (c) vento horizontal e (d) pressão atmosférica, à 00 UTC do dia 04/02/2004, referente ao segundo caso de estudo... ... 73 FIGURA 29 Campos meteorológicos em superfície sobre o Estado do Rio
Grande do Sul. (a) temperatura do ar, (b) depressão de temperatura, (c) vento horizontal e (d) pressão atmosférica, às 12 UTC do dia 04/02/2004, referente ao segundo caso de estudo... ... 74
LISTA DE TABELAS
Página TABELA 1 Configurações do modelo MM5 utilizadas nas simulações ... 9
9 TABELA 2 Parametrizações físicas e opções selecionadas para o
processamento do modelo MM5, utilizadas nos domínios 1 e 2 ... 10 TABELA 3 Parametrizações e opções selecionadas no processamento do
modelo MM5 para o mês de fevereiro de 2002, 2003, 2004 e 2005 ... 17 TABELA 4 Relação das variáveis meteorológicas analisadas, níveis e
horário em relação ao ciclo de vida do SCM... 37 TABELA 5 Valores críticos do Índice K (http://twister.sbs.ohio-state.edu) ... 37
TABELA 6 Valores críticos do Índice Total-Totals (http://twister.sbs.ohio-state.edu/) ... 38 TABELA 7 Algumas características dos 6 casos de SCM em estudo ... 39 TABELA 8 Síntese dos resultados para os SCM selecionados, 6 horas
antes da sua formação no sul da América do Sul. O símbolo “~” significa “aproximadamente” ... 53 TABELA 9 Metodologia sugerida para a previsão de ocorrência de SCM 6
horas antes da sua formação... 55 TABELA 10 Relação das estações meteorológicas de superfície, com as
respectivas coordenadas geográficas e Instituição à que pertencem ... 59
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AS América do Sul
? Indeterminação
C Celsius
CAPE Convective Available Potencial Energy
Cb Cumulonimbus
CCM Complexo Convectivo de Mesoescala
CINE Convective Inhibition
COLA Center for Ocean-Land-Atmosphere Studies
CPTEC Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos
D1 Domínio 1
D2 Domínio 2
DEC Dezembro
E Leste
EMBRAPA Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária
EUA Estados Unidos da América
FEB Fevereiro
FEPAGRO Fundação Estadual de Pesquisa Agropecuária
GOES Geostationary Operational Envinronmental Satellite
GrADS Grid Analysis and Display System
h Hora
INMET Instituto Nacional de Meteorologia
INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
JBN Jato de Baixos Níveis
kg Quilograma
km Quilômetro
MAR Março
MCS Mesoscale Convective System
METAR Meteorological Aerodrome Reports
mm Milimetros
MM5 Mesoscale Model
N Norte
NCAR National Center for Atmospheric Research
NCEP National Center for Enverionmental Prediction
NE Nordeste
NW Noroeste
PECS Persistent Elongated Convective System
PSU Pennsylvania State University
RS Rio Grande do Sul
SALLJ South American Low Level Jet
SCM Sistema Convectivo de Mesoescala
seg Segundo SG Scaglioni e Gomes (2005) T Temperatura do Ar T500 Temperatura do Ar em 500 hPa T700 Temperatura do Ar em 700 hPa T850 Temperatura do Ar em 850 hPa
Td Temperatura do Ponto de Orvalho
Td700 Temperatura do Ponto de Orvalho em 700 hPa
Td850 Temperatura do Ponto de Orvalho em 850 hPa
TSM Temperatura da Superfície do Mar
TT Total-Totals
UFPEL Universidade Federal de Pelotas
SUMÁRIO
Página
INTRODUÇÃO GERAL... 1
METODOLOGIA GERAL ... 5
Fatores de Grande Escala e Anomalias de Precipitação... .. 13
INTRODUÇÃO... 13 MATERIAL E MÉTODOS ... 14 RESULTADOS E DISCUSSÃO... 17 CONCLUSÕES... 32 Campos Preditores... 34 INTRODUÇÃO... 34 MATERIAL E MÉTODOS ... 35 RESULTADOS E DISCUSSÃO... 39 CONCLUSÕES... 53
Campos Observados em Superfície ... 56
INTRODUÇÃO... 56
MATERIAL E MÉTODOS ... 57
RESULTADOS E DISCUSSÃO... 60
CONCLUSÕES GERAIS... 76 REFERÊNCIAS ... 80
INTRODUÇÃO GERAL
A população do Estado do Rio Grande do Sul tem presenciado mudanças nas condições do tempo, particularmente nos meses de novembro a março, quando as variações de temperatura e de precipitação tem sido marcantes. Estas variações causam impactos muito grandes na economia gaúcha, principalmente no que diz respeito à atividade agrícola, bastante desenvolvida. Os sistemas meteorológicos que atingem a região nesta época do ano incluem principalmente os chamados Sistemas Convectivos de Mesoescala (SCM). Cotton e Anthes (1989) definem um SCM como um sistema profundo que é consideravelmente maior que uma tempestade individual, freqüentemente marcado por uma extensa nebulosidade de várias centenas de quilômetros de dimensão horizontal. Nesta nebulosidade existem áreas de convecção profunda, imersas em uma região de precipitação estratiforme.
As chuvas causadas pelos SCM são, em algumas partes do globo, responsáveis por mais de 50% do total anual de precipitação (Houze, 1977; Zipser, 1977; Mohr et al., 1999, Ruiz et al. 2004) sendo, portanto, fundamentais para a manutenção do equilíbrio hídrico da região.
Apesar de todo o conhecimento adquirido sobre os SCM com os trabalhos realizados até o presente, inúmeras questões ainda permanecem sem respostas. Um dos principais motivos reside nas interações não lineares entre os movimentos atmosféricos de grande escala e de mesoescala com as circulações locais (Tuyl e Errico,1989). Sabe-se que a localização geográfica e a topografia da região, o uso do solo e a continentalidade são exemplos de outros fatores que podem causar uma grande diversidade de situações, favorecendo a ocorrência de SCM distintos.
A natureza dos processos físicos envolvidos na formação e no desenvolvimento dos SCM é tão complexa que, apesar do grande esforço que tem sido desprendido no sentido de entendê-los, existe um limite no avanço do conhecimento, imposto pela incapacidade na sua quantificação adequada. Quanto maiores as lacunas de informações, mais numerosas se tornam as interrogações. O grande interesse que a comunidade científica tem em preencher estas lacunas está diretamente associado às condições meteorológicas severas em superfície, inerentes à ocorrência de SCM. As chuvas são intensas, muito vezes acompanhadas por granizo, assim como os ventos e as rajadas, que podem atingir várias dezenas de metros por segundo. Evidentemente que, quanto maior e mais intenso for o SCM, mais severas serão as condições meteorológicas em superfície associadas. Desta forma, todo o conhecimento acumulado sobre os SCM que atingem uma determinada região, se transforma em melhorias na qualidade da previsão local.
As maiores dificuldades na previsão de SCM estão associadas à sua rapidez de formação, pequena duração e extensão espacial, geralmente não detectadas nos campos prognósticos de modelos globais atmosféricos, utilizados rotineiramente nos serviços operacionais de previsão do tempo. Neste sentido, torna-se de fundamental importância a incorporação dos resultados de modelos de mesoescala, por serem obtidos com uma grade horizontal e vertical mais refinada, para uma melhor avaliação das condições atmosféricas. Mesmo assim, ainda é preciso saber que variáveis e níveis analisar e com quanta antecedência para que a previsão da ocorrência de um SCM seja, pelo menos, mais eficiente. Esta identificação de parâmetros meteorológicos pode ser facilitada se houver um modelo conceitual do fenômeno em questão. Em se tratando de SCM, na literatura são encontrados
alguns artigos que incluem a elaboração de modelos conceituais sobre o desenvolvimento de SCM específicos (McCollum et al., 1995; Garstang et al.,1994;
Silva Dias, 1987; Menezes, 1998). Percebe-se, então, que não há um modelo conceitual único, que explique a formação e evolução de todos os tipos de SCM.
Para a América do Sul (AS) foram realizados trabalhos que envolvem características presentes quando da ocorrência de SCM, como por exemplo o trabalho de Marengo e Soares (2005) sobre a observação do SALLJ (South American Low Level Jet ) a leste dos Andes que traz um fluxo de umidade das
da elaboração de uma metodologia de previsão de ocorrência de SCM, é preciso conhecer como estes sistemas se manifestam na região de interesse. Assim, sabendo que estes ocorrem preferencialmente nos meses quentes, foi selecionado um mês específico (no caso fevereiro) durante o qual foram acompanhados todos os SCM que se formaram no sul da América do Sul e que atingiram o Estado do Rio Grande do Sul, nos últimos quatro anos. A escolha deste mês ocorreu em função dos contrastes encontrados no campo de precipitação, pois foi observado tanto excesso de chuvas no Estado quanto estiagem.
A metodologia de previsão dos SCM foi direcionada àqueles que ocorreram de forma isolada e que apresentaram tamanho da ordem de centenas de milhares
de km2 no período de máximo desenvolvimento. Estas duas restrições foram
impostas para que as forçantes mecânicas e termodinâmicas associadas a sistemas meteorológicos de escala sinótica não influenciassem nos resultados e porque os SCM maiores causam mais transtornos à população. Em virtude dos poucos SCM grandes e isolados encontrados nos quatro meses de fevereiro analisados, foram também selecionados os SCM que ocorreram no período de novembro a março dos anos 2002 a 2005. Trata-se de um estudo preliminar e pioneiro para o Rio Grande do Sul. Os campos meteorológicos preditores, 6 horas antes da formação dos SCM, foram obtidos com o modelo de mesoescala MM5. A seleção destes campos ocorreu após um estudo de identificação do melhor elenco de variáveis e de níveis, para os SCM escolhidos.
Em síntese, o objetivo geral deste trabalho consiste em estudar aspectos de grande escala e de mesoescala associados à ocorrência dos SCM que se formaram no sul da América do Sul e que, preferencialmente, atingiram o Estado do Rio Grande do Sul. Este estudo foi realizado de acordo com as seguintes linhas de investigação:
1. avaliação das características espaciais e temporais de formação e de dissipação dos SCM que se formaram em um mês quente, específico, durante alguns anos. Foi selecionado o mês de fevereiro dos anos de 2002 a 2005; 2. identificação de fatores de grande escala que influenciaram na ocorrência dos
SCM estudados no item anterior;
3. identificação de campos preditores de mesoescala da ocorrência de SCM que atingiram o Estado sob condições sinóticas pré-estabelecidas;
4. para o período utilizado, selecionar casos de estudo para analisar os motivos pelos quais alguns SCM apenas influenciavam as fronteiras do Rio Grande do Sul com os países vizinhos e outros adentraram pelo Estado.
Na continuidade, são descritos os dados e a metodologia utilizada para atingir os objetivos desta pesquisa. Em seguida, são apresentados três capítulos que mostram os principais resultados encontrados. A finalização deste texto inclui as conclusões gerais deste trabalho.
METODOLOGIA GERAL
O estudo sobre os Sistemas Convectivos de Mesoescala (SCM) que ocorreram no sul da América do Sul, envolveu a análise das condições atmosféricas de grande escala e de mesoescala. Neste item são descritos os dados e a metodologia utilizados para a realização deste trabalho.
Imagens de Satélite
As imagens de satélite utilizadas foram as dos satélites geoestacionários GOES-8 (para os anos de 2002 e de 2003) e GOES-12 (para os anos de 2004 e de 2005), realçadas no canal infravermelho. Estas imagens apresentam as temperaturas dos topos das nuvens realçadas em cores diferentes, o que facilita a caracterização do desenvolvimento vertical da nebulosidade. Dependendo do mês em análise, a fonte das imagens de satélite foi diferenciada, tendo em vista a sua disponibilidade. Assim, para o mês de fevereiro de 2002, as imagens foram obtidas junto ao CPTEC/INPE, que as forneceu na grade solicitada. As imagens do mês de fevereiro de 2003 e 2004 foram obtidas no site http://orbit35i.nesdis.noaa.gov/arad/ht/ff/gilberto.html (atualmente desativado). Para o mês de fevereiro/2005, as imagens foram obtidas no site http://www.cira.colostate.edu/ramm/msdsol/RMTC.html. A fig. 1 mostra um exemplo de cada tipo de imagem de satélite utilizada.
http://www.cptec.inpe.br a)
http://orbit35i.nesdis.noaa.gov/arad/ht/ff/gilberto.html b)
http://www.cira.colostate.edu/ramm/msdsol/RMTC.html c)
Figura 1 - Exemplos de imagens de satélite utilizadas neste estudo, para o mês de fevereiro de (a) 2002 e 2003; (b) 2003 e 2004 e (c) 2005.
As imagens de satélite são disponibilizadas a cada meia hora, aproximadamente. Entretanto, mesmo utilizando três fontes distintas, houve falhas nas seqüências. Por exemplo, em fevereiro de 2003 não havia imagens de satélite
do dia 7 ao dia 12, sendo necessário utilizar imagens de outra fonte para o preenchimento desta lacuna.
A determinação dos horários de início e de término de um SCM obedeceu o critério de temperatura do topo da nebulosidade. Neste trabalho, a identificação dos SCM foi feita utilizando o limiar de temperatura de -40 ºC para o topo da nebulosidade. Entretanto, quando da ocorrência de falhas na seqüência de imagens, a determinação dos horários de início/término dos SCM seguiu o critério de um horário intermediário entre imagens consecutivas, desde que o intervalo entre estas não fosse superior a 3 horas (Macedo et al., 2004). Quando a seqüência de imagens ficou interrompida por um intervalo de tempo igual ou superior 3 horas, o SCM em análise foi desconsiderado.
Uma vez identificados, foram estimadas as posições geográficas da formação e da dissipação de todos os SCM que ocorreram no mês de fevereiro de 2002, 2003, 2004 e 2005, direção preferencial de deslocamento, horários de início/término e duração total. A partir destes resultados, foram estabelecidas quatro categorias de intervalos predominantes de início/término dos SCM, com 6 horas de duração cada. A seguir, tendo em vista o objetivo de identificar campos preditores de SCM que ocorrem de forma isolada, preferencialmente, no sul da AS, foram analisadas imagens de satélite durante os meses quentes de 2002 e 2003.
Modelo de Mesoescala MM5
A estrutura de simulação foi desenvolvida com base no Modelo de Mesoescala MM5 (Dudhia et al., 2002). Este modelo de mesoescala foi desenvolvido pela Universidade Estadual da Pensilvânia e pelo Centro Nacional para Pesquisas Atmosféricas (NCAR, EUA). É um modelo de área limitada, destinado à realização de previsões de tempo por intermédio de simulações das circulações atmosféricas de grande escala e de mesoescala. Anthes (1990) fez um levantamento de trabalhos já realizados em diferentes partes do globo utilizando o modelo MM5 aplicado a diferentes situações atmosféricas. Sua conclusão é de que, se as condições de superfície e dados iniciais forem de boa qualidade, além da adequação dos processos físicos à região, o modelo é capaz de simular e prever uma grande variedade de fenômenos meteorológicos. Este sistema de modelagem permite selecionar domínios de integração (áreas e sub-áreas) em qualquer região do globo.
Permite incluir dados relativos à elevação, uso e tipo de solo, cobertura fracional de vegetação e máscaras de terra/água. Possui a flexibilidade e a capacidade de pré-estabelecer múltiplos domínios aninhados, possibilitando configurar o processamento desde a escala global até a escala das nuvens.
O modelo permite, também, a incorporação de dados em tempo real, através de rotinas de observações tanto de ar superior quanto de superfície (incluindo vento, temperatura, umidade, pressão ao nível médio do mar e temperatura da água do mar). E possível o acoplamento com modelos globais e regionais, empregando o uso destes dados como condições iniciais para as análises objetivas ou de contorno. É um modelo não-hidrostático, que utiliza o sistema de coordenadas sigma, com opção de coordenadas pressão. O modelo MM5 possibilita a inclusão de variadas configurações físicas por meio de um processo de seleção de opções, estabelecido na etapa de pré-processamento do modelo. Foi desenvolvido nas linguagens Fortran, C e Schell script, tendo recebido contribuições de pesquisadores de diversos locais do planeta.
Para o processamento do modelo MM5, foram utilizados como dados de entrada os campos de reanálise do National Center for Atmospheric Research/National Center for Enviromental Prediction (NCAR/NCEP), disponível no site http://www.cdc.noaa.gov em formato netcdf. A estrutura do modelo permite selecionar a grade horizontal e a resolução temporal dos campos de saída. A fig. 2 mostra a localização geográfica das grades relativas aos domínios 1 e 2, utilizadas para o processamento do modelo. O domínio 1 foi utilizado na restituição dos campos de grande escala e abrange a área compreendida entre 30ºE e 80ºW e entre 5ºS e 50ºS. O domínio 2 foi utilizado para a realização de simulações de mesoescala e inclui somente uma parte do sul da América do Sul, de 40ºW a 70ºW e de 20ºS a 40ºS.
Figura 2 - Representação dos domínios 1 e 2 utilizados nos processamentos do Modelo de Mesoescala MM5.
As configurações do modelo, utilizadas nas simulações deste trabalho, são mostradas na tab. 1.
Tabela 1- Configurações do modelo MM5 utilizadas nas simulações.
Domínio 1 Domínio 2
Resolução Horizontal (km) 90 20
Pontos de Grade (Este-Oeste) 124 167
Pontos de Grade (Norte-Sul) 87 139
Níveis – vertical 23 23
Passos de tempo (seg) 250 50
As parametrizações físicas, com as respectivas opções, utilizadas para o processamento do modelo MM5 para o domínio 1 são mostradas na tab. 2. A seleção destas opções foi baseada no trabalho desenvolvido por Lima (2005).
Tabela 2 - Parametrizações físicas e opções selecionadas para o processamento do modelo MM5, utilizadas nos domínios 1 e 2.
Parametrizações Opções selecionadas
Convecção Profunda Grell
Microfísica de Nuvens Schultz
Radiação Cloud
Camada Limite Planetária MRF
Solo Five-Layer Soil Model
A fig. 3 mostra o fluxograma de processamento do modelo MM5, onde é visto que existem vários programas que devem ser executados antes do processamento do modelo propriamente dito. A execução destes programas faz parte da etapa de pré-processamento. No caso de utilização dos campos de reanálise como condições iniciais e de contorno, como feito neste trabalho, o programa RAWINS não é executado, motivo pelo qual está hachurado. Os campos de saída do modelo são visualizados utilizando o pacote GrADS.
Figura 3 - Fluxograma de funcionamento do modelo MM5.
Cada processamento do modelo restitui 13 campos meteorológicos simulados, sendo que o primeiro horário corresponde aos “campos de análise” e os
seguintes aos “campos de previsão”. O horário inicial para processamento pode ser escolhido como sendo à 00 UTC (Coordenada de Tempo Universal) ou às 12 UTC.
Os campos de saída do modelo MM5, com os domínios 1 e 2, foram utilizados com propósitos distintos. No caso do domínio 1, foram analisados os campos de linhas de corrente e de pressão em superfície, no horário das 12 UTC para todos os dias do mês de fevereiro dos quatro anos. Os campos de saída, relativos ao processamento do modelo MM5 utilizando o domínio 2, foram obtidos para casos selecionados de ocorrência de SCM que atingiram o Rio Grande do Sul e que ocorreram de forma isolada, pelo menos durante a maior parte do seu tempo de vida, no sul da AS. Estas simulações foram realizadas de modo a envolver um período de seis horas antes do horário de formação do SCM até a sua dissipação, com resolução temporal horária dos campos meteorológicos.
Dados de Superfície
Os dados de superfície foram obtidos junto às estações meteorológicas existentes no Estado do Rio Grande do Sul, pertencentes ao Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) e à Fundação Estadual de Pesquisa Agropecuária (FEPAGRO). Ainda, foram utilizados os dados da Estação Agroclimatológica de Pelotas (Capão do Leão/RS), convênio EMBRAPA/UFPel/INMET e os dados do código METAR do Ministério da Defesa/Comando da Aeronáutica (http://www.redemet.mil.gov). Das estações do INMET e da FEPAGRO, foram coletados os registros horários disponíveis de temperatura do ar, pressão atmosférica, precipitação e os dados, obtidos nas três leituras diárias, de vento (velocidade e direção) e de temperatura do bulbo úmido. Das mensagens METAR foram utilizados os dados horários das variáveis: temperatura do ar, temperatura do ponto de orvalho, pressão atmosférica e vento (direção e velocidade). A visualização dos campos meteorológicos assim obtidos foi feita utilizando o programa Surfer.
Temperatura da Superfície do Mar
Complementando as análises sobre as situações de grande escala associadas com a ocorrência dos SCM na região de estudo, fez-se uma avaliação das anomalias da Temperatura da Superfície do Mar (TSM) dos Oceanos Atlântico e Pacífico. Estes dados foram obtidos no site http://www.cdc.noaa.gov, para a grade 10ºN a 60ºS e 10ºE a 120ºE. Para calcular as anomalias, inicialmente foi calculado o campo médio de TSM para o mês de fevereiro dos últimos 24 anos (1982- 2005). Em seguida, a partir dos valores de TSM para cada mês de fevereiro de 2002, 2003, 2004 e 2005, foram calculadas as respectivas anomalias. O estudo sobre as anomalias de TSM foi realizado para verificar como estas influenciariam na convecção sobre o sul da América do Sul.
FATORES DE GRANDE ESCALA E ANOMALIAS DE PRECIPITAÇÃO
INTRODUÇÃO
O sul da América do Sul é freqüentemente atingido por Sistemas Convectivos de Mesoescala (SCM), principalmente nas estações quentes. Tais sistemas constituem fenômenos atmosféricos que provocam excessivas quantidades de precipitação em superfície, muitas vezes acompanhadas por granizo, descargas elétricas e ventos fortes. Dentre as regiões localizadas ao sul da América do Sul (AS), o norte/leste da Argentina, sul do Paraguai, Uruguai e sul do Brasil são particularmente atingidas pelos SCM (Díaz e Acetuno, 2003). Por conseguinte, a previsão da ocorrência de tais sistemas seria de extremo interesse para estas regiões, no sentido de minimizar os enormes prejuízos decorrentes dos desastres naturais passíveis de ocorrerem.
A influência do fenômeno El Niño, que provoca alterações na circulação atmosférica desde a escala regional até a escala global, gera anomalias climáticas em várias partes do mundo (Berlato e Fontana, 2003) e provoca uma maior quantidade de eventos extremos em todo o Brasil (Grimm e Tedeschi, 2004). Entretanto, estudos mostram que não somente o fenômeno El Niño interfere na intensidade da atividade convectiva no sul da AS. Díaz et al. (1998) mostraram haver uma relação entre anomalias de precipitação no Uruguai e no sul do Brasil com anomalias na Temperatura da Superfície do Mar (TSM) no sudoeste do Oceano Atlântico durante períodos de outubro a dezembro e de abril a julho. Chaves e
Ambrizzi (2004) mostraram que, há uma relação entre a convecção associada à penetração de sistemas frontais sobre a AS nos meses frios com anomalias positivas de TSM no Oceano Atlântico sul, modificando a trajetória destes sistemas. Estes resultados indicam que anomalias da TSM do Oceano Atlântico sul influenciam na atividade convectiva observada no sul da AS e, portanto, é muito provável que a formação de SCM durante os meses quentes esteja relacionada tanto com estas anomalias quanto com as anomalias de TSM do Pacífico tropical.
Apresenta-se, neste capítulo, o estudo realizado sobre os SCM que ocorreram no sul da AS e que influenciaram no tempo sobre o Estado do Rio Grande do Sul no mês de fevereiro de quatro anos (2002 a 2005). O mês de fevereiro foi selecionado, porque em 2003 a atividade convectiva observada no sul da AS foi extremamente significativa, como mostraram Lima (2005) e Scaglioni e Saraiva (2004). Nos meses de fevereiro de 2004 (Calbete e Preste, 2004) e de 2005 (conforme notificado na mídia) houve déficit de precipitação no Estado do Rio Grande do Sul. Assim, por se tratarem de meses em que foram observados padrões contrários de precipitação, incluiu-se também o mês de fevereiro de 2002, para melhor compreender os motivos que favoreceram ou não a formação dos SCM no sul da AS.
MATERIAL E MÉTODOS
Foram utilizadas informações provenientes de satélites de órbita geoestacionária, dados de precipitação em superfície, simulações de modelo atmosférico e dados de temperatura da superfície do mar, descritas a seguir.
Imagens de Satélite
As imagens de satélite geoestacionário utilizadas são realçadas no canal infravermelho. A fig.1 (ver pág. 6) mostra exemplos das imagens de satélite utilizadas, relativamente a cada período de estudo. A utilização de sites diferentes ocorreu em função da disponibilidade das imagens. Em função do processo de
compactação das imagens, um pixel representa uma área de 130 km2no caso das
2
km para as imagens obtidas no site http://www.cptec.inpe.br e de 30 km2 para
aquelas obtidas no site http://www.cira.colostate.edu/ramm/msdsol/RMTC.html, aproximadamente. O intervalo de tempo entre imagens consecutivas, nos respectivos sites, é de aproximadamente trinta minutos. Entretanto, foram detectadas falhas importantes nas seqüências de imagens que, por exemplo, inviabilizaram a avaliação quantitativa dos SCM observados em fevereiro de 2002 e que ocasionaram o uso de dois sites em fevereiro de 2003. Neste mês, houve uma falha de imagens durante 6 dias, período em que as análises foram complementadas com o uso das imagens do CPTEC/INPE. Na literatura, a identificação de SCM com imagens de satélite é feita a partir da definição de um limiar de temperatura para o topo das nuvens. Em trabalhos desenvolvidos para latitudes médias, os valores encontrados oscilam em torno de -40ºC. Alguns autores utilizam dois limiares de temperatura: um para definir o SCM e outro para definir as células convectivas imersas no SCM.
Velasco e Fritsch (1987) utilizaram dois limiares de temperatura de brilho para estudar a ocorrência de Complexos Convectivos de Mesoescala (CCM) nas Américas, cujos valores foram iguais a -40ºC e -62°C e -42ºC e -64°C. Machado et al. (1998) utilizaram valores de -28ºC e -55ºC para analisar a atividade convectiva na AS. Salio e Nicolini (2005) utilizaram o limiar de -55ºC para identificar SCM que ocorreram no sul da AS em associação com um Jato de Baixos Níveis (JBN). Assim, a identificação dos SCM neste trabalho foi feita utilizando o limiar de temperatura de -40ºC para o topo da nebulosidade. Uma vez identificados, foram estabelecidos quatro períodos de 6 horas, distribuídos ao longo do dia, com a finalidade de avaliar os horários predominantes de formação/dissipação dos SCM.
Dados de Precipitação em Superfície
Os dados de precipitação em superfície foram obtidos junto às estações meteorológicas pertencentes ao Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) e à Fundação Estadual de Pesquisa Agropecuária (FEPAGRO). Ainda, foram utilizados os dados da Estação Agroclimatológica de Pelotas (Capão do Leão/RS), convênio EMBRAPA/UFPel/INMET. Foram calculadas as anomalias de precipitação no Estado do Rio Grande do Sul a partir do valor acumulado para cada mês de fevereiro e do valor climatológico dos últimos 30 anos (1975-2005). A fig. 4 mostra a localização
das estações meteorológicas das quais os dados foram obtidos e a topografia do Estado. É marcante a concentração de estações a nordeste do Estado e o grande espaçamento entre estas nas outras regiões.
Figura 4 - Topografia do Estado do Rio Grande do Sul e localização das estações meteorológicas em superfície utilizadas neste trabalho.
Modelagem Atmosférica
As simulações realizadas para este estudo foram desenvolvidas tendo como base o modelo MM5, simulador de domínio público, construído pela Pennsylvania State University (PSU) em conjunto com o National Center for Atmospheric Research (NCAR). Trata-se de um sistema numérico não hidrostático, destinado à simulação das circulações atmosféricas de grande escala e de mesoescala, utilizando o sistema de coordenadas sigma, com opção de coordenadas pressão. As simulações realizadas com o modelo MM5 tiveram inicio à 00 e às 12 UTC (Coordenada de Tempo Universal). Cada processamento fornece, como arquivo de saída, campos meteorológicos em 13 horários distintos, sendo que o primeiro horário corresponde aos “campos de análise” e os seguintes aos “campos de previsão”. O horário inicial de processamento do modelo para este trabalho foi escolhido como sendo às 12 UTC. A grade utilizada está compreendida entre os paralelos 5ºS a 50ºS e os
de fevereiro dos quatro anos. Os dados de reanálise do modelo global NCAR/NCEP (http://www.cdc.noaa.gov) foram utilizados como dados de entrada do modelo MM5. As parametrizações escolhidas nas simulações estão indicadas na tab. 3. A escolha destas opções ocorreu com base no trabalho desenvolvido por Lima (2005).
Tabela 3 - Parametrizações e opções selecionadas no processamento do modelo MM5 para o mês de fevereiro de 2002, 2003, 2004 e 2005.
Parametrizações do MM5
Convecção Profunda Grell
Microfísica de Nuvens Schultz
Radiação Cloud
Camada Limite Planetária MRF
Solo Five-Layer Soil Model
Temperatura da Superfície do Mar
Complementando as análises sobre as situações de grande escala associadas com a ocorrência dos SCM na região de estudo, fez-se uma avaliação das anomalias da Temperatura da Superfície do Mar (TSM) dos Oceanos Atlântico e Pacífico. Estes dados foram obtidos no site http://www.cdc.noaa.gov, para a grade 10ºN a 60ºS e 10ºE a 120ºE. Para calcular as anomalias, inicialmente foi calculado o campo médio de TSM para o mês de fevereiro dos últimos 24 anos (1982-2005). Em seguida, a partir dos valores de TSM para cada mês de fevereiro de 2002, 2003, 2004 e 2005, foram calculadas as respectivas anomalias. O estudo sobre as anomalias de TSM foi realizado para verificar como estas influenciariam na convecção sobre o sul da América do Sul.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A influência dos SCM em uma região pode ser percebida sob diferentes aspectos. Na fig. 5 é apresentado o campo de precipitação médio mensal dos últimos 30 anos bem como os campos das anomalias das precipitações observadas nos quatro meses de fevereiro analisados. Nesta figura estão inseridas as
contribuições de todos os sistemas precipitantes de todas as escalas espaciais. Entretanto, considerando que os SCM são formados por aglomerados de nuvens Cumulonimbus que são, dentre todos os gêneros de nuvens, as mais precipitantes, valores de anomalias positivas muito elevadas indicam a ocorrência de tais sistemas, embutidos ou não em sistemas de escala espacial superior.
Analisando o campo climatológico de precipitação média mensal para o mês de fevereiro, mostrado na fig. 5a vê-se que, em todo o Estado, a média de precipitação oscila entre 100 e 200 mm aproximadamente, com valores predominantes no intervalo de 140-160 mm. Os máximos valores são observados nas regiões norte (>170 mm), seguidos pelos valores encontrados nas regiões oeste e extremo sul do Estado, onde os valores variam entre 150 e 160 mm.
Dentre os quatro meses de fevereiro, é nítido o excesso de precipitação ocorrido em fevereiro de 2003 em todo o Estado, como mostra a fig. 5c. Nota-se um excesso máximo de 240 mm no nordeste do Estado, o que corresponde a praticamente o dobro do respectivo valor climatológico. O excesso de precipitação em fevereiro de 2003 foi, em média, superior a 100 mm na maioria das regiões, com exceção das regiões central e extremo oeste do Estado, onde as anomalias positivas foram inferiores a 40 mm. Nestas regiões, e incluindo o noroeste do Estado, as estações meteorológicas em superfície não estão regularmente distribuídas (como visto anteriormente). Ainda, tendo em vista os resultados encontrados quando das análises das imagens de satélite para identificação dos SCM que atingiram o Estado (a serem mostrados no próximo capítulo), acredita-se que os valores de anomalias de precipitação nestas regiões estejam subestimados. Nos outros anos, como mostram as fig. 5b, 5d e 5e, houve uma variação muito grande nos valores de anomalias de precipitação. Observam-se regiões que apresentam desde pequenos excessos (não ultrapassando 30 mm) até regiões com anomalias negativas superiores a 100 mm. O caso mais acentuado de seca ocorreu em fevereiro de 2005 (fig. 5e), pois em todo o Estado foram observadas anomalias negativas de precipitação, de 40 mm até valores superiores a 140 mm, no norte do Estado. Entretanto, pelos mesmos motivos citados no parágrafo anterior, existe uma incerteza na representatividade destes valores.
a)
b) c)
d) e)
Figura 5 - (a) Campo climatológico de precipitação no Rio Grande do Sul, relativo ao período 1975-2005 e anomalias de precipitação em superfície observadas no Estado no mês de fevereiro de (b) 2002; (c) 2003; (d) 2004 e (e) 2005.
Em fevereiro de 2002, as regiões no extremo norte e sudoeste do Estado foram as que mais sofreram com falta de precipitação (fig. 5b), enquanto que em fevereiro de
2004, a região que mais sofreu com a falta de precipitação foi a região noroeste do Estado (fig. 5d). Percebe-se, então, que nestes quatro meses de fevereiro, a metade leste do Rio Grande do Sul e principalmente aquelas mais próximas do litoral, não sofreram muito com a seca, indicando a ação reguladora do escoamento de origem oceânica continente adentro.
A investigação de possíveis causas das diferentes situações observadas nos meses de fevereiro conduziu a avaliações de circulações de grande escala e de mesoescala. Inicialmente, foi realizado um levantamento quanto ao posicionamento dos centros de alta e de baixa pressão no Oceano Atlântico sul e analisadas as anomalias de TSM dos Oceanos Atlântico e Pacífico. Os resultados encontrados, relativos aos meses de fevereiro de 2002 a 2005 são mostrados nas fig. 6 e 7. O número de pontos, indicadores dos centros de alta/baixa pressão na fig. 6, não é idêntico nas quatro figuras porque, dependendo do ano, foram observados múltiplos núcleos de alta/baixa pressão no mesmo dia. Isto ocorreu principalmente nos anos de déficit de precipitação no Estado, como mostram as fig. 6a, 6c e 6d, onde existe quase o dobro de centros de alta pressão em relação ao número observado no mês de fevereiro de 2003 (fig. 6b), quando foi observado excesso de chuvas no Estado. Também, nos meses secos observa-se uma maior dispersão, tanto longitudinal quanto latitudinal, do posicionamento dos núcleos de alta pressão, que estão localizados desde a costa sul da América do Sul até a costa sul da África. No entanto, existe uma pequena concentração de centros de alta pressão entre 10ºE e 10ºW, ou seja, longe da costa da AS. Quanto ao posicionamento dos centros de baixa pressão, observa-se outra característica comum nos meses secos, que é a sua localização próxima à costa do continente americano, preferencialmente ao norte de 40ºS. Ao contrário, no mês chuvoso (fig. 6b) os centros das baixas pressão localizam-se predominantemente ao sul de 40ºS.
Em fevereiro de 2003 (fig. 6b) os centros de alta pressão estão nitidamente concentrados no Atlântico central (entre 10ºW e 35ºW), influenciando definitivamente o escoamento sobre o sul da AS. Assim, observa-se que houve uma inversão nas circulações ciclônica/anticiclônica do ar próximo à costa do continente americano, quando analisados meses secos versus mês chuvoso. Estes resultados são semelhantes aos encontrados por Díaz e Acetuno (2003), que analisaram 15 anos de anomalias no escoamento do ar no sudeste da AS, em períodos secos e
Uruguai, existe uma circulação anticiclônica localizada em torno de 34ºS/45ºW, com uma região ciclônica localizada no extremo sul da AS. Ao contrário, em períodos de escassez de precipitação, este dipolo de circulações se inverte. Eles trabalharam com valores médios sobre 11 dias.
a) b)
c) d)
Figura 6 - Localização geográfica dos centros de alta (em azul) e de baixa pressão (em vermelho), no Oceano Atlântico, obtida com o modelo de mesoescala MM5 (simulações das 12 UTC) para o mês de fevereiro de (a) 2002; (b) 2003; (c) 2004 e (d) 2005.
A fig. 7 mostra os campos de anomalias de TSM nos Oceanos Atlântico e Pacífico. Os anos de 2002, 2003 e 2005 foram caracterizados como sendo anos de El Nino (Infoclima, 2002, 2003 e 2005). De fato, as fig. 7a, 7b e 7d mostram anomalias positivas de TSM no Pacífico equatorial leste, com variações de +0,3 a +1,3ºC (este último observado somente em fevereiro de 2003). A área oceânica em que estas anomalias são observadas também é diferenciada. Em 2003 a região com anomalias positivas de TSM no Oceano Pacífico é maior e com valores mais elevados do que nos anos 2002 e 2005. De acordo com a literatura, em anos de El Niño deveria haver excesso de precipitação no sul do Brasil (Berlato e Fontana, 2003; Grimm et al., 1998), o que ocorreu somente no ano de 2003, conforme discutido anteriormente. Ao verificar as anomalias de TSM no Oceano Atlântico sul
no ano de 2003, são observadas anomalias positivas, enquanto que nos outros anos, em que ocorreu déficit de precipitação, as anomalias de TSM são negativas. No ano de 2002, as anomalias de TSM no Atlântico não são marcantes. Ainda, no ano de 2005, em que a seca foi bastante acentuada no Rio Grande do Sul, ocorreram as anomalias mais negativas, atingindo valores máximos de -1,3ºC de anomalia de TSM no Atlântico sul, perto da costa. Portanto, pode-se dizer que existe uma relação muito mais estreita entre a quantidade de precipitação observada no sul do Brasil com anomalias de TSM no Atlântico sul do que com anomalias de TSM no Pacífico equatorial. Doyle e Barros (2002), usando dados de reanálise de precipitação e de TSM médias mensais, também encontraram que existe uma forte relação entre a precipitação no sul da AS com anomalias de TSM no oeste do Oceano Atlântico. De acordo com estes autores, em situações de máximas anomalias de TSM existem dois padrões bem distintos na circulação atmosférica de baixos níveis da atmosfera e no campo de precipitação. Outro aspecto muito interessante a salientar diz respeito ao dipolo de anomalias de TSM no Oceano Atlântico tropical e sul. É nítida a inversão de sinais, sendo que nos meses secos, as anomalias de TSM são positivas no Atlântico sul e negativa nas regiões tropicais e vice-versa, no mês chuvoso.
Com a finalidade de associar os resultados encontrados de grande escala com a precipitação em superfície sobre o Estado do Rio Grande do Sul, discutidos anteriormente, foi feita uma identificação dos SCM, utilizando imagens de satélite. Para cada SCM identificado, foram verificadas as posições e horários de início/término do mesmo, direção preferencial de deslocamento e duração total. É importante ter em mente que, os resultados encontrados aqui sofreram a influência da resolução diferente das imagens de satélite, na medida em que imagens com menor resolução mostram uma visão menos refinada e, portanto, não mostram SCM que apareceriam em imagens com melhor resolução.
Anomalias de TSM em fevereiro de 2002 a) Anomalias de TSM em fevereiro de 2003 b) Anomalias de TSM em fevereiro de 2004 c) Anomalias de TSM em fevereiro de 2005 d)
Figura 7 - Anomalias de TSM (Temperatura da Superfície do Mar), em °C, nos Oceanos Atlântico e Pacífico, obtidos a partir dos dados do NCEP, para o mês de fevereiro de (a) 2002; (b) 2003; (c) 2004 e (d) 2005.
Para o mês de fevereiro de 2002, tendo em vista as falhas periódicas nas seqüências de imagens ao longo de todos os dias (cada interrupção teve duração de
aproximadamente 5 horas), não foi possível fazer a identificação desejada dos SCM. Os resultados obtidos para o mês de fevereiro de 2003 são mostrados na fig. 8, onde estão localizados os 113 SCM observados que atingiram o Rio Grande do Sul em algum momento ao longo de seu ciclo de vida. A apresentação está distribuída em cinco figuras, para fins de clareza. A posição de início de cada SCM está identificada com um número (seqüencial) em vermelho, enquanto que a posição de término está identificada com o mesmo número, na cor azul e sublinhado. Pode-se observar que alguns sistemas têm somente o início ou término indicado, devido à impossibilidade de sua localização, pelos motivos expostos anteriormente. Nas fig. 8a a 8e nota-se que mais da metade (65%) dos sistemas se formaram sobre o Estado do Rio Grande do Sul, predominantemente na metade oeste. Os demais se formaram fora do Estado, na Argentina, Uruguai ou sobre os Estados de Santa Catarina e Paraná. Machado et al. (1998) mostraram que a Argentina, Bolívia e o Paraguai são países freqüentemente atingidos por um escoamento de norte em baixos níveis proveniente das regiões tropicais. Este escoamento relativamente mais quente e úmido, incrementa a atividade convectiva nestas regiões. A dissipação dos sistemas ocorreu com maior freqüência na metade leste do Estado, principalmente quando estes se encontravam perto do Oceano. Existiu, portanto, uma tendência a um deslocamento das tempestades com componente de oeste, na maioria dos SCM.
a) b)
c) d)
e)
Figura 8 - Localização geográfica da posição de formação (em vermelho) e de dissipação (em azul sublinhado) dos SCM que ocorreram no mês de fevereiro de 2003.
A fig. 9 mostra os resultados obtidos quanto à distribuição de horários de início/término dos SCM, tempo de vida e direção de deslocamento. O símbolo “?” que aparece nas legendas das figuras indica indeterminação das características em gestão. Analisando os horários de início da atividade convectiva, mostrado na fig. 9a, verifica-se que o intervalo de tempo predominante para a formação dos SCM que atingiram o Rio Grande do Sul em fevereiro de 2003 foi, em quase 70% dos casos, entre 12 e 24 UTC. Destes, aproximadamente metade tiveram duração inferior a 6 horas, sugerindo que são pequenos, e aproximadamente metade tiveram duração de até 12 horas. Este resultado, junto com o anterior, indica que os SCM que se formam sobre o Estado têm duração máxima de aproximadamente 12 horas. Os que
se formaram fora do Rio Grande do Sul geralmente tiveram duração maior e, portanto, foram maiores. Esta relação entre duração total do SCM com tamanho foi colocada em evidência por Machado et al. (1998), ao avaliarem os SCM observados nas Américas no período 1987-1988 com imagens de satélite, encontraram uma relação quase linear entre a duração e tamanho dos SCM quando os respectivos ciclos de vida estavam compreendidos entre 6 e 27 horas. Torres (2003), ao analisar os sistemas convectivos que ocorreram no sul da AS, com imagens de satélite de outubro/1998 a abril/1999, verificou que o início de SCM muito precipitantes (no mínimo 120 mm diários em alguma estação de superfície) ocorreu preferencialmente nas primeiras horas da tarde (hora local). Como no mês de fevereiro de 2003 houve excesso de chuvas, é provável que os SCM que se formaram sobre o Estado, apesar de não muito grandes, tenham contribuído decididamente para as anomalias positivas de precipitação, como visto anteriormente. Na fig. 9b é apresentada a repartição do período de dissipação dos sistemas, onde nota-se que aproximadamente metade dos SCM se dissiparam no período entre 0 e 6 UTC, mas também é significante a porcentagem de SCM que se dissiparam entre 18 e 24 UTC. Assim, neste mês, os SCM se dissiparam entre o período da tarde (a partir das 18 UTC, ou seja, 16HL, hora local) e início do dia seguinte (até 6 UTC) em aproximadamente 90% dos casos observados. Considerando o tempo de vida dos 113 SCM que atingiram o Estado em fevereiro/2003 (fig. 9c) nota-se que em mais de 50% dos casos, os SCM apresentaram duração inferior ou igual a 12 horas, 24% dos SCM apresentaram duração inferior a 6 horas e 30% apresentou duração no intervalo de 6 a 12 horas. Velasco e Fritsch (1987) fizeram uso de imagens de satélite para identificar os Complexos Convectivos de Mesoescala (CCM) na AS e identificaram que a duração média destes sistemas foi de 11,5 horas. Sabe-se que, para serem considerados CCM, os SCM precisam satisfazer alguns critérios, inclusive o de área mínima, função do limiar de temperatura de brilho. Desta forma, considerando apenas o limite de temperatura adotado neste trabalho, a área dos SCM que se formaram sobre o Estado deve estar compreendida entre 50.000 e
100.000 km2. Ainda, Machado et al (1998), para SCM com limiar de temperatura de
brilho de aproximadamente -28°C acharam que a área seria da ordem de 100.000
2
seja, os SCM daquele trabalho eram quase-circulares enquanto que Velasco e Fritsch (1987) analisaram somente os praticamente circulares. No presente trabalho, todos os SCM foram incluídos. Na fig. 9d, é apresentado o deslocamento predominante dos SCM que ocorreram em fevereiro de 2003. Este deslocamento foi determinado considerando as posições de início e de término do sistema. As posições intermediárias dos SCM não foram consideradas para fins de padronização desta avaliação, uma vez que não foi possível acompanhar todos os SCM ao longo de sua trajetória por falta de imagens. Os sistemas apresentaram deslocamento predominante para sudeste na maioria (42%). Os outros SCM apresentaram direções diferenciadas de deslocamento. Em comparação com os outros anos, o mês de fevereiro de 2003 foi o que apresentou a maior diversidade de direções de deslocamento.
Período de Formação dos SCM Fevereiro 2003 16% 5% 39% 29% 11% 00 -| 06 UTC 06 -| 12 UTC 12 -| 18 UTC 18 -| 24 UTC ??? a)
Período de Dissipação dos SCM Fevereiro 2003 5% 37% 5% 49% 4% 00 -| 06 UTC 06 -| 12 UTC 12 -| 18 UTC 18 -| 24 UTC ??? b)
Tempo de Vida dos SCM Fevereiro 2003 24% 30% 10% 7% 13% 16% • 06 hs 06 -| 12 hs 12 -| 18 hs 18 -| 24 hs > 24 hs ??? c)
Direção Predominante dos SCM Fevereiro 2003 42% 4% 14% 7% 14% 3% 12% 1% 3% Leste Oeste Norte Sul Sudeste Sudoeste Nordeste Noroeste ??? d) Figura 9 - (a) Período de formação; (b) período de dissipação; (c) tempo de vida e (d) direção predominante dos SCM identificados em fevereiro de 2003.
Em fevereiro de 2004 foram identificados 20 SCM que atingiram o Estado do Rio Grande do Sul. Esta quantidade de sistemas é quase 6 vezes inferior à
encontrada em 2003. Na fig. 10a, pode-se verificar que 11 SCM se formaram na vizinhança do Estado do Rio Grande do Sul, dos quais 9 se formaram na Argentina, um no Uruguai e um no Estado de Santa Catarina. No Rio Grande do Sul se formaram 6 SCM, na metade leste do Estado. A dissipação dos SCM ocorreu com maior freqüência no oeste do Estado. Pode-se verificar que os SCM observados no mês de fevereiro de 2004 (fig. 10b) se formaram no período entre 12 e 18 UTC, em 50% dos casos. De acordo com Velasco e Fritsch (1987) e Torres (2003), a maior parte da atividade convectiva na AS ocorre nos períodos da tarde e à noite (hora local). Em relação a estes trabalhos, nos meses analisados aqui nota-se que o início da convecção foi precoce, pois ocorreu preferencialmente pela manhã e tarde (hora local).
Os horários preferenciais para a dissipação, observados na fig. 10c, estão compreendidos entre 12 e 24 UTC em 85% dos casos. Na fig. 10d, é mostrado o tempo de vida dos sistemas que ocorreram no mês de fevereiro de 2004, onde pode-se ver que os sistemas tiveram duração entre 6 e 12 horas em 45% dos casos, como em fevereiro de 2003.
Quanto à direção de deslocamento (fig. 10e) dos SCM, pode-se observar que existem duas direções predominantes: sudeste e nordeste. Estas duas direções aparecem com freqüências muito próximas, 40 e 35%, respectivamente, contrariamente ao observado em fevereiro/2003, pois neste mês houve somente uma direção preferencial (sudeste, como visto anteriormente).
a)
Período de Formação dos SCM Fevereiro 2004 30% 10% 5% 50% 5% 00 -| 06 UTC 06 -| 12 UTC 12 -| 18 UTC 18 -| 24 UTC ??? b)
Período de Dissipação dos SCM Fevereiro 2004 5% 40% 45% 10% 00 -| 06 UTC 12 -| 18 UTC 18 -| 24 UTC ??? c)
Tempo de Vida dos SCM Fevereiro 2004 20% 5% 15% 45% 15% • 06 hs 06 -| 12 hs 12 -| 18 hs 18 -| 24 hs ??? d)
Direção Predominante dos SCM Fevereiro 2004 5% 5% 40% 35% 15% Leste Norte Sudeste Nordeste ??? e) Figura 10 - (a) Localização geográfica da formação (em vermelho) e dissipação (em azul, sublinhado) dos SCM; (b) período de formação; (c) período de dissipação; (d) tempo de vida e (e) direção predominante dos SCM, para fevereiro de 2004.
No mês de fevereiro de 2005, 17 SCM atingiram o Rio Grande do Sul, como mostra a fig. 11a. Nela, observa-se que cinco SCM se formaram e se dissiparam nas proximidades da Laguna dos Patos, 7 SCM se formaram distribuídos na metade norte do Estado, quatro na Argentina e um no Uruguai. A dissipação destes SCM ocorreu a leste de sua posição de formação. É interessante notar que, neste mês, cinco SCM se dissiparam no Oceano, em uma posição bem distante da respectiva
posição de formação. Analogamente ao observado nos outros anos, em fevereiro/2005 os SCM se formaram predominantemente entre 12 e 18 UTC (em 41% dos casos). O intervalo de dissipação predominante foi de 18 às 24 UTC. Tendo em vista que aproximadamente 50% dos SCM tiveram duração inferior a 6 horas, a maioria dos SCM devem ter se formado em algum momento intermediário dentro do intervalo 12-18 UTC e se dissipado, similarmente, em algum momento intermediário dentro do intervalo 18-24 UTC. Quanto ao deslocamento preferencial dos sistemas (fig. 11e), notam-se três direções marcantes: nordeste, sudeste e leste. Torres e Nicolini (2002) classificaram 27 SCM entre os meses de outubro a abril 1988/1993, utilizando imagens de satélite, verificando três direções predominantes de deslocamento: leste, sudeste e nordeste. Os autores não deixam claro se no mês de fevereiro do período analisado existi uma predominância de direção de deslocamento. No presente trabalho foi encontrado que no mês mais chuvoso (fevereiro/2003), a direção sudeste se destaca.
a)
Período de Formação dos SCM Fevereiro 2005 6% 29% 41% 18% 6% 00 -| 06 UTC 06 -| 12 UTC 12 -| 18 UTC 18 -| 24 UTC ??? b)
Período de Dissipação dos SCM Fevereiro 2005 29% 18% 12% 41% 00 -| 06 UTC 06 -| 12 UTC 12 -| 18 UTC 18 -| 24 UTC c)
Tempo de Vida dos SCM Fevereiro 2005 24% 18% 6% 6% 46% • 06 hs 06 -| 12 hs 12 -| 18 hs 18 -| 24 hs ??? d)
Direção Predominante dos SCM Fevereiro 2005 23% 6% 6% 23% 24% 6% 12% Leste Norte Sul Sudeste Nordeste ??? Estacionário e) Figura 11 - (a) Localização geográfica da formação (em vermelho) e dissipação (em azul sublinhado) dos SCM; (b) período de formação; (c) período de dissipação; (d) tempo de vida e (e) direção predominante dos SCM, para fevereiro de 2005.
CONCLUSÕES
Neste trabalho foram apresentados os resultados encontrados no estudo realizado sobre circulações de grande escala que favoreceram ou que inibiram a formação de Sistemas Convectivos de Mesoescala (SCM) no sul da América do Sul (AS) no mês de fevereiro dos anos 2002 a 2005. As anomalias no campo de precipitação observado no Estado do Rio Grande do Sul mostraram que em fevereiro de 2003 houve excesso de precipitação (com valores de anomalias semelhantes aos valores climatológicos) enquanto que, nos outros meses, houve déficit de precipitação. Foi verificado que nos três meses de fevereiro em que houve estiagem no Estado, os centros de alta pressão no Oceano Atlântico sul estavam deslocados para leste e havia anomalias negativas de Temperatura da Superfície do Mar (TSM) próximo da costa sul da AS. Situação contrária foi encontrada no mês de fevereiro de 2003, em que houve excesso de precipitação no Estado do Rio Grande do Sul e anomalias positivas de TSM no Oceano Atlântico sul. Esta condição de grande escala favoreceu a formação de inúmeros SCM que atingiram o Estado em fevereiro de 2003 enquanto que, nos meses secos, a quantidade de SCM identificados foi desprezível, em comparação ao mês chuvoso.
A maioria dos SCM observados nos três meses de fevereiro se formou sobre o Estado, com tempo de vida predominante inferior a 6 horas e entre 6 e 12 horas. No mês chuvoso, esta formação ocorreu em todo o Estado, enquanto que nos meses secos a formação dos SCM ocorreu preferencialmente na sua metade leste, o que sugere ter sido a proximidade com o Oceano e a Laguna dos Patos um fator decisivo na formação dos SCM. Em fevereiro de 2004 os poucos SCM observados apresentaram, em metade dos casos, duração entre 6 e 12 horas sendo, portanto, maiores que os SCM que se formaram no Estado em fevereiro de 2005, pois a duração predominante destes últimos foi inferior a 6 horas. Isto explica também porque em fevereiro de 2005 a seca no Estado foi mais intensa do que em fevereiro de 2004. Por outro lado, em fevereiro de 2003 metade dos SCM observados apresentou tempo de vida repartida de forma similar entre um intervalo inferior a 6 horas e entre 6 e 12 horas. Poucos foram os casos com tempo de vida superior a 24 horas (resultado da interação entre SCM diferentes) em fevereiro de 2003 e nenhum foi observado tanto em fevereiro de 2004 quanto de 2005. Infelizmente, não foi
muito importantes nas seqüências das imagens de satélite. A dissipação dos SCM, a leste da posição de formação, indica a existência de uma componente de oeste na velocidade de deslocamento das tempestades, durante o período analisado.
