1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA BACHARELADO EM METEOROLOGIA
ITALO VENCESLAU BRITTO
INTERAÇÃO ENTRE OS CICLONES EXTRATROPICAIS DO HEMISFÉRIO SUL E GELOS MARINHOS NO MAR DE WEDDELL
Natal/RN Dezembro de 2017
2 INTERAÇÃO ENTRE OS CICLONES EXTRATROPICAIS DO HEMISFÉRIO SUL E
GELOS MARINHOS NO MAR DE WEDDELL
por
ITALO VENCESLAU BRITTO
Monografia apresentada à Coordenação do Curso de Meteorologia da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como requisito parcial à obtenção do Título de Bacharel em Meteorologia.
Orientador (a): Prof. Dr. David Mendes
Co-Orientador (a): Prof. Dr. Weber Andrade Gonçalves
Natal/RN Dezembro de 2017
3 Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN
Sistema de Bibliotecas - SISBI
Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Setorial Prof. Ronaldo Xavier de Arruda - CCET Britto, Italo Venceslau.
Interação entre os ciclones extratropicais do hemisfério sul e os gelos marinhos no mar de Weddell / Italo Venceslau Britto. - 2017.
37f.: il.
Monografia (Bacharelado em Meteorologia) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Ciências Exatas e da Terra. Departamento de Ciências Atmosféricas e Climáticas. Natal, RN, 2017.
Orientador: David Mendes.
Coorientador: Weber Andrade Gonçalves.
1. Atmosfera - Monografia. 2. Gelo marinho - Monografia. 3. Interação - Monografia. I. Mendes, David. II. Gonçalves, Weber Andrade. III. Título.
4 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA BACHARELADO EM METEOROLOGIA
A Monografia Interação entre os Ciclones Extratropicais do Hemisfério Sul e os Gelos Marinhos no mar de Weddell
elaborada por Italo Venceslau Britto
e aprovada por todos os membros da Banca Examinadora foi aceita pelo Colegiado do Curso de Meteorologia e homologada pelos membros da banca, como requisito parcial à obtenção do título de BACHAREL EM METEOROLOGIA
Natal, 08 de dezembro de 2017
BANCA EXAMINADORA
_________________________________________________ David Mendes (DCAC / UFRN)
_________________________________________________ Weber Andrade Gonçalves (DCAC / UFRN)
_________________________________________________ Márcio Machado Cintra (DCAC / UFRN)
_________________________________________________ Kellen Carla Lima (ECT / UFRN)
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AGRADECIMENTOS
“...até aqui nos ajudou o senhor. ” (1 Samuel 7:12). Agradeço primeiramente a Deus
pelas benções que me foram concedidas ao longo desses anos e pela oportunidade de alcançar mais uma conquista em minha vida.
Aos meus pais Edson Tenório Britto e Maria Aparecida Venceslau Britto por terem me apoiado durante essa caminhada, incentivando a vencer através do estudo e estando comigo em todos os momentos decisivos.
Ao meu irmão Igor Venceslau Britto pela força e estímulo dado desde o início do curso.
Ao professor Dr. David Mendes pela orientação, paciência e apoio incondicional na realização desse trabalho.
Ao co-orientador professor Dr. Weber Andrade Gonçalves pelos ensinamentos. A professora Dra. Maria Helena Spyrides por ter sido minha orientadora em bolsa de iniciação científica.
Aos demais professores, cujo empenho em transmitir conhecimento foi de suma importância para meu aprendizado ao longo do curso.
E também aos demais familiares, amigos e colegas de curso, em especial, Felipe
Jeferson, Francisco Agustinho, Louise Noronha, Luiz Eduardo, Luizza Beatriz, Marcos Samuel, Pollyanne Silva, Rafaela dos Santos e Wellingson Farias.
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RESUMO
Os ciclones extratropicais apresentam características que afetam todo o clima no hemisfério sul, desde sua formação até sua dissipação, sendo este sistema, alvo de estudo pelos cientistas desde o século XIX. O gelo marinho é de fundamental importância para o sistema climático global, uma vez que suas propriedades físicas influenciam nas trocas entre oceano e atmosfera. Portanto, o principal objetivo deste trabalho foi analisar as interações entre os ciclones extratropicais e a variabilidade extrema do gelo marinho no Hemisfério Sul entre o período de 1979 a 2016. Utilizou-se dados da Pressão ao Nível Médio do Mar (PNMM) com resolução espacial de 0.75 x 0.75 de ponto de grade, com resolução temporal de 6 horas, extraídos da reanálise do European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF), para o mesmo período. Além da PNMM, foram utilizados dados da altura geopotencial aos 500 hPa, vento zonal e meridional nos níveis de 1000, 850 e 500 hPa, assim como umidade relativa e especifica também para os níveis de 1000, 850 e 500 hPa. Os dados de extensão de gelo marinho foram obtidos do National Snow
and Ice Data Center (NSIDC), da Universidade do Colorado, e a concentração de
gelo marinho é derivada dos sensores Scanning Multichannel Microwave
Radiometer (SMMR), a bordo do satélite Nimbus-7, e do Special Sensor Microwave/Imager (SSM/I), a bordo do Defense Meteorological Satellite Program. Os
resultados mostraram que no verão austral, as regiões termodinâmicas mais favoráveis à formação de ciclones extratropicais encontram-se principalmente nas latitudes médias, enquanto que no inverno austral houve uma amplificação dessas áreas, e que nos mares de Weddell e Ross verificaram-se maiores anomalias positivas da concentração de gelo marinho e mais ciclogêneses.
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ABSTRACT
Extratropical cyclones present characteristics that affect the entire climate in the southern hemisphere, from its formation to its dissipation, being this system, the study's goal since the 19th century. Sea ice is of fundamental importance to the global climate system, since its physical properties influence the exchange between ocean and atmosphere. Therefore, the main objective of this work was to analyze the interactions between extratropical cyclones and the extreme variability of sea ice in the Southern Hemisphere between 1979 and 2016. Data were used at the Sea Level Medium Pressure (PNMM) with spatial resolution of 0.75° x 0.75° of grid point, with time resolution of 6 hours, extracted from the European Center for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) reanalysis, for the same period. In addition to the PNMM, data from the geopotential height at 500 hPa, zonal and southern wind at the levels of 1000, 850 and 500 hPa, as well as relative humidity were also used, and also at 1000, 850 and 500 hPa levels. Sea ice extent data were obtained from the University of Colorado's National Snow and Ice Data Center (NSIDC), and the sea ice concentration is derived from the Scanning Multichannel Microwave Radiometer (SMMR) sensors aboard the Nimbus-7 satellite , and the Special Sensor Microwave / Imager (SSM / I), aboard the Defense Meteorological Satellite Program. The results showed that in the austral summer, the thermodynamic regions more favorable to the formation of extratropical cyclones are mainly found in the average latitudes, whereas in the austral winter there was an amplification of these areas, and that in the seas of Weddell and Ross were verified more positive anomalies of the concentration of sea ice and more cyclogenesis.
8 SUMÁRIO RESUMO...6 ABSTRACT...7 LISTA DE SIGLAS...9 LISTA DE FIGURAS...10 LISTA DE TABELAS...11 1. INTRODUÇÃO...12 2. OBJETIVOS...14 3. REVISÃO DE LITERATURA...14
3.1 Ciclones Extratropicais no Hemisfério Sul...15
3.2 Interação entre ciclones extratropicais e o gelo marinho antártico...17
3.3 Condições atmosféricas e sua interação com o gelo marinho...19
4. DADOS E METODOLOGIA...21
4.1 Dados...21
4.2 Área de estudo...22
4.3 Metodologia para detecção dos ciclones extratropicais no HS...22
4.4 Metodologia para detecção das anomalias de gelo marinho antártico...23
4.5 Metodologia para detecção da análise termodinâmica...24
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO...25
6. CONCLUSÕES...31
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LISTA DE SIGLAS
AAO – Oscilação Antártica AN – América do Norte AS – América do Sul
CCAA – Corrente Circumpolar Antártica
CPTEC – Centro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos ECMWF – European Centre for Medium-Range Weather Forecasts HN – Hemisfério Norte
HS – Hemisfério Sul
IGY – International Geophysical Year IOA – Índice de Oscilação Antártica
MBA – Mares de Bellingshausen-Amundsen
MCGA – Modelo de Circulação Geral da Atmosfera MW – Mar de Weddell
NCAR – National Center for Atmospheric Research NCEP – National Center for Environmental Prediction NCIDC – National Snow and Ice Data Center
NDV – Nível de Divergência Nula
PNMM – Pressão ao Nível Médio do Mar
SMMR – Scanning Multichannel Microwave Radiometer SSM/I – Special Sensor Microwave/Imager
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Densidade de ciclogêneses no Hemisfério Sul, em meses de AAO positiva e negativa. A) Inverno positivo; b) Inverno negativo; c) Verão positivo; d) Verão negativo. Intervalo de contorno é 2×10−3 (graus lat)−2... . 16
Figura 2: Densidade de ciclones. Fonte: Simmonds e Keay (2000). a) Inverno autral; b) Verão autral...17
Figura 3: Mares do oceano Austral (modificado de Cavalieri e Parkinson, 2008). .... 22
Figura 4: Variância da temperatura potencial no nível de 850 hPa (K2) e vento também em 850 hPa (m/s)... ... 25
Figura 5: Variância da temperatura potencial no nível de 500 hPa (K2) e vento também em 500 hPa (m/s)... ... 26
Figura 6: Distribuição espacial do número de ciclogêneses detectadas numa área de 3×3 pontos de grade nas para uma distribuição anual desde 1979 até 2016. ... 27
Figura 7: Trajetória dos ciclones extratropicais formados no mar de Weddell. ... 28
Figura 8: Diferença da densidade de ciclogêneses anual entre anomalias positivas e negativas da concentração de gelo marinho... 29
Figura 9: Ciclo sazonal da extensão de gelo marinho para a Antártica. Unidade (Mkm2). ... 30
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Meses e anos anômalos da concentração de gelo marinho ... 24 Tabela 2: Tempo de vida dos ciclones extratropicais formados no mar de Weddell. Positivo e negativo representam as anomalias da concentração de gelo marinho de acordo com a Tabela 1. ... 29
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1. INTRODUÇÃO
Os ciclones extratropicais são sistemas meteorológicos caracterizados por uma região de circulação ciclônica em torno de um centro de baixa pressão, que se formam, intensificam e decaem nas latitudes médias e altas. A formação, também designada por ciclogênese, e o comportamento desses sistemas são objetos de estudo desde o século XIX devido a sua relevância e eficiência no transporte de calor, vapor de água e momento, bem como, ao impacto no tempo local das regiões por onde passam (GAN E SELUCHI, 2009).
O primeiro modelo conceitual e mais realista deste fenômeno só foi idealizado em 1918 por Bjerknes e Solberg (1922). A partir da análise de observações de superfície das primeiras redes de estações meteorológicas, Bjerknes e Solberg interpretaram as depressões extratropicais como perturbações ondulatórias que se propagam ao longo de uma frente (uma zona de forte gradiente de temperatura). Apesar do modelo conceitual de Bjerknes e Solberg (1922) ter sido aceite durante várias décadas, o número de estudos dedicados à identificação e compreensão dos mecanismos associados à formação e manutenção dos ciclones extratropicais não parou de aumentar. Em 1947 Sutcliffe, admitindo que para o conjunto total da atmosfera a divergência deverá ser nula, propôs a análise diferencial da divergência do vento horizontal em dois níveis, um junto à superfície e outro na alta troposfera, para identificar situações associadas a depressões (e a anticiclones). Os mecanismos dominantes para a ciclogênese à superfície, propostos por Sutcliffe (1947), incluem a advecção de vorticidade no Nível de Divergência Nula (NDN) e o aquecimento diferencial entre a superfície e o NDN.
Posteriormente, Petterssen e Smebye (1971) analisaram vários ciclones no Hemisfério Norte (HN) e evidenciaram que a hipótese da ciclogênese associada à advecção de vorticidade ciclônica, é poucas vezes satisfeita. Logo, concluíram que outros mecanismos estavam também associados à formação dos ciclones extratropicais, propondo agrupar os ciclones extratropicais em dois tipos, A e B, de acordo com os mecanismos de formação envolvidos.
As primeiras climatologias de depressões são baseadas em compilações obtidas a partir da inspeção visual de cartas sinóticas da pressão ao nível médio do mar (PETTERSSEN, 1956; KLEIN, 1957; HAYDEN, 1981).
13 Outros autores criaram métodos objetivos (automáticos) para detecção de ciclones extratropicais, entre os quais Murray e Simmonds (1991); Sinclair (1994); Trigo et al. (1999), Mendes et al. (2007), entre outros. Em todos os casos mencionados, os algoritmos desenvolvidos buscaram encontrar mínimos (máximos) em campos de pressão ou geopotencial (vorticidade) perto da superfície. Para tanto, fizeram uso de dados geralmente extraídos de reanálises com diferentes resoluções temporais e espaciais, destacando-se as reanálises do National Center for
Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research (NCEP/NCAR)
e as do European Centre for Medium Range Weather Forecasts (ECMWF).
Outros fatores importantes e que modulam os ciclones extratropicais estão diretamente ligados aos modos de variabilidade, como por exemplo as oscilações. Gong e Wang (1999) sugeriram que a variabilidade do escoamento básico no Hemisfério Sul (HS) também pode ser modulada por uma flutuação barométrica média zonal, entre médias e altas latitudes, conhecida como a Oscilação Antártica (Antarctica Oscillation, ou AAO). A fase e amplitude da AAO podem ser descritas por um índice correspondente à diferença de pressão ao nível médio do mar entre as latitudes de 40°S e 65°S, conhecido por Índice de Oscilação Antártica (IOA). Rao et al. (2003) e Carvalho et al. (2005) estudaram a influência da AAO na variabilidade da circulação atmosférica e sua influência no comportamento dos ciclones extratropicais sobre o HS.
Por conta da sua baixa condutividade térmica, inibindo as trocas de calor, massa e momento entre oceano e atmosfera, o gelo marinho influencia no balanço de energia em superfície (KING E TURNER, 1997). A eficiência do gelo marinho como isolantes térmico nos meses de inverno é tanta, que o fluxo de calor da atmosfera para o oceano aberto pode ser duas vezes maior do que sobre o gelo marinho (MAYKUT, 1978).
É importante o papel de gelo marinho também na formação das massas de ar nas altas latitudes do HS. Em virtude da máxima retração sazonal do gelo marinho, no verão, a massa de ar formada sobre o oceano Austral, entre a convergência subtropical e a borda do gelo marinho, é chamada de marítima polar. Entretanto, no inverno, o limite sul da região de origem da massa de ar marítima polar está ao norte da borda do gelo marinho, e sobre a região do
14 oceano Austral com gelo marinho é formada uma massa de ar mais fria, a marítima antártica (TALJAARD, 1967).
2. OBJETIVOS
Através da análise das interações entre os ciclones extratropicais e a variabilidade extrema do gelo marinho no mar de Weddell para o período de 1979 a 2016, este estudo objetivou responder às seguintes questões:
1. Quais os padrões de circulação atmosférica no Hemisfério Sul em eventos extremos de gelo marinho?
2. Essa circulação atmosférica pode influenciar a variabilidade de gelo marinho no espaço e no tempo?
3. REVISÃO DE LITERATURA
A formação e o comportamento dos ciclones extratropicais vêm sendo estudados há muito tempo, devido à importância que esses sistemas possuem no transporte de calor, vapor de água como também no seu impacto humano quando a sua trajetória passa sobre regiões povoadas. As primeiras teorias que tentaram explicar o processo de formação e desenvolvimento destes sistemas basearam-se em conceitos termodinâmicos. Porém, o primeiro modelo conceptual suficientemente realista, inicialmente descrito por Bjerknes (1919) e Bjerknes e Solberg (1922), relacionou o desenvolvimento de um ciclone extratropical à amplificação de uma perturbação na frente polar que dá origem a uma depressão frontal que evolui num ciclo de vida típico até ao processo de oclusão.
Petterssen e Smebye (1971), após efetuaram uma análise da formação de vários ciclones extratropicais, mostraram que a hipótese da ciclogênese estar associada à advecção de vorticidade era raramente satisfeita. Logo, concluíram que outros mecanismos deveriam influenciar o desenvolvimento dos ciclones extratropicais. Assim, Petterssen e Smebye (1971) classificaram dois tipos (A e B) de ciclones, de acordo com o mecanismo de formação. Os ciclones do tipo A associam-se ao desenvolvimento de uma onda na superfície frontal; e os do tipo B formam-se à sotavento das montanhas (“lee cyclogenesis”).
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3.1 Ciclones Extratropicais no Hemisfério Sul
Os ciclones no HS começaram a ser estudados na segunda metade do século XX, quando Taljaard (1967) usando dados do “International Geophysical Year” (IGY, 1957- 58) localizou uma região predominante de formação de ciclones sobre o Paraguai, com uma média de 20 ciclones por estação do ano. Esses resultados foram confirmados por Streten e Troup (1973), que realizaram a classificação de sistemas com grande nebulosidade por meio de imagem diárias de satélite, e reforçados por Carleton (1979) que utilizando uma metodologia similar obteve máximos de ciclogênese no litoral da América do Sul (AS) durante o Inverno.
Alguns autores utilizaram métodos automáticos para a detecção de ciclones, tanto para o HN quanto para o HS, dentre os quais podem-se destacar: Murray e Simmonds (1991); Sinclair (1995); Blender et al. (1997); Trigo et al. (1999); Mendes et al (2009, 2010), entre outros. Esses métodos basearam-se na detecção do mínimo valor de pressão num determinado ponto de grade, usando dados geralmente obtidos de diversas reanálises com diferentes formatos espaciais, com destaque para as reanálises do NCEP/NCAR e as do ECMWF.
Sinclair (1994), utilizando uma versão adaptada do método proposto por Murray e Simmonds (1991), usou a vorticidade geostrófica (ζg) para localizar a posição da ciclogênese nas análises produzidas pelo ECMWF para 0 e 12 UTC, referente ao período de 1980-1986. O autor verificou quatro regiões de máxima atividade ciclônica, localizadas sobre a AS, sul da África; Oceania e ao redor da Antártica (Figura 1).
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Figura 1: Densidade de ciclogêneses no Hemisfério Sul, em meses de AAO positiva e negativa. a)
Inverno positivo; b) Inverno negativo; c) Verão positivo; d) Verão negativo. Intervalo de contorno é 2×10−3 (graus lat)−2.
Fonte: Mendes et al (2009).
A Figura 1 mostra a densidade de ciclogêneses no HS nos meses em que a oscilação antártica está ativa. É interessante salientarmos que tanto em fases negativas como em fases positivas, há regiões pré-estabelecidas de formação de ciclones extratropicais no HS.
Em 2000, Simmonds e Keay criaram uma climatologia de ciclones para o HS, com 40 anos de dados das reanálises do NCEP/NCAR, confirmando os resultados obtidos por Sinclair (1994), ou seja: o verão apresenta máximo de ciclones localizados sobre o litoral Atlântico da AS, Austrália (devido a “baixas térmicas”) e na vizinhança da Antártica. No inverno os máximos estão localizados sobre o mar de Weddell e Belling (Antártica), AS e Nova Zelândia (Figura 2), sendo o inverno a estação com maior frequência de ciclones extratropicais.
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Figura 2: Densidade de ciclones, obtidas através de uma climatologia de 40 anos das reanálises do
NCEP/NCAR. a) Inverno austral; b) Verão austral.
Fonte: Simmonds e Keay (2000).
3.2 Interação entre ciclones extratropicais e o gelo marinho antártico
A interação entre o sistema atmosfera-gelo marinho é diretamente acoplado, onde em regiões de transição entre a cobertura de gelo marinho e o mar sem gelo, essa interação é mais intensa, influenciando diretamente a cobertura de gelo marinho e o balanço de radiação nesta interface (YUAN, MARTINSON e LIU, 1998).
Ackley e Kelhier (1976) supuseram que a distribuição de gelo marinho afeta os ciclones extratropicais, principalmente aqueles que têm sua origem na borda continental da Antártica. Os autores sugerem que, além disso, um único evento sinótico pode sozinho mudar drasticamente a cobertura de gelo marinho sobre uma região, observaram ainda que a retração do gelo marinho sobre o mar de Bellingshausen/Amudsen durante a passagem de um sistema sinótico de inverno sobre a região. Essa retração é relativa à perturbação inicial, devido aos processos de feedback entre o oceano e a atmosfera.
Simmonds e Budd (1991) realizaram um teste de sensibilidade da atmosfera a possíveis mudanças na fração de água e gelo marinho no HS, para isso, utilizaram um Modelo de Circulação Geral da Atmosfera (MCGA). Os autores identificaram um grande aquecimento nas proximidades da região de gelo marinho, quando a fração de água aberta aumenta, principalmente devido a um aumento nos fluxos de calor em superfície, principalmente o calor sensível.
18 Em outro estudo, Cunningham e Bonatti (2009) realizaram experimentos com o MCGA do Centro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos (CPTEC) a fim de compreender o papel da extensão de gelo marinho como forçante da circulação atmosférica durante a primavera austral. Os autores mostraram que onde há cobertura de gelo marinho, principalmente nos mares de Ross e Amundsen, os fluxos de calor latente e sensível através do oceano foram atenuados, levando a fortes anomalias negativas de fluxos de superfície ascendentes.
Sabe-se que as anomalias de fluxos de calor sensível apresentam valores maior que as anomalias de fluxos de calor latente, esses fluxos anômalos induzem anomalias na temperatura do ar próximas à superfície, principalmente quando a borda do gelo marinho está anomalamente crescendo (decrescendo) para o norte (para o sul), as anomalias de fluxos são negativas (positivas) (CUNNINGHAN e BONATTI, 2011).
Na região de formação de sistemas de baixa pressão, a atividade sinótica influencia a distribuição de gelo marinho. As condições da extensão de gelo marinho dependem principalmente das condições dinâmicas e termodinâmicas da atmosfera. Os sistemas de baixa pressão se deslocam para leste em regiões especificas (MENDES et al, 2009). É importante salientar que o transporte de Ekman próximo à superfície influencia diretamente no transporte de gelo marinho que é para nordeste (no flanco norte do ciclone) e para sudeste (no flanco sul do ciclone). Dependendo da localização do centro do ciclone extratropical em relação à borda do gelo marinho, levando uma convergência ou até divergência de gelo marinho (ENOMOTO e OHMURA, 1990).
Essa convergência leva a altas concentrações de gelo marinho e menor extensão, enquanto a divergência contribui na diminuição e elevação das extensões/concentrações de gelo marinho, dependendo da temperatura do ar. Durante o inverno ou nas proximidades de regiões costeiras, a divergência pode levar a um aumento na quantidade de gelo marinho produzido, ou seja, gelo marinho novo e, por consequência, um aumento na extensão de gelo marinho. Cavalieri e Parkinson (1981) analisaram a interação entre a atmosfera e o gelo marinho na borda da Antártica em 1974, verificando um grande fluxo circumpolar nas proximidades da borda do gelo marinho nos meses de setembro, resultando em uma
19 grande mudança no seu limite associado à circulação de oeste climatológico, e as respostas mais fracas ocorreram durante o período de derretimento de gelo marinho. Em 2003, Stammerjohn et al., verificaram a evolução sazonal da extensão, concentração e movimento do gelo marinho, além da variabilidade sinótica na região oeste da Península Antártica no inverno austral de 1992, e identificaram um avanço do gelo marinho ocorrendo anomalamente mais cedo. Os autores também mostraram que quando os fortes ventos de norte ocorreram, o impacto foi sentido em toda a região oeste da Península Antártica, compactando a cobertura de gelo marinho contra a costa da Península, coincidindo com anomalias de vento meridional, o que afeta dinamicamente o movimento atmosférico.
3.3 Condições atmosféricas e sua interação com o gelo marinho
A criosfera exerce uma grande importância nas condições climáticas, isso fica mais evidente a partir de estudos numéricos. Os MCGA geralmente mostram um maior aquecimento nas regiões polares se comparado com a região tropical, principalmente em um cenário de aquecimento global. Isso deve-se principalmente ao mecanismo dinâmico chamado de retroalimentação climática, isso tudo em função do albedo do gelo marinho (JUSTINO et al, 2007). Uma das características marcantes é que a região oceânica ao redor da Antártica é a única em que o fluxo de água é contínuo ao redor de todo o globo. Consequentemente, a circulação oceânica local se aproxima da situação da circulação atmosférica em latitudes altas no HS. A principal corrente gerada por esse mecanismo é a Corrente Circumpolar Antártica (CCAA) (TOMCZAK e GODFREY, 2003).
Pezza e Ambrizzi (2004) estudaram as oscilações interanuais do gelo marinho ao redor da Antártica entre 1979 a 2000 e suas possíveis influências nas trajetórias de ciclones extratropicais (Storm tracks), temperatura e precipitação no Sudeste do Brasil. Os resultados mostraram que o gelo marinho apresentou um ciclo sazonal muito bem marcado e uma notável variação interanual, sendo que as anomalias na extensão do gelo marinho denotaram uma coerência com o posicionamento anômalo dos ciclones subpolares (storm tracks).
Romão e Setzer (2004) analisaram a relação entre a circulação proveniente da Antártica e as anomalias negativas de temperatura e precipitação ocorridas nos
20 meses de verão de 2003 e 2004, nas regiões Sul e Sudeste do Brasil. Os resultados mostraram que, dependendo do local em que as correntes de jato se concentram ao longo do mês, teve-se uma determinada situação anômala, principalmente no centro-sul da América do Sul, pois as correntes de jato situadas no Sul do Brasil, sul da AS e no Estreito de Drake estariam associadas à advecção de ar frio oriunda do continente Antártico em direção ao sul da AS, trazendo temperaturas menores e pouca precipitação ao Sul e Sudeste, enquanto que as correntes concentradas no litoral Argentino tenderiam a gerar anomalias positivas de temperatura e precipitação, principalmente para o Sul do Brasil.
Boiaski (2007) estudou os extremos intrasazonais de temperatura na Península Antártica e os mecanismos atmosféricos associados entre os anos de 1986 e 2002. O estudo identificou a presença de uma alta correlação negativa entre a temperatura do ar e a concentração de gelo marinho no lado leste da Península Antártica, mostrando um forte mecanismo de feedback entre as variáveis, enquanto que para o lado oeste não foi encontrada significância estatística entre suas tendências.
Smith e Stammerjohn (2001) identificaram um gradiente norte-sul ao longo da Península Antártica, tanto da concentração de gelo marinho quanto para a temperatura. Isso é resultado de um balanço entre as influências climáticas marítimas (norte) e continentais (sul). Assim, uma maior variabilidade nos meses de inverno seria consequência disso, pois a ela é atribuída uma alta variabilidade interanual da cobertura de gelo marinho e o correspondente aumento na influência continental quando essa cobertura existe, porquanto quando ela não existe, ou seja, no verão, predominaria a influência marítima e, portanto, a variabilidade da temperatura seria menor.
Lima (2007) estudou a variabilidade intrasazonal da extensão de gelo marinho Antártico e suas relações com a circulação atmosférica para o período entre 1979 e 2004. Em relação à variabilidade da extensão de gelo marinho, observou-se que o Mar de Weddell (MW) apresentava a maior extensão de gelo marinho para todas as estações do ano, seguido pelo mar de Ross, enquanto que o oceano Pacífico oeste foi o que apresentou as menores extensões e menor variabilidade do gelo marinho. O autor também investigou as tendências da extensão do gelo marinho nos meses
21 de mínima e máxima cobertura sazonal (fevereiro e setembro, respectivamente), identificando que os mares de Weddell e Ross tiveram tendências positivas e estatisticamente significativas, ao nível de 5%, em fevereiro, e os mares de Bellingshausen e Amundsen apresentaram tendência estatisticamente negativa para o mesmo mês, enquanto que para setembro não foram registradas tendências estatisticamente significativas nos mares antárticos.
4. DADOS E METODOLOGIA 4.1 Dados
Para a identificação dos ciclones extratropicais, foi utilizado dados da Pressão ao Nível Médio do Mar (PNMM) com resolução espacial de 0.75 x 0.75 de ponto de grade com resolução temporal de 6 horas, extraídos da reanalises do European
Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF), para o período
compreendido entre 1979 e 2016 (DEE et al., 2011). Além da PNMM, foram utilizados dados de vento zonal (u) e meridional (v) nos níveis de 1000, 850 e 500 hPa, assim como umidade relativa (%) e especifica (kg/kg) também para os níveis de 1000, 850 e 500 hPa.
Os dados de extensão de gelo marinho foram obtidos do National Snow and
Ice Data Center (NSIDC), da Universidade do Colorado, Boulder (CAVALIERI et al.,
1996).
A concentração de gelo marinho é derivada dos sensores Scanning
Multichannel Microwave Radiometer (SMMR), a bordo do satélite Nimbus-7, e do Special Sensor Microwave/Imager (SSM/I), a bordo do Defense Meteorological Satellite Program. O SMMR e o SSM/I são radiômetros de micro-ondas de
multifrequências e bipolarizados (NSIDC, 2011). Os dados são disponibilizados em médias de extensão de gelo marinho para oceano Austral e separadamente para cada setor: setor do mar de Weddell, setor do oceano Índico, setor do oceano Pacífico oeste, setor do mar de Ross e setor dos mares de Bellingshausen-Amundsen (MBA) (Figura 3).
22
Figura 3: Mares do oceano Austral.
Fonte: Adaptada de Cavalieri e Parkinson, 2008.
4.2 Área de estudo
A área de estudo abrange o mar de Weddell (Figura 3). O mar de Weddell é caracterizado pela forte influência sinótica na Antártica. Essa região é caracterizada como sendo uma região ciclogênetica (MENDES et al. 2009). Em relação ao comportamento do gelo marinho, Cavalieri e Parkinson (2008) estudaram o comportamento do gelo e identificaram uma crescente tendência positiva na concentração e área de gelo marinho. Além disso, o mar de Weddell apresenta um comportamento oceânico que contribui para o empilhamento de gelo ao longo dos anos, isso devido à presença de uma circulação oceânica denominada de giro de Weddell, que apresenta um sentido horário em sua trajetória.
4.3 Metodologia para detecção dos ciclones extratropicais no HS
A metodologia utilizada para a detecção de ciclones extratropicais é oriunda da metodologia empregada por Mendes et al. (2006, 2009). Este algoritmo começa por identificar potenciais centros de baixa pressão em superfície, por meio da identificação de isóbaras fechadas em áreas de 4 X 4 pontos de grade (3.0º de latitude × 3.0º de longitude).
Para ser considerado um ciclone extratropical é necessário que o mínimo de pressão satisfaça os seguintes requisitos:
23 1. Ter um valor máximo de 1010 hPa para a pressão central do sistema de baixa
pressão;
2. O gradiente médio da pressão, estimado numa área de 3.0º lat. × 3.0º long., deve ser superior a 0.55 hPa/150 km.
De modo a identificar as trajetórias seguidas pelos sistemas de baixa pressão em superfície, para cada mínimo de pressão detectado (de acordo com o critério acima descrito), procura-se o centro mais próximo no tempo seguinte (tempo + 1), admitindo que a velocidade máxima de cada ciclone extratropical não excede 33 km/h para oeste e 90 km/h para qualquer outra direção.
No presente trabalho serão apenas considerados sistemas cujo tempo de vida ultrapasse as 24 horas e cuja pressão mínima atingida não seja superior a 1010 hPa. Este filtro adicional permite-nos ignorar depressões fracas, geralmente com pouco impacto no tempo local, muitas delas correspondentes a baixas térmicas que ocorrem nos meses de Verão (MENDES et al, 2006).
4.4 Metodologia para detecção das anomalias de gelo marinho antártico.
Os eventos anômalos de cobertura de gelo marinho foram obtidos por intermédio da técnica de quartil. Ordenando um conjunto de dados em ordem de grandeza, o valor central que divide a série temporal em duas partes iguais é a mediana. Assim, 50% das anomalias ordenadas estarão abaixo da mediana. Portanto, utilizou-se o quartil 75% como sendo o de extremos de concentração de gelo marinho.
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Tabela 1: Meses e anos anômalos da concentração de gelo marinho de acordo com o critério
explanado acima.
Meses Anomalias positivas (anos)
Meses Anomalias Negativas
f (anos) Janeiro 1983 1997 1999 2000 2002 Janeiro 1982 1989 1992 1994 2004 Fevereiro 1986 1997 1999 2002 2010 Fevereiro 1986 1992 1994 1997 2010 Março 1983 1997 1999 2002 2009 Março 1986 1992 1994 1995 2008 Julho 1987 1990 1999 2002 2013 Julho 1991 1992 1995 2001 2015 Agosto 1981 1989 1993 1999 2008 Agosto 1987 1991 1992 1999 2007 Setembro 1980 1989 1990 1998 2015 Setembro 1991 1992 1994 1995 2015
Fonte: Elaborado pelo autor (2017).
4.5 Metodologia para detecção da análise termodinâmica
O comportamento da termodinâmica foi obtido através da análise das condições da temperatura potencial (𝜃) . Mendes et al. (2006), descreveram a importância da temperatura potencial no comportamento termodinâmico dos ciclones extratropicais. Essa interação entre os ciclones extratropicais e a temperatura potencial, reporta uma explicação mais explicita. Mendes et al. (2009) relacionaram 𝜃 a entropia. Os autores explicitam que a pré-formação dos ciclones extratropicais (-2, -1 dias antes da ciclogêneses), a região onde o ciclone extratropical deverá se formar, adquire um comportamento de retenção de entropia, desta forma, há uma intensificação da instabilidade condicional sobre a região. Após a formação dos ciclones extratropicais, a região onde foi formado, começa a perder entropia, chegando a estabilidade em 3 dias.
A análise detalhada dos processos termodinâmicos associados à ciclogênese na AS, recorre a campos de temperatura potencial (θ), estimados através da seguinte formulação, descrita por Bolton (1980):
𝜃 = 𝑇
𝐾(
1000𝑃
)
0.2854(1−0,28𝑥10−3𝑟)
(1) em que: TK é a temperatura absoluta (K); P é a pressão atmosférica (hPa); r é a
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RESULTADOS E DISCUSSÃO
Observa-se na Figura 4, um comportamento predominantemente intenso da variância de 𝜃 em 850 hPa nos mês de maior atividade ciclônica no HS. Nos meses de Janeiro, Fevereiro e Março (Figura 4 a,b,c) as maiores variâncias estão localizadas nas latitudes médias, principalmente sobre a AS, África, Austrália estendendo-se para o oceano Pacifico, assim como no continente Antártico. Esse comportamento durante esse período, verão austral, e período com menor quantidade de gelo marinho, demonstra que há um comportamento mais intenso e instável ao norte do continente Antártico. Durante o inverno austral (jul, ago, set), Figuras 4 d,e,f, identifica-se uma amplificação em áreas e intensidade da variância de 𝜃 em 850 hPa. Tal situação pode estar diretamente ligada ao comportamento mais instável da atmosfera durante esse período. Esse período também é marcado pela maior cobertura de gelo marinho nos mares antárticos, ou seja, com maior albedo, criando um feedback direto entre o gelo marinho e atmosfera sobre essas regiões. Sobre o mar de Weddell identificou-se uma grande variância de 𝜃 em 850 hPa, principalmente no mês de setembro (Figura 4 f), mês este com maior quantidade de gelo marinho de acordo com a literatura (CAVALIERI et al., 1996).
Figura 4: Variância da temperatura potencial no nível de 850 hPa (shaded) (K2) e vento também em
850 hPa (m/s).
26 Com a finalidade de se compreender mais as condições termodinâmicas, analisa-se o comportamento da variância de 𝜃 em 500 hPa para os mesmo meses descritos nas Figuras 4 a,b,c,d,e,f. Durante o verão austral (Figura 5 a,b,c) é possível notar uma grande área com máximas variâncias, localizadas principalmente na interface das latitudes médias com latitudes altas, isso pode contribuir de forma significativa na intensificação do jato polar o que poderia subsequentemente contribuir na intensificação ou não dos ciclones extratropicais sobre essas regiões. Durante o inverno austral (Figura 5 d,e,f), nota-se um "cinturão" de máxima variância de 𝜃, estendendo-se desde 50S até aproximadamente 70S. Durante esse período, também observa-se no inverno Austral um maior variância de 𝜃 sobre o mar de Weddell, principalmente nos meses de Julho e Agosto.
Figura 5: Variância da temperatura potencial no nível de 500 hPa (shaded) (K2) e vento também em
500 hPa (m/s).
Fonte: Elaborado pelo autor (2017).
A Figura 6 mostra a distribuição espacial da densidade de ciclogêneses no HS. Nesta, é possível observar que as áreas predominantes de formação dos ciclones extratropicais na boda do continente antártico, como: mar de Weddell (quadrado em vermelho), mar de Ross e na borda leste do continente entre o sul da África até o sul da Nova Zelândia. No mar de Weddell, a região com maior
27 densidade está localizada na porção sul próximo ao meridiano de 50W, onde em média até 151 ciclones se formam nesta região.
Figura 6: Distribuição espacial do número de ciclogêneses detectadas numa área de 3×3 pontos de
grade nas para uma distribuição anual desde 1979 até 2016.
Fonte: Elaborado pelo autor (2017).
Outro fator importante é a trajetória dos ciclones extratropicais. Muitos dos ciclones apresentam trajetórias padrões, como por exemplo no HS a direção para leste, mas em alguns casos, há ciclones extratropicais com trajetórias "anômalas", principalmente no sentido norte-sul. Alguns autores (SIMMONDS e KEAY, 2000; MENDES et al., 2009) identificaram ciclones extratropicais formados em latitudes altas que apresentaram, trajetórias circumpolares, podendo chegar até 3000 km entre a formação e a dissipação (ciclogêneses e ciclólise).
A Figura 7 mostra as trajetórias dos ciclones extratropicais formados apenas no mar de Weddell ao longo de 38 anos. Basicamente os ciclones estão localizados e seguem trajetórias mais ao sul do mar de Weddell, apenas os casos dos ciclones formado sobre a Península Antártica que migram para fora da região.
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Figura 7: Trajetória dos ciclones extratropicais formados no mar de Weddell ao longo dos 38 anos de
estudos.
Fonte: Elaborado pelo autor (2017).
Desta forma, nota-se que em condições anômalas da concentração de gelo marinho, há variabilidade em alguns parâmetros dos ciclones formados no mar de Weddell.
A Tabela 2 mostra as médias dos dias de "vida" dos ciclones extratropicais formados no mar de Weddell de acordo com a faixa de latitudes. Observa-se que os ciclones formandos mais ao sul do mar de Weddell, apresentam tempo de vida menor do que os ciclones formados mais ao norte, em média 1(um) dia a menos, e praticamente não há diferença em relação aos extremos de gelo marinho. Outro fator importante encontrado, é a não diferenciação entre verão e inverno, ou seja, há pouca variação entre as estações do ano.
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Tabela 2: Tempo de vida dos ciclones extratropicais formados no mar de Weddell. Positivo e negativo
representam as anomalias da concentração de gelo marinho de acordo com a Tabela 1.
Verão Austral Inverno Austral
Positivo Negativo Normal Positivo Negativo Normal
55 - 80S 3.20 3.21 3.15 3.30 3.22 3.25
80 - 90S 2.19 2.20 2.20 2.56 2.60 2.54
Fonte: Elaborado pelo autor (2017).
Na Figura 8 é mostrada a diferença entre a densidade de ciclogêneses para anomalias da concentração de gelo marinho positiva e negativa. Percebe-se apenas diferenças positivas, ou seja, quando há anomalias positivas da concentração de gelo marinho na Antártica, há mais ciclogêneses principalmente nos mares de Weddell e Ross. No mar de Weddell, essa diferença é de até 19 ciclogêneses anualmente. Nas demais áreas do mar de Weddell, praticamente não há diferença.
Figura 8: Diferença da densidade de ciclogêneses anual entre anomalias positivas e negativas da
concentração de gelo marinho.
Fonte: Elaborado pelo autor (2017).
O gelo marinho apresenta uma característica muito sazonal, tanto no Ártico como no Antártico (CAVALIERI; PARKINSON, 2008). A extensão do gelo marinho, pode ser comparada à concentração do gelo marinho, uma analogia entre a
30 extensão e concentração é importante, principalmente no ciclo sazonal. Na Figura 9 mostra-se o ciclo sazonal da extensão do gelo marinho para a Antártica. Nesta, é possível notar que o mês de fevereiro como sendo o menor em extensão e o mês de setembro como sendo o maior em extensão. Também, observa-se uma menor variabilidade entre os percentis, principalmente nos meses de maior e menor concentração. Nos meses de transição entre o mínimo e o máximo, essa variabilidade é maior (percentis), principalmente nos meses que antecedem o inverno Austral.
Figura 9: Ciclo sazonal da extensão de gelo marinho para a Antártica. Unidade (Mkm2).
31
6. CONCLUSÕES
No verão austral, as regiões termodinâmicas mais favoráveis à formação de ciclones extratropicais encontraram-se principalmente nas latitudes médias, enquanto que no inverno austral houve uma amplificação dessas áreas.
Nos mares de Weddell e Ross verificou-se maiores anomalias positivas da concentração de gelo marinho e mais ciclogêneses. No mar de Weddell, o tempo de vida médio dos ciclones extratropicais no inverno austral foi ligeiramente maior do que no verão austral, tanto para as anomalias quanto para as normalidades, porém os que se formaram mais ao sul do MW apresentaram o tempo de vida médio menor do que os que se formam mais ao norte.
O padrão de deslocamento dos ciclones extratropicais no HS foi predominantemente para o sentido leste, porém no continente antártico, verificou-se que os sistemas variaram o sentido do deslocamento, assim associado possivelmente aos fortes ventos catabáticos oriundos de regiões montanhosas da Antártica que se movem em direção as periferias.
Segundo Thomas e Dieckmann 2010, a velocidade do deslocamento do gelo marinho corresponde a 1% da velocidade do vento em superfície. Logo, em períodos de atuação dos ciclones nessa região, há alteração na locomoção e aumento da velocidade do gelo marinho.
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