Estudo comparativo da estrutura e variabilidade das massas de água a partir das simulações...

(1)

(2)

Agradeimentos i

Resumo iv

Abstrat v

Lista de Figuras vi

Lista de Tabelas ix

1 Introdução 1

1.1 O 4RA IPCC . . . 2

1.2 Região de Estudo . . . 9

1.2.1 OeanoAtlântio Sul . . . 9

1.2.2 Massas de Água . . . 15

1.3 Objetivos . . . 20

2 Material e Métodos 21 2.1 Os Dados . . . 21

2.1.1 Cenários de Simulação . . . 22

2.1.2 Portal de dados: PCMDI . . . 23

2.1.3 Modelos ClimátiosGlobais . . . 23

(3)

2.2 Metodologia . . . 28

2.2.1 EstatístiaBásia . . . 28

2.2.2 Funções Ortogonais Empírias . . . 29

2.2.3 CálulodaDensidade Potenial eDiagramas de Estado . . . . 32

3 Resultados e Disussão 34 3.1 Dados observaionais vs. modelos . . . 34

3.2 Diagramas de estado . . . 37

3.2.1 Seções Vertiais . . . 41

3.3 Tendênias das propriedades termohalinas . . . 46

3.3.1 Cenário203m . . . 46

3.3.2 Cenário1pto2x . . . 50

3.4 Diferenças entre os enários . . . 53

3.4.1 Água Intermediária Antártia . . . 53

3.4.2 Água Profunda Cirumpolar . . . 58

3.4.3 Água de Fundo Antártia . . . 62

3.5 Variabilidade . . . 66

3.5.1 Água Intermediária Antártia . . . 66

3.5.2 Água Profunda Cirumpolar . . . 72

3.5.3 Água de Fundo Antártia . . . 77

4 Conlusões 82

(4)

Oavanço datenologia omputaionalea sostiação damodelagemnuméria

nos últimos anos tornou possível a realização de diversas simulações do lima

ter-restre. Essas simulações busam reproduzir a dinâmia e a variabilidade do lima

global, e onsequentemente prever o lima futuro. Dentro do sistema limátio, o

oeanoé oompartimentoresponsável por manter estabilidade dolima. Proessos

oeânios omo a formação e distribuição de massas de água têm um papel have

noarmazenamentoe redistribuiçãode energia pelosistema. Mudanças nesses

fen-menos podem impliar em variações drástias do lima atual. Considerando isso,

opresentetrabalho visa desrever a estrutura espaço-temporal das massas de água

doOeano Atlântio Sul e doOeano Austral. Para issoforam utilizadosdados de

modelos limátios que foram utilizados na elaboração do

4

° Relatório de A

valia-ção do Painel Intergovernamental para as Mudanças Climátias. Os modelos são:

ECHAM5/MPI-OM,IPSL-CM4-V1,MIROC3.2eGFDLCM2.1. Dentreasdiversas

simulaçõessão omparados os experimentos para o séulo

XX

(

20c3m

) e o

experi-mentoqueassumeaonentraçãode

CO

(5)

allowed to perform many limate system's simulations. Suh simulations aim to

reprodue the dynamis and variability of the limate and onsequently predit

future limate and possible limate hanges. Oeani proesses suh as formation

anddistributionofwatermasseshaveanimportantroleinunderstandingtheoeans

as a reservoir of salt, dissolved gases and heat. Considering that hanges in suh

proesses may have great impat in global and regional limate this work aims

to desribe spatial and temporal variability of water masses in the South Atlanti

Oean and Southern Oean. Data from the numerial simulations used for the

preparationof the Intergovernmental Panel on ClimateChange FourthAssessment

Report(4AR/IPCC)were used. Fourlimatemodelswere hosen:

ECHAM5/MPI-OM, IPSL-CM4-V1, MIROC3.2, GFDL CM2.1. Results from the Climate of the

20

th

Century

(

20c3m

)

and the

1

%peryear

CO

2

inrease (todoubling) experiment

(

1pctto2x

)

were analyzed. The four models show a positive trend of temperature

and a freshening trend of the Antarti Intemediate Water (AAIW), Cirumpolar

DeepWater (CDW)and the AntartiDeep Water (AADW).The densities ofthese

water masses beome signiantly lighter in the

20c3m

senario. In the

1pctto2x

senariointhe AAIWand CDW moved toupperlayers. Alsointhis senariothere

(6)

1.1 Projeçõesglobaisde emissõesantropogêniasdegases estufa

(gigato-neladas de

CO

2

)para os enáriosB1, A1T, B2,A1B, A2e A1F1. . . 4 1.2 Resoluçãoespaialdasdiferentesgeraçõesdosmodeloslimátios

uti-lizadosnosrelatóriosdoIPCC.Assiglasindiamoprimeiro,segundo,

tereiro e quarto relatório de avaliação. FAR (IPCC,

1990

), SAR

(IPCC,

1996

),TAR (IPCC,

2001

) eAR4 (IPCC,

2OO7

). . . 8

1.3 Diagrama esquemátio representando a irulação de superfíie no

Oeano Atlântio Sul. Adaptado de Peterson & Stramma(1991) . . . 10

1.4 Figuraadaptadade Houghton etal.(2001),esquematizandoa

Ciru-lação Termohalina proposta por Broeker (1991). . . 12

1.5 Transporte médio de alor (1.5(a)) no oeano (em

PW

=

10

15

_W

) e

transporte de massa médio (1.5(b))alulados a partir dos dados do

WOCE. As setas indiam a direção do transporte e os números os

respetivos valores. Figuraretiradade Ganahaud & Wunsh (2000). 14

1.6 Representaçãoesquemátiadairulaçãodas massasdeáguado

Oe-ano Austral. PF, Frente Polar; SAF, Frente Subantártia; STF,

Frente Subtropial. Retirado de Speer et al.(2000). . . 19

3.1 Erro quadrátiomédio(RMSE)naisopinalmédiados níveis

26, 9

≤

σ

≤

28, 4 kg.m

−

3

. As regiõesmais avermelhadas indiamas maiores

(7)

3.2 Diagramas de estado(

θ

−

S

)para o enário

20c3m

. Linha vermelha

representa a urva

θ

−

S

média para ada modelo. . . 38

3.3 Diagramasdeestado(

θ

−

S

)paraoenário

1pctto2x

. Linhavermelha

representa aurva

θ

−

S

média para ada modelo. . . 39

3.4 Seção vertial de salinidadeproduzidaa partirdos dadosdoWOA05

(Loarninietal.,2005). Contornos(linhaheia)indiamasisopinais

araterístias de ada massa de água. . . 42

3.5 Seção vertial de salinidade

(

h

)

. Contornos (linhaheia)indiamas

isopinais

(

kg.m

kg.m

−

3

kg.m

−

3

3.21 Padrões espaiais doprimeiromodoespaialda temperatura(EOF1

-) esérietemporaldos oeientes de expansãodoprimeiromodo.

(8)

3.22 Padrões espaiais do segundo modo espaial da temperatura (EOF2

- ) esérie temporaldos oeientes de expansãodo segundo modo

de variabilidade. As séries temporais são adimensionais -AIA

20c3m

70

3.23 Padrões espaiais doprimeiro modoespaialda temperatura(EOF1

As séries temporais são adimensionais- AIA 1ptto2x . . . 71

3.24 Padrões espaiais doprimeiromodoespaialda temperatura(EOF1

As séries temporais são adimensionais- CDW

20c3m

. . . 74

de variabilidade. As séries temporais são adimensionais- CDW

20c3m

75

As séries temporais são adimensionais- CDW 1ptto2x . . . 76

As séries temporais são adimensionais- AFA

20c3m

. . . 79

de variabilidade. As sériestemporais são adimensionais -AFA

20c3m

80

(9)

2.1 Modelos utilizadose suas respetivas resoluçõesespaiais. . . 27

−

3

)

) médios das

massas de água para ada modeloe para os dados observaionaisdo

WOA05

. Os índies desta tabela são referentes aos resultados do

(10)

Introdução

O avanço e a sostiação da modelagem numéria nos últimos anos permitiu que

fossem produzidas diversas simulações do lima terrestre. Tais simulações busam

reproduzir a omplexa dinâmia e a variabilidade do lima presente, e

onsequen-temente prever o lima futuro e as possíveis mudanças limátias. O

4

° Relatório

do Painel Intergovernamental para Mudanças Climátias (Intergovernmental

Pa-nel on Climate Change - 4RA IPCC) utilizou-se de tais simulações para mostrar

quea emissãode gases estufa por açõesantrópiasprovoa mudanças signiativas

no sistema limátioterrestre levando à sérias impliaçõessoioeonmias. O

sis-tema limátio, pode ser entendido omo ino omponentes - atmosfera, oeano,

riosfera, litosfera ebiosfera - que armazename troam alor (energia) entre si. A

omponenteoeâniaéaquelaquerespondepelamaiorquantidadedeenergia

arma-zenada. Issoaontee devido àspropriedadesfísias,taisomo, amaior apaidade

térmiadaáguaemrelaçãoaoar,etambémdevidoamassaoeâniatotalsermuito

doque a massa das demais omponentes do lima. Dessa forma,os oeanos atuam

omoum "regulador"dosistema limátio(Tomzak, 1999). Entendere quantiar

os meanismos e taxas de mudanças de suas propriedades implia em entender a

variabilidade de mais baixafrequênia do limaterrestre.

(11)

de suas propriedades são ditas onservativas, fazendo om que as massas de água

atuem omo reservatórios de alor, sal e gases dissolvidos. Tomzak (1999) dene

massa de água omo um orpo de água om formação históriaomum, tendo sua

origem em sua região partiular do oeano. São ainda entidades físias de volume

mensurável e oupando um volume nito no oeano. Essas massas de água são

transportadas pelos sistemas de orrentes oeânias, e ao ontrário das massas de

ar,elas movem-selentamente, sendomenossusetíveisàsondiçõeslimatológiase

aeventos de mais altafrequênia. Desse modo,respostas àsmudanças do limaem

suaspropriedadessão maislentas. Asmassas deágua adquiremsuas araterístias

(assinaturas)apartirdeproessosatmosfériosesão,porisso,exelentesindiadores

para as alterações das ondições limátias (Leanue & Tomzak, 2004). Assim

sendo, estudos relaionados à estrutura e mudanças de propriedades de massas de

água são de grande importânia no entendimento da atuação dos oeanos omo

reservatório de sal, gases ealor.

1.1 O 4RA IPCC

Nos últimos anos, questões ambientais omo sustentabilidade e mudanças

limáti-as foram temas de muitos debates polítios gerando até mesmo diretizes

interna-ionais para os temas. Em 1988 foi riado o Intergovernmental Panel on Climate

Change, sendo esse um órgão ientío ligado às Nações Unidas responsável por

avaliar o onheimento a era da mudança limátia global. Ele é responsável

por avaliar informações ientías, ténias e também soioeonmias. O intuito

é entender osrisos das mudanças limátiase seu impatona população humana.

São aproximadamente

2500

ientisitas de diversos países e instituições envolvidos

nessepainel. Osresultados destesesforços são reunidos emum Relatóriode A

(12)

http://www.ip.h/. Em

2007

oIPCC divulgouoseu quarto Relatóriode A

vali-ação(4RA IPCC).Esse relatórioéestruturado basiamenteemtrês partes,sendo

ada uma dessas partes de responsabilidade de um Grupo de Trabalho (GT). O

GT1 produz um doumento intitulado As Bases Cientías, o GT2 Impatos,

Adaptação e Vulnerabilidade e o GT3 Mitigação. Um resumo de todos esses

relatóriostambém é disponibilizadoe intitulado Relatório para Tomadores de

De-isões. Comoopróprionomediz, esseúltimorelatórioédireionadoaostomadores

de deisões, om o objetivo de auxiliar as diretrizes ambientais e soioeonmias

globais,tendo um aráter mais polítio.

Em

2000

oIPCC apresentou umonjuntode enáriosdedesenvolvimentoglobal

(SRES)e de emissão de gases estufa e aerossóis. Esses enários foramusados omo

forçantes para as projeções numérias do lima em seu tereiro e quarto relatório.

Os SRES mostram diferentes ontextos de mudanças limátias, denominados de

A1,A2,B1eB2. Aseguirsão apresentadasalgumasaraterístiasdessesenários:

A1 é o enário que desreve um mundo futuro em que a globalização é

do-minante. Nesse enário o resimento eonmio é rápido, o populaional é

pequeno e o desenvolvimento tenológio é mais rápido e eiente. Algumas

questões paralelassão aonvergênia eonmia eultural,om uma redução

signiativaemdiferenças regionaise rendaperapita. A famíliade enários

A1 sedivide emtrês grupos que desrevem direções alternativasda mudança

tenológia no sistema energétio. Os três grupos de A1 distinguem-se por

suaênfase tenológia: intensivanousode ombustíveisfósseis(A1F1),fontes

energétias não-fósseis (A1T) ou um equilíbrio entre todas as fontes (A1B)

(não dependendo exlusivamentede uma determinadafonte de energia);

A2 é o enário que desreve um mundo futuro muito heterogêneo no qual a

(13)

Figura 1.1: Projeções globaisde emissõesantropogênias de gasesestufa

(14)

rístias são o resimento populaional alto, menor preoupação em relação

ao desenvolvimento eonmio rápido. As mudanças tenológias são mais

fragmentadas e mais lentasdoque nos outros enários;

B1 é o enário que desreve um mundo onvergente om a mesma população

global, que atinge o pio em meados do séulo

XXI

e delina em seguida.

Também oorre uma rápida mudança na estrutura eonmia mundial om

a introdução de tenologias limpas. A ênfase está em soluções globais para

sustentabilidade ambiental, eonmia e soial e inlui esforços ombinados

para odesenvolvimentode tenologia rápida;

B2éoenárioquedesreveummundonoqualaênfaseestáemsoluçõesloais

paraasustentabilidadeeonmia,soialeambiental. Éum mundoemquea

população global aumenta ontinuamente, a uma taxa inferior à do A2, om

níveis intermediários de desenvolvimento eonmio e mudança tenológia

menosrápidaemaisdiversadoquenosontextosB1eA1. Oenáriotambém

estáorientadoparaaproteçãoambientaleparaigualdadesoial,masseufoo

são em níveis loais e regionais. A mudança tenológia é mais diversa om

forteênfasenasiniiativasomunitáriaseinovaçãosoial,emlugardesoluções

globais.

Asaraterístiasde adaenário,emrelaçãoàsonentraçõesde gasesdeefeito

estufa (

SO

2

,

C0

2

,

N

2

0

e

CH

4

) apareem na gura 1.1, mostrando as diferentes onentrações destes gases nos enários SRES e suas variações no período de

2000

até

2100

.

O doumento produzido pelo GT1 é tido omo o estado da arte das pesquisas

limátias. Algunsresultadosimportantesparaopresenteestudodoúltimorelatório

divulgadopor este gruposão apresentados aseguir:

(15)

de

0, 10

°C. Esse resultado foi observado na amada de oeano que vai desde

a superfíie até

700

metros. Do alor total armazenado pelos oeanos, dois

terços desta quantidade foi observado nessa amada. Na última déadadeste

período(

1993

-

2003

)foiregistradaasmaiorestaxasdeaqueimento,mas após

2003

foi observado um resfriamentodos oeanos.

Tendêniasdediminuiçãodesalinidadenosoeanosnoperíodode

1955

a

1998

foram observadas nas altas latitudes de todos os oeanos. Já em latitudes

tropiaisesubtropiaisfoi observado tendêniasde aumentode salinidadeem

águas superiais. A diminuiçãode salinidadeé mais pronuniada nooeano

Paío,enquanto oaumentofoiobservado emmaiorintensidade nosoeanos

Atlântio e Paío.

As massas de água oeânias apresentaram mudanças signiativas de suas

propriedades. Algumasmassasdeágua doOeanoAustralsofreram um

aque-imento de

0, 17

°Centre

1950

e

1980

(Gille, 2002). Este valoré mais altodo

que o observado nos demais oeanos. Ainda assim não são observadas

mu-danças signiativas nos padrões médios da irulação oeânia. Aredita-se

quehouvealgumasmudanças navariabilidadedosetoratlântiodairulação

termohalinaemesalas interanuais e deadais.

Com relação ao avanço da modelagem numéria, o grande triunfo dos

mo-delos limátios atuais é a apaidade dos mesmos em simular o lima atual

sema neessidadede orreções de uxos. Noentanto,uma deriva sistemátia

nas omponentes oeânias desses modelos ainda pode oorrer. Isso aontee

basiamente pelo desaoplamento das troas de alor, água e momento entre

o oeano e a atmosfera. Uma das prinipais impliações da deriva limátia

observada nas simulaçõesnumériasé aambiguidade emdenir oestado

(16)

Umoutroganhodamodelagemnumériaéorenamentodasresoluções

espai-ais. Esteganhoderesoluçãoestáintimamenteligadoaoavançoomputaional,

permitindo proessamentos mais eientes e maior apaidade de

armazena-mento. A gura1.2mostraoganhode resolução espaialpelosmodelos desde

a publiação do primeiro de avaliação do IPCC em

1990

(

∼

500 km

) até a

publiação do 4RA IPCC (

∼

110 km

). Ainda assim, muitos dos proessos

físiosqueontrolamolimanãosão melhoresrepresentadossomenteomum

renamento das grades numérias, mas sim om uma formulação físia mais

(17)

Figura 1.2: Resolução espaial dasdiferentes gerações dosmodeloslimátios

utilizadosnos relatórios doIPCC. Assiglas indiam oprimeiro, segundo,tereiroe

quarto relatóriode avaliação. FAR (IPCC,

1990

),SAR (IPCC,

1996

), TAR (IPCC,

(18)

1.2 Região de Estudo

Aregiãode interessenopresenteestudoéoOeanoAtlântioSul eosetorAtlântio

doOeanoAustral. Asaraterístias,adesrição eaimportâniadessasáreaspara

olima global são apresentadas a seguir.

1.2.1 Oeano Atlântio Sul

O Oeano Atlântio Sul está ompreendido entre as longitudes

70

°W a

30

°E, e

entre as latitudes

0

°N a

70

°S.Desde a expedição alemã Meteor em

1925

, o Oeano

Atlântio Sul tem sido uma região de grande interesse nas pesquisas limátias e

oeanográas. Partiularmente, nos últimos anos, tem-se aprendido muito sobre

a irulação superial do Atlântio Sul. Contudo, as informações publiadas até

o presente estão longe de nos trazer o total onheimento sobre a dinâmia e a

variabilidade doAtlântio Sul.

Emregiõessubtropiaisairulaçãooeâniadegrandeesalaédeterminadapor

um giroantiilnio, em resposta atensão de isalhamento que osventos exerem

junto à superfíie. Essa irulação reebe o nome de giro Subtropial do Atlântio

Sul, e é responsável pela maior parte da irulação de superfíie do Atlântio Sul

(gura 1.3). Esse giro antiilnioé formado pela Corrente de Benguela (CBG) a

leste, Corrente Sul Equatorial (CSE) ao norte, Corrente do Brasil (CB) a oeste, e

CorrentedoAtlântio Sul (CAS)ao sul. Alémdessas quatro prinipaisorrentes, o

giroébastanteinueniadopelaCorrentedasMalvinas(CM),Correntedas Agulhas

(CA) epelaCorrenteCirumpolarAntártia (CCA). OGiroSubtropial do

Atlân-tio Sul é delimitado zonalmente pelos ontinentes afriano a leste e ameriano a

oeste,emeridionalmentepelooeanoAustralepeloequador(Peterson& Stramma,

1991).

(19)

araterísti-Giro Subtropical

Corrente Sul Equatorial

Corrente

do Brasil

Corrente das

Malvinas

Corrente

Circumpolar

Antártica

Corrente

das Agulhas

Corrente

de Benguela

Corrente do Atlântico Sul

Figura 1.3: Diagrama esquemátiorepresentando a irulação de superfíie no

(20)

as e propriedades bem difereniadas dos demais oeanos. Segundo Bryan (1962);

Holfort & Siedler (2001), o Atlântio Sul seria o únio oeano om transporte de

alor em direção as baixas latitudes. Isso pode ser expliado devido à formação

de massas de águas profundas oorrerprinipalmenteno Hemisfério Norte. Assim,

o Atlântio Sul serviria omo um anal ondutor para as águas profundas e frias

em direção aos demais oeanos. Por sua vez, as águas provindas da Corrente Sul

Equatorial ompensariam parialmente o transporte om direção ao sul das águas

profundasdo Atlântio Norte. Esse transporte atravésdo equador faz parte do

sis-temade irulaçãotermohalinaglobalhamadode inturãotermohalino (Gordon,

1986). Essa irulação é gerada pelas diferenças de densidade e foi desrita, entre

outros, por Broeker (1991). Ela é uma das áreas de pesquisas denida omo

ien-tiamente relevante para a manutenção do lima, sendo o oeano Atlântio uma

peça fundamental nesta irulação (Campos et al.,2001). Sua importâniadeve-se

aapaidade damesmaemmovimentargrandes quantidadesde energia térmiaao

redorde todoo globo.

Com relação aos níveis profundos dos oeanos, é esta irulação que garante a

manutenção ouaté mesmo aspossíveis variaçõesdas araterístiastérmiasdesses

níveis. Omovimentovertialéumaimportantearaterístiadestairulação,sendo

as regiões polares do oeano Atlântio as prinipais responsáveis pela formação de

águaprofunda. Deste modoooeanoAtlântioatua omoum ondutor,atravésdo

qual águas mais densas são introduzidas nos demais oeanos através da irulação

termohalina.

A irulação termohalinaestá dividida basiamenteem dois ramos (gura1.4):

umramo superialque transportaáguasmais quentes, menossalinaseom menos

oxigênio, e outro mais profundo om águas mais frias, salinas, e om muito mais

oxigênio. A veloidade destas orrentes é de era de

1 cm

· s

−

1

e através dela

(21)

Figura 1.4: Figura adaptada de Houghton etal. (2001),esquematizando a

(22)

Oeano Atlântio fosse reilada. Esta irulação faz dooeano Atlântio Sul uma

baiabastantepeuliar. Enquantoamédiazonalglobaldouxode alormeridional

portodos osoeanos éemdireçãoaos pólosepratiamentesimétriaemrelaçãoao

equador,ouxode alornoAtlântio Sulsedánosentido norteatravésdalinhado

equadorHolfort& Siedler(2001). Ganahaud & Wunsh(2000)quantiaramesse

transporteapartirdosdadosobservaionaisdoWorldOeanCirulationExperiment

(WOCE),eseusvalorespodemservistosnagura1.5(a). Nessa gura,naregiãodo

Atlântio Sul observa-se um transporte de alor predominanteemdireçãoàsbaixas

latitudes.

O Oeano Austral

OOeanoAustraltem omolimitesuloContinenteAntártioeseu limitenorteéa

FrenteSubtropial. A região doOeanoAustral engloba oMar de Amundsen, Mar

de Bellingshausen, Mar de Ross, Mar de Weddell, parte do Mar da Sotia e parte

daPassagemde Drake. Este oeano apresenta araterístiasbastantepartiulares,

tais omo: pequenas diferenças de temperatura entre a superfíie e o fundo, não

ultrapassando

5

°C, pequena variação de densidade ao longo da oluna de água, e

também tem-se que a força gradiente de pressão é bastante homogênea em toda

oluna de água. Com isso as orrentes geostróas não estão restritas às amadas

superiores, estendendo-se à grandes profundidades, predominando uma dinâmia

barotrópia.

Uma outra importante araterístia desse oeano é que ele funiona omo o

prinipal meio pelo qual oorrem as troas de energia, alor e massa entre as três

baias oeânias, fazendo também a ligação dos ramos superiores e inferiores da

irulação termohalina global. O afundamento de águas mais densas no Oeano

Austral ontribui signiativamente para a formação do ramo inferior dessa

(23)

(a) Transportedealor

(b) Transportedemassa

Figura1.5: Transporte médiode alor (1.5(a)) no oeano (em

PW

=

10

15 _W

) e

transporte de massamédio(1.5(b)) alulados a partir dosdados do WOCE.As

setasindiam a direção dotransporte eos númerosos respetivos valores. Figura

(24)

OeanoAustral, destaa-seaCorrenteCirumpolarAntártia(CCA).Esta onsiste

de um uxo geostróo que irunda o ontinente Antártio de oeste para leste e

é a prinipal ligação entre as grandes baias oeânias (Oeano Atlântio, Oeano

Paío eo OeanoÍndio).

OOeanoAustralpossuiumaimportâniaúniaparaosistemalimátioglobal.

Seusetoratlântioétidoomoamaiorregiãodeperdadealordosoeanos,sendode

extrema importânianairulação termohalina global. Essa perda de alor resulta

em águas frias e em uma irulação profunda, uma alta absorção de

CO

2

e outros gases atmosférios, partiularmente via águas intermediárias (Sabine et al., 2004).

É nesse setor que são formadas as massas de água om as maioresdensidades, que

são responsáveis por ventilar as regiões abissais dos oeanos, tais omo a Água de

Fundo Antártia.

O Oeano Austral está submetido à um forte regime de ventos zonais, sendo

araterizado por um grande transporte oeânio via CCA, o qual atinge

∼

135

sverdrups naPassagemde Drake (Cunningham et al.,2003).

1.2.2 Massas de Água

Foivistoquegrandesorposdeágua,referidosomomassadeágua,sãoidentiados

nosoeanosdevidoàssuaspropriedadesfísio-químiasbastantearaterístias. Em

oeanograaumamassadeáguaéaraterizadaatravésdeseusíndiestermohalinos

(temperatura e salinidade). Elas adquirem essas araterístias termohalinas em

suas regiões de formação e são advetadas pelos sistemas regionais de orrentes

oeânias. Algumas araterístias adquiridas em sua formação são onsideradas

onservativas,tornando possívelidentiarelassiar asdiferentes massasdeágua

presente em todos os oeanos. Uma denição rigorosa desse oneito é: um orpo

de água om história de formação omum e originadade uma região partiular do

(25)

Tomzak (1999) destaa três proessos físios envolvidos na formação de uma

determinadamassa de água: onveção,subdução emistura emsub-superfíie.

Conveção: nesseproessoáguassuperioresaumentamsuadensidade,devido

àevaporaçãoouresfriamentodaáguade superfíie, fazendoom queoorra o

afundamentodelaspara níveisemqueo equilíbriohidrostátioseja

restabele-ido. Dessa forma esse é um proesso não hidrostátio, sendo as veloidades

horizontale vertial damesma ordem de magnitude. Após formada, amassa

de água é transportada pelo sistema de orrentes loais. A homogeinização

dessanovaáguaéfeitaporproessosde misturanaregiãodeonveção,oque

resultaempropriedadesextremamenteuniformes poruma largafaixa de

pro-fundidade. Mediçõesdiretasdessefenmenosão bastantedifíeisnos oeanos,

prinipalmente devido às pequenas esalas horizontais envolvidas. A

onve-ção éo proesso araterístioenvolvidonaformação de águas profundas e

águas de fundo.

Subdução: esse é um proesso que resulta da ação do vento om o

resfria-mentoda superfíieoeânia. Quando oorre aonvergênia de duas orrente

geradaspelovento, tem-se um bombeamento de Ekman negativo (sentido ao

fundo), fazendo om que essa água afunde ao longo de superfíies isopinais.

Esse movimentoemsentido aofundo éextremamentelento,sendo muitas

ve-zes ultrapassadopeloespaçamentodaamadade misturadurante oinverno e

fazendoomquesejammisturadasdevidoaoresfriamentodas amadas

super-iais. Duranteaprimaveraquandooolunadeáguaestámaisestratiada,a

amadademisturaéisolada,oupandoumapequenaamadaquentena

super-fíie. ComobombeamentodeEkmannegativoatuando,eledesloaáguapara

regiõesprofundasepara foradoalanedaamadademisturadopróximo

(26)

ção de águas entrais e depois veriado por Williams et al. (1995), entre

outros. Tomzak & Godfrey (1994) atribuem a esse proesso a formação de

águas intermediárias emregiõesde altas latitudes. As águas formadas por

este proesso são araterizadas pelas baixas salinidades e tambémpor serem

saturadas emoxigênio.

Mistura em subsuperfíie: nesse proesso, ao ontrário dos demais, não

estão envolvidas as troas entre o oeano e a atmosfera. Também não é tão

omum quanto os proessos itados anteriormente. É um meanismo

deor-rente doenontrodeduas oumais diferentes massas deágua quesemisturam

ompletamenteadquirindopropriedadestotalmentediferentesdasmassas

on-tribuintes. Essareémformadamassadeáguaseespalhapelooeanoenquanto

éadvetadapelas orrentesoeânias. Aáguairumpolaré

predominante-mente formadapelamisturaem subsuperfíie(Thompson & Edwards, 1981).

Na prátia, a formação de uma massa de água não oorre exlusivamente por

apenas um dos proessos físios aima desritos e sim por uma ombinação dos

mesmos(Ribbe,2001; Santoso & England,2008). Depoisde formadasasmassasde

água tendema aomodar-seao longo daoluna de água de modo a estabeleer um

equilíbrio hidrostátio. Após esse proesso a massa de água não tem mais ontato

om a atmosfera,permitindoque elapreserve asaraterístias adquiridasdurante

sua formação.

Nesse estudo serão abordadas três massas de água que possuem uma grande

importânia na manutenção e variabilidade limátia global. São elas: Água

In-termediária Antártia (AIA), Água Profunda Cirumpolar(CDW, dá sigla

em inglês referente à Cirumpolar Deep Water) e a Água de Fundo Antártia

(AFA) (gura 1.6). A formação e irulação dessas três massas de água são um

(27)

A seguir enontra-se uma desrição mais detalhada das mesmas:

Água Intermediária Antártia - AIA

A AIA, além da região de sua formação, é enontrada aproximadamente entre as

profundidades de

600

-

1000

metros, hegando até

1200

metros. Seus índies

ter-mohalinos segundo Sverdrup et al. (1942) variam entre

3

e

6

°C para temperatura

e entre

34, 2

e

34, 6

h

para salinidade. Essa massa de água é enontrada em todos

os setores do Oeano Austral ao norte da Frente Polar Antártia. Ela se espalha

pelo oeano em amadas intermediárias (

∼

1000

metros), atingindo até mesmo o

Atlântio Norte porvoltade

30

°N (Pikard & Emery, 1982). AAIA pode ser

iden-tiadaemobservaçõesassoiada àumvalormínimode salinidade(Sørensenetal.,

2001). Seu proesso de formação é bastante omplexo e ainda não é totalmente

ompreendido pela omunidade oeanográa (MCartney, 1977; Molinelli, 1981),

mas é atribuídoàuma ombinaçãodos três proessos anteriormentedesritos.

A AIA desempenha um papel fundamental e dominante no sequestro de

CO

2

antropogênio pelo oeano e também no armazenamento e distribuição de alor

(Santoso & England,2004). De fato,estudos observaionais mostraram que a AIA

temum papelfundamentalnesseproesso (osfortes ventosemsua regiãode

forma-ção promovem atransferênia de gases entre ooeano eatmosfera) e alor (Sabine

et al., 2004; Gille, 2002). Daí segue a importânia de entender e quantiar os

meanismosde variabilidade dessa massa de água.

Água Profunda Cirumpolar - CDW

ACDW representa omaior volume de águado OeanoAustrale éuma misturada

ÁguaProfunda doAtlântioNorte (APAN),daÁguadeFundo Antártia,daÁgua

Intermediária Antártia e também de águas profundas reiruladas do Índio e do

(28)

AFA

CDW

AIA

Figura1.6: Representação esquemátia da irulação dasmassasde água do Oeano

Austral. PF, Frente Polar;SAF, Frente Subantártia; STF, FrenteSubtropial.

Retiradode Speer etal. (2000).

(UCDW) e ramo inferior (LUCW). O seu ramo superior ontribui na formação da

AIA, enquanto o inferior ontribui naformação da AFA (Sloyan & Rintoul, 2001).

Nopresente estudoaCDWé onsideradanasua totalidade, enão divididaemdois

ramos. A prinipal araterístia da CDW são os seus altos valores de salinidade,

entre

34, 70

e

34, 74

h

, podendoser enontrada entre asprofundidades de

1000

até

3000

metros.

Água de Fundo Antártia - AFA

A AFA é enontrada emtodas as baias oeânias, sendo onsiderada a água mais

omum no mundo (Brown et al., 1989). Seus índies termohalinos são

temperatu-ras inferiores a

2

°C e salinidades menores do que

34, 86

h

. Sua formação oorre

durante o inverno ao redor do ontinente Antártio, partiularmentenos mares de

Weddel e Ross. Após formada ela ui em direção ao norte e ao alançar o

(29)

2008). AvariabilidadedaAFApossuigrandeinuênianaestabilidadedairulação

termohalina,e om issonavariabilidadede mais baixafrequênia dolima.

O proesso de formação da AFA, ao ontrário da formação da AIA, já é bem

onheido e desrito, entre outros, por Orsi (1999); Foldvik et al. (2004). Já a

sua representação por modelos de irulação geral ainda é bastante limitada, pois

implia em ter uma representação realístias de proessos de plataforma de gelo

e proessos onvetivos. Até hoje nenhum modelo limátio foi apaz de simular

orretamente as propriedades dos fundos do oeano (Santoso & England, 2008).

A diuldade dessa questão está no fato deles representarem as águas profundas

omo não sendo suientemente densas e tambémsendo pouo salinas. Uma outra

diuldade se deve a grande esala de tempo envolvida na variabilidade da AFA.

Para uma melhor simulação é neessário integrações numérias om períodos da

ordem de entenas de anos, o que atualmente só é possível em resoluções espaiais

bem baixas.

1.3 Objetivos

Em vista da importânia do Oeano Austral e prinipalmente do setor Atlântio

dele, o presente estudo visa desrever a variabilidade espaço-temporal das massas

deáguadessesoeanos. Oobjetivoaquiéidentiar,araterizar(viaDiagramasde

Estadoeseçõesvertiais)eanalisararepresentaçãodetrêsprinipaismassasdeágua

nosmodeloslimátiosutilizadosparaaelaboraçãodo

4

°RelatórioAnualdoIPCC.

As massas de água são: Água Intermediária Antártia (AIA), Água Cirumpolar

Antártia (CDW) e a Água de Fundo Antártia (AFA). Uma vez identiadas,

é analisada a variabilidade das estruturas termohalinas (via Funções Ortogonais

Empírias) dessas massas de água, bem omo suas tendênias temporais ao longo

(30)

Material e Métodos

Nesse apítulo são desritos os modelos limátios globais utilizados, bem omo

os enários limátios para os quais foram realizadas as simulações numérias. É

feita uma rápida desrição dos dados observaionais que foram utilizados para a

omparação om os resultados dos modelos. Também enontra-se desrita nesse

apítulo a metodologia adotada no trabalho, tais omo as análises estatístias e

outrasferramentas de análise.

2.1 Os Dados

Osdadosutilizadosnessetrabalhosão resultadosde simulaçõesnumériasom

mo-delos limátiosaoplados usadosno desenvolvimento do

4

° Relatório de Avaliação

do IPCC (Intergovernamental Panel on Climate Change). Essas simulações levam

em onta diferentes enários de aqueimento global em função do aumento na

li-beração de gases estufa. Am de averiguar o quão próximos esses modelos estão

da realidade, os resultados numérios são omparados aos dados observaionais do

(31)

2.1.1 Cenários de Simulação

OIPCC emseu tereirorelatóriodivulgadonoano de

2001

(MCarthy, 2001)

esta-beleeu enários de desenvolvimento mundiais que serviriam omo padrão nas

for-çantes utilizadasnosmodeloslimátiosatuais. Para esseestudoserãoonsideradas

assimulaçõesque levamem onsideraçãoos dois seguintes enários:

203m: Essa simulação é iniiada a partir do último ano de uma integração

de ontrole denotada de pintrl. Essa simulaçãode ontrole utiliza os dados

oeânios de temperaturaesalinidadedalimatologiaLevitus (Levitus, 1982)

omoondiçõesiniiais. Já a omponenteatmosfériaé iniializadaom uma

onentração xa de gases estufa, representando a onentração do período

pré-industrial (

1870

),

348 ppmv

. Essa simulação é rodada para um período

de

100

anos(

1761

-

1860

). A simulaçãoparaoséulo

XX

(Climate of the

20

th

Century experiment - 203m) onsiste de um esquema de

5

ensembles, em

queseutilizaamédiadosensembles paraeliminaradependêniade ondições

iniiaise variabilidade interna. Cada rodada obre o períodoque vai de

1850

até

2000

.

Osagentes forçantes nesseexperimentoinluemosregistroshistóriosdegases

estufa (

CO

2

,

CH

4

,

N

2

O

e

CFC

s

), sulfatos troposférios, atividadesvulânias eforçantes solares(Yukimoto& Kodera,2005). Asonentraçõesdessesgases

nesse enário é baseado nos registros histórios de Hansen et al. (1998). O

propósito desse enárioéreproduzirdamaneiramais realistapossívelo lima

doiníio doséulo

XX

até oano de

2000

.

1ptto2x: O enário

1

% per year

CO

2

inrease experiment (to doubling) busafazerumaprojeçãodolima omasonentraçõesde

CO

2

aumentando a uma taxa de

1

% ao ano até atingir um nível ujo valor é o dobro da

(32)

orresponde àquele do ano de

1870

. A onentração de todos os gases estufa

é mantida onstante (

CH

4

=

1650 ppmv

,

N

2

O

=

306 ppbv

, onstante solar

=

1367 W.m

2

),omexeçãodogásarbnio(

CO

2

),ujaonentraçãoiniial

éde

348 ppmv

eatinge

696 ppmv

aonal daintegração.

2.1.2 Portal de dados: PCMDI

OWorldClimateResearhProgramme(WCRP)atravésdoportaldedadosProgram

forClimateModelDiagnosisandInteromparison(PCMDI-www-pmdi.llnl.gov/ip/a bout _ip .ph p)

organizaedisponibilizamaisde

35

terabytes de dadoslimátiosresultantes de

saí-das de modelos limátios globais de última geração (Meehl et al., 2007). Um dos

objetivosdessainiiativaédeserviromodivulgador/servidordosdadosqueservem

para arealização das análisese projeções feitaspelos Working Group

1

do IPCC.

2.1.3 Modelos Climátios Globais

O PCMDI disponibiliza a saída dos resultados de

23

diferentes modelos limátios

om

12

diferentes enários de emissão de gases estufa. Dentre os enários de

emis-sãode gases estufa utilizadosnesse estudo,não sãotodososmodelos numériosque

disponibilizamsuas saídas para tais enários. Para tanto foram esolhidos quatro

modelos utilizados na realização do 4RA do IPCC que possuem as saídas para os

dois enários de interesse que são apresentados a seguir. Todos os modelos

esolhi-dos, emsuas omponentes oeânias utilizamasequaçõesprimitivasdomovimento

onsiderandoas aproximações hidrostátiae de Boussinesq (equação2.1).

D

~

v

o

Dt

+

f

(

~

k

×

~

v

o

) = −

1 ρ

w

h

~

∇

H

(

p

+

ρ

w

gη

) +

~

F

H

+

~

F

V

i

,

(2.1)

(33)

apressãointerna,

g

éaaeleração devidoà gravidadee

η

é aelevaçãodasuperfíie

livre do oeano.

~

F

H

e

~

F

V

são parametrizações para as forças de atrito horizontal e vertialrespetivamente. Aveloidadevertialéobtidaapartirdoampohorizontal

de veloidade,assumindo a ondição de uidoinompressível (equação2.2).

∂w

o

∂z

= −

∇

~

H

· ~

v

o

(2.2)

A temperatura potenial(

θ

) ea salinidade(

S

) obedeem as equações de

adveção-difusão (equações 2.3, 2.4):

∂θ

∂t

=

∇

~

H

· K

∇

~

H

θ

(2.3)

∂S

∂t

=

∇

~

H

· K

∇

~

H

S

,

(2.4)

em que

K

é um tensor utilizado na parametrização horizontal/vertial da difusão.

Detalhesdosdemaismodeloseenáriossão dadosporMeehletal.(2007). Aseguir,

segue uma brevedesrição dos quatro modelos adotados nesse estudo.

GFDL-CM2.1

O modelo limátio GFDL-CM2.1 é desenvolvido e mantido pelo NOAA's

Ge-ophysialFluid Dynamis Laboratory (GFDL) daUniversidade de Prineton. Ele é

ompostodequatroomponentesquesimulamaterra/biosfera,ariosfera,a

atmos-feraeooeano. Aresoluçãohorizontaldomodeloatmosférioéde

2, 5

°delongitude

por

2, 0

° latitude, om

24

níveis vertiais. Algumas das inovações mais marantes

dessaúltimaversãodomodeloatmosférioéavariaçãodaradiaçãosolaraolongodo

dia. Essa novaformulaçãopermiteumtratamentoexplíitodediversosgasestraços,

taisomo oznio,aerossóis naturais(vulânios) e atropogênios (arbono negro) e

partíulas de pó. Uma desrição ompleta e detalhada da omponente atmosféria

édada porDelworth et al.(2006).

A omponente oeânia (Gnanadesikan et al., 2006; Gries et al., 2005) do

(34)

diminuindo meridionalmenteem direção aos trópios, hegando a

1/3

° próximo ao

equador. Possui

50

níveis vertiais om

22

níveis equi-espaçados (

10

metros) nos

primeiros

220

metrosde olunade água.

O aoplamentoentre o oeano e atmosfera oorre emum intervalo de duas

ho-ras, aoplando o ilo diurno da atmosfera e do oeano (Knutson et al., 2006).

Vale ressaltar que esse modelo não emprega orreções de uxos. O resultado

-nal do GFDL-CM2.1 é disponibilizado em uma grade regular om

200

pontos de

latitude,

360

de longitude e

50

níveis vertiais para o oeano. Maiores

informa-ções sobre adisponibilização eformatos de saída desse modelo são enontradas em

http://nomads.gfdl.noaa.gov /CM2 .X/.

IPSL-CM4 V1

Omodelolimátioaoplado IPSL-CM4V1(Marti etal.,2006)édesenvolvidopelo

Institut Pierre SimonLaplae (IPSL)naFrança. Umdos prinipaisobjetivosdessa

iniiativa é entender as omplexas interações entre a atmosfera, oeano, gelo

mari-nho,superfíieterrestreeglaiares,etambémomoosdiferentes aoplamentos

des-ses ompartimentos podem modular a variabilidade limátia natural e

antropogê-nia(viaemissãodegasesestufa). Comessepropósito,omodeloIPSL-CM4é

desen-volvido omoum onjunto de quatro modelos, ada um representando um

ompar-timento limátio. Cada omponentepode ser utilizadaseparadamente ouem

on-juntoomasdemais. Aomponenteoeânia,denominadaORCA,apresentao

oe-anodividoem

31

amadas,sendo osprimeiros

100 m

de olunade água

representa-dospor

10

amadas. Osníveismaisaltosrepresentam profundidadesdeaté

5000 m

.

Tanto a omponente oeânia quanto a atmosféria apresentam uma grade regular

eomresoluçãohorizontalde

2

◦

_×

₂

◦

. Maioresinformaçõessobreessemodelopodem

serenontradasemhttp://dods.ipsl.jussieu. fr/o mam e/IP SLCM 4/D oIP SLCM 4/HT ML/.

(35)

om

180

pontos de longitude,

170

pontos latitude e

31

níveis vertiais no oeano.

Esse modelo também não utilizaorreções eajustes de uxo.

MIROC3.2-hires

O Modelo de Pesquisa Interdisiplinar do Clima (Model for Interdisiplinary

Rese-arh on Climate -MIROC) é um projetomantido pelos Center for Climate System

Researh (CCSR), Universidade de Tóquio, National Institute for Environmental

Studies (NIES) epeloFrontier Researh Center forGlobalChange (FRCGC). Esse

modelo onsiste de 5 omponentes: atmosfera, terra, rios, gelo marinho e oeano.

A interação entre essas omponentes oorre por um aoplador de uxos. As troas

entre a atmosfera e o oeano oorrem exlusivamente através da atmosfera e do

gelo marinho e não diretamente entre a atmosfera e o oeano (Hasumi & Emori,

2004). A omponente oeânia desse modelo é o CCSR Oean Component Model

(COCO).Essa omponenteinteragesomente omo gelomarinho. Esse modelo

uti-lizaasequaçõesprimitivasdomovimentoemumaesfera, adotandoasaproximações

hidrostátias e de Boussinesq. Apresenta resolução horizontal zonal de

0, 28125

◦

e

meridionalde

0, 1875

◦

om

47

amadasvertiais que vãoda superfíieaté o fundo.

O intervalo de tempo entre as integrações é de três segundos para as equações do

modo barolínio e três minutos para as demais. Uma desrição ompleta e

deta-lhada é dada por Hasumi & Emori (2004). O resultado nal do MIROC3.2-hires é

disponibilizadoemuma resolução horizontalom

320 ×

320

pontose om

33

níveis

vertiais para o oeano.

ECHAM5/MPI-OM

O modelo limátio aoplado ECHAM5/MPI-OM é desenvolvido pelo Max-Plank

Institute demeteorologiadeHamburgo. Asduasomponentesdomodelo,ECHAM5

(36)

2003; Roekner et al.,2003). Dentre os modelosde estudo esse é únio queontêm

apenas duas omponentes. O ECHAM5 possui uma resolução horizontal

T63

e

31

níveis vertiais híbridos om o nível mais alto a

10 hPa

. O modelo oeânio

MPI-OM é um modelo de equações primitivas de oordenadas

z

. A resolução é maior,

O

(

20 −

40km

)

,emregiõesde formaçãode águaprofunda(MardeLabrador,Marda

GroenlândiaeMardeWeddell). Aolongodoequadoraresoluçãomeridionaléera

de

0, 5

◦

. Existem

40

amadas vertiais om uma espessura variando de

10

metros

próximo à superfíie e

600

metros próximo ao fundo. O resultado nal do

MPI-OM/ECHAM5é disponibilizadoemumagrade regularomresolução horizontalde

1

◦

_×

₁

◦

e

40

níveis vertiais.

A tabela2.1mostra um resumo das saídas dos modelos aqui utilizados.

₄₀

Roekner et al.(2003)

2.1.4 Dados Observaionais

OWorldOeanAtlas 2005 WOA05(Loarninietal.,2005)éumonjuntode dados

observaionaismantidopeloOeanClimateLaboratory(OCL)sendodisponibilizado

através do National Oeanographi Data Center (NODC). Ele onsta de dados de

temperatura, salinidade, oxigênio dissolvido, nutrientes, lorola, ente outros. Os

(37)

omunidade ientía os dados sofreram um tratamento através de proedimentos

de análise objetiva. Devido à ausênia de dados, muitas vezes os organizadores

doAtlasutilizaram-sede interpolaçõespolinomiaisde modoaompletaruma grade

regular. OWOA05édisponibilizadoatravésdeumalimatologiamensaleapresenta

uma resolução espaialde

1

°

×

1

° em

33

níveis vertiais.

2.2 Metodologia

As variáveis analisadas são: temperatura potenial(

θ

) do oeano e salinidade

σ

θ

). Comooobjetivodesseestudonãoéinvestigaravariabilidadedealtafrequênia optou-se por trabalhar om médias anuais, apesar das saídas estarem em médias

mensais. Feito isto as variáveis são analisadas através de diagramas de estado,

seções vertiais longitudinais médias e de mapas ao longo de superfíies isopinais

quearaterizam asmassas de água de interesse.

2.2.1 Estatístia Básia

Com o intuito de averiguar a onabilidade dos resultados numérios foi alulado

o erro quadrátio médio (

RMSE

) entre ada modelo e os dados observaionais

(equação2.5).

RMSE

=

v

u

t

n

P

i

=

1

(

F

i

−

Obs

)

2

n

(2.5)

Emque

F

i

éai-ésima medidaanualdomodelo,

Obs

émédialimatológiadosdados observaionais e

n

é número de anos da série temporal. Essa medida nos permite

(38)

Para a análise das tendênias das séries temporais foi utilizada a regressão

linear. Dada uma série temporal de uma variável

y

, para se obter a tendênia

linearbusam-se funçõesquepassemomais próximopossíveldos pontosdados. Os

oeientes dessa função forneem respostas relativas às tendênias dos dados em

funçãodotempo. Porexemplo, seafunçãoenontradaquemelhorseaproximados

pontosdados for uma reta (

y

=

a

+

bx

) então, ooeienteangular

b

dela fornee

a informação de o quanto essa reta rese om o tempo, ou seja, sua tendênia de

resimento.

Para oálulodaregressão linearéutilizadoométodo dos mínimos

quadra-dos, oqual pode utilizardiferentes urvas,tais omo:

y

=

a

+

bx

y

=

a

+

bx

+

cx

2

Para se obter a reta dos mínimos quadrados basta resolver o sistema linear de

duas equações e duas inógnitas

a

e

b

:







n

P

i

=

1

x

i

n

P

i

=

1

x

i

n

P

i

=

1

x

2 i







·







a

b







=







n

P

i

=

1

y

i

n

P

i

=

1

x

i

y

i







,

(2.6)

podendoser resolvidopelaregra de Cramer:

b

=

n

·

n

P

i

=

1

x

i

y

i

−

n

P

i

=

1

x

i

n

P

i

=

1

y

i

n

·

n

P

i

=

1

x

2 i

−

n

P

i

=

1

x

i

!

2

(2.7)

a

=

n

P

i

=

1

x

2 i

n

P

i

=

1

y

i

−

n

P

i

=

1

x

i

y

i

n

P

i

=

1

x

i

n

·

n

P

i

=

1

x

2 i

−

n

P

i

=

1

x

i

!

2

(2.8)

2.2.2 Funções Ortogonais Empírias

(39)

alOrthogonalFuntions -EOF),tambémonheidoomoAnálisedeComponentes

Prinipais. Essa ténia é utilizadapara se obter os prinipais modos espaiais de

variabilidade,sua variação notempoe aquantiação daimportâniarelativa

des-ses padrões (Venegas, 2000; Bjornsson & Venegas, 1997). Nesse método busa-se

enontrarum novoonjuntodevariáveisapazde"apturar"omáximodavariânia

observada dos dados a partir de uma ombinaçãolinear das variáveis originais. O

métodojáfoiexaustivamenteutilizadoemestudoslimátiosedesriçõesmais

om-pletas,desdeoseudesenvolvimentonumérioatésuaapliabilidadesãoenontradas

em Jollie (1986); Wilks (1995); von Storh & Zwiers (2002). Em linhas gerais, a

EOFserveparareduzirumonjuntodedadosomgrandenúmerode variáveispara

umonjuntomenordenovasvariáveisquerepresenteumagrandefraçãodavariânia

ontida noonjuntooriginal.

Suponha-se medidas de erta variável (onde a média foi retirada da série) em

determinado loal

x

1

, x

2

, . . . , x

p

, nos tempos

t

1

, t

2

, . . . , t

n

, dispostas numa matriz

F

, de forma que ada oluna tem média zero. Para ada tempo

t

j

(

j

=

1, . . . , n

)

assoia-seas medidasde

x

i

omoum ampo

F

.

F

=







x

11

x

12

. . . x

1p

x

21

x

22

. . . x

2p

. . . . . . . . . . . .

x

n1

x

n2

. . . x

np







(2.9)

Calula-se, primeiramente, a matrizovariânia(

R

) de

F

,

R

=

F

t

F

(2.10)

e,posteriormente, resolve-se o problema dos autovalores

RC

=

CΛ

,

(2.11)

(40)

C

sãoosautovetoresde

R

orrespondentes aos autovalores

λ

i

.

Λ

e

C

têm dimensões

p

×

p

.

Para ada autovalor

λ

i

esolhido, enontram-se o orrespondente autovetor

c

i

, denominadoEOF. AprimeiraEOF éo autovetor assoiado omo maiorautovalor,

a segunda EOF é assoiada om o segundo maior autovalor, subsequentemente, de

forma que os menores autovalores são tidos omo ruídos. Cada auto-valor

λ

i

, dá uma medida dafração datotal variâniaem

R

expliada pelo modo. Essa fração é

obtidadividindo-seo

λ

i

pela somade todos os outros autovalores(o traço de

Λ

). A matriz de autovetores

C

tem a propriedade da identidade

I

, isto é,

C

t

_C

₌

CC

t

₌

_I

. Isto signia que as EOF's não são orrelaionadas sobre o espaço, ou

em outras palavras, os autovetores são ortogonais entre si, originando o nome do

método Funções OrtogonaisEmpírias.

O padrão espaial obtido da EOF representa uma estrutura estaionária. Para

determinaromo a EOF1,porexemplo, osila notempo,alula-se:

~

a

1

=

F

c

~

1

.

(2.12)

As

n

omponentes do vetor

a

~

1

são as projeções do autovetor

c

~

1

na matriz o-variânia

F

dos dados. Em geral, para ada

EOF

j

alulada pode-se enontrar um

~

a

j

orrespondente. O vetor

~

a

é denominado oeiente de expansão. Como as

EOFs são ortogonaisnoespaço, osoeientes de expansão nãosão orrelaionados

no tempo, isto é, as séries temporais também são ortogonais no tempo. Pode-se

reonstruiros dados a partirdas EOFs e dos oeientes de expansão omo segue:

F

=

p

X

j

₌

1

~

a

j

(

EOF

j

)

.

(2.13)

Osautovaloresom suasomponentes EOF eos oeientes de expansão

onsti-tuem omodode variabilidade. Preisendorfer (1988); Hannahi etal.(2007)

(41)

Embora sejam bons desritores da variabilidade de um onjunto de dados, os

modos obtidos via EOFs não neessariamente onduzem às interpretações dos

pro-essos físios envolvidos no onjunto original de dados. A inuênia de diferentes

proessos físiospode estar ontida emum só modo(Tashetto, 2008). Vale

ressal-tarentãoqueestaténiarepresentaessenialmenteosmodosestatístiosenvolvidos

nos dados.

2.2.3 Cálulo da Densidade Potenial e Diagramas de Estado

Adensidade potenial(

ρ

θ

)éadensidadequeumapareladeáguadeomposição xaadquire quando émovida adiabatiamente(semtroas de alor) paraum dado

nível de pressão (

p

). Ela pode ser obtida através da equação internaional de

estado da água do mar (Millero,1980; Gill, 1982),e é função apenas da

tempe-ratura potenial, salinidade e pressão (

ρ

θ

=

ρ

θ

(

S, θ, p

)

). O método numério para o álulo dadensidade potenialé denido pelo Joint Panel on Oeanographi T

a-bles and Standards (Uneso, 1980). Como seus valores são quase sempre próximos

de

1000 kg m

−

3

, a densidade potenial é usualmente expressa em termos de uma

quantidade hamada sigma-theta -

σ

θ

- que nada mais é que

σ

θ

=

ρ

θ

−

1000

. Em oeanograa,linhas de densidade potenialonstante são hamadasde isopinais.

Nessetrabalhoanotação

σ

27,2

seráutilizadapara referir-seaisopinaldedensidade potenialde

as urvas de densidade potenial onstantes (isopinal). Cada ponto

(

S, θ

)

desse

diagrama é denominado omo um tipo de água, enquanto uma linha/região ou

onjunto de pontos é denominada uma massa de água (Pikard & Emery, 1982).

(42)

dasmesmasforamdenidasatravésdoruzamentodasinformaçõesde temperatura,

salinidadeeisopinaldessesdiagramas. Paraadamodeloéelaboradoumdiagrama

(43)

Resultados e Disussão

Nesse apítulo são apresentados os resultados aompanhados de uma disussão dos

mesmos. Iniialmente é realizada uma validação das simulações numérias para o

enáriodoClimateof the

20

th

Centuryexperiment (203m)omosdadosdoWorld

Oean Atlas

2005

. Em seguida são mostrados osdiagramas de estado (

θ

−

S

) para

os dois enários de estudo. Através deles e das seções vertiais de salinidade são

identiados osíndies termohalinose tambémasisopinaisque araterizamada

massa de água desse estudo. Após seleionadas as isopinaisde interesse, são

mos-tradas as tendênias de temperatura, salinidade e densidade apenas para os níveis

de interesse. Para umaomparação das propriedadestermohalinas entre os

resulta-dos do séulo

XX

(

20c3m

) e o experimento 1% per year

CO

2

inrease experiment (to doubling) (

1pctto2x

) é feita a diferença entre as médias limatológias desses

enários para ada nível isopinal. Por m, é mostrado os mapas de variabilidade

datemperaturapara ada superfíieisopinal.

3.1 Dados observaionais vs. modelos

A gura 3.1 mostra o erro quadrátio médio (

RMSE

) entre a rodada

20c3m

e os

(44)

or-responde aointervalo entre as isopinais de

26, 9

e

28, 4 kg.m

−

3

. São mostradas as

diferençastanto para o ampo de temperaturaquanto para o ampo de salinidade.

Esses níveisforamesolhidos de formaa ompreender omáximo daregião oupada

pelas três massasde água envolvidas nesse estudo, a ÁguaIntermediária Antártia

(AIA),aÁgua ProfundaCirumpolar(CDW)eaÁguade FundoAntártia(AFA).

Os resultados de todos osmodelos apresentaram diferenças om relação à

limato-logia

WOA05

. Para a região do Oeano Austral o GFDL-CM2.1 foi o modelo que

apresentou asmaioresdiferençasde temperatura(gura3.1(a)) esalinidade(gura

3.1(b)), prinipalmente entre as latitudes de

60

°S e

70

°S. Já para toda a região de

estudo o modelo que apresentou os maiores erros em relação à limatologia foi o

ECHAM5/MPI-OM (guras 3.1(g), 3.1(h)). As maiores diferenças foram

enon-tradas entre as latitudes de

10

°S e

50

°S. Já o modelo MIROC3.2 (guras 3.1(e),

3.1(f)) mostrou-se bastante próximo da limatologia, onentrando os maiores

er-ros noampo de salinidadee na região do Mar de Weddel. É importante destaar

aqui que ainda que os dados da limatologia

WOA05

sejam dados observaionais,

dadosamostrados no hemisfériosule emprofundidades inferioresa

500

metros são

bem menos numerosos do que dados superiais, e muitas vezes para se ter uma

graderegular obrindo todos os níveise regiõesoeânias os organizadoresdoatlas

fazem uso de interpolações e análise objetiva (Loarnini et al., 2005). Uma outra