Universidade dos Açores
Mestrado em Engenharia do Ambiente
Clima Marítimo dos Açores
contributo para a sua caracterização
Elaborado por:
João Filipe M. Fernandes
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Apoios:
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Dedicatória
À Elsa, minha mulher, pela compreensão e apoio que me proporcionou ao longo deste percurso.
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Resumo
A monitorização e a interpretação climática, bem como a previsão do estado do tempo e do estado do mar, são importantes tarefas científicas, mas também matéria de elevada relevância económica e social. As condições meteorológicas e do estado do mar condicionam a maioria das actividades humanas, regulam a disponibilidade de importantes recursos naturais, determinam o dimensionamento e o comportamento das infra-estruturas, e estão relacionado com a segurança de populações e bens. A variabilidade e a mudança climática constituem temas universais devido aos seus impactos sobre a sociedade e o meio ambiente. Neste contexto, as singularidades das regiões insulares (contexto geográfico, dimensão, vulnerabilidade e dependência) obrigam a que os estudos do clima e da meteorologia sejam focados na escala das necessidades da generalidade dos fins aplicados. Com a criação da rede de estações ondógrafo e estações meteorológicas automáticas dos projectos CLIMAAT (Clima e Meteorologia dos Arquipélagos Atlânticos), iniciado em 2005, e o projecto CLIMARCOST (Clima Marítimo e Costeiro) que lhe deu continuidade, foi possível recolher informação sobre alguns parâmetros relevantes da agitação marítima e temperatura superficial da água do mar em diferentes Ilhas do Arquipélago dos Açores, bem como associar essa informação com a meteorologia observada simultaneamente em estações meteorológicas costeiras. No presente são desenvolvidas algumas análises dos valores observados nas Ilhas de S. Miguel, Terceira e Flores (correspondentes ao período de 2005 a 2008), as quais constituem um contributo para a caracterização climática costeira do arquipélago. Para o efeito é feita uma caracterização da agitação marítima bem como uma aproximação ao balanço energético observado entre a atmosfera e o oceano. A agitação marítima foi caracterizada com recurso ao método espectral, sendo os respectivos resultados comparados com a resultados obtidos pelo método directo. O balanço energético é estimado com recurso ao método "Bulk-Aerodynamic" através da interpretação das trocas de calor sensível e calor latente entre a atmosfera e o oceano. Os valores são avaliados no tempo à escala mensal, permitindo assim uma primeira avaliação da sazonalidade dos diferentes factores estudados.
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Abstract
The monitoring and interpretation of the climate, as well as the weather and sea conditions forecasts, are not only important scientific assignments but also a highly relevant subject, both economically and socially. The weather and the sea conditions rule the bulk of human activities, regulate the availability of important human natural resources, and determine the size and behaviour of infrastructures, relating also to the security of people and property. In such a setting, the studies on climate and meteorology are constrained by the uniqueness of the insular regions (geographical context, dimension, vulnerability and dependency) to focus on the scale of the needs of the general purposed goals. With the establishment of the network of automatic sea ondographs and meteorological stations as part of the project CLIMAAT (Clima e Meteorologia dos Arquipélagos Atlânticos [Climate and Meteorology of the Archipelagos in the Atlantic]), started in 2005, and the project CLIMARCOST (Clima Marítimo e Costeiro [Coastal and Maritime Climate]), on the wake of the former, it has been possible to collect information on some relevant parameters of maritime wave variations and of the sea-level water temperature in different islands of the Azores Archipelago, as well as to relate that information to the atmospheric conditions and weather observed simultaneously in the costal meteorological stations. Presently some analyses of values measured in the Islands of S. Miguel, Terceira and Flores are being developed (in reference to the time period from 2005 to 2008). These analyses will contribute to the costal climate characterization of the Archipelago. To that end, a characterization of the maritime wave variation is described, as well as an approach to the observed energetic balance between the atmosphere and the ocean. The maritime wave variation was characterized by means of the spectral method, with the results being compared to the results gathered by the direct method. The energetic balance was reckoned by means of the “Bulk-Aerodynamic” method through the interpretation of the exchanges of the perceptible heat and the latent heat between the atmosphere and the ocean. The values were worked out in a monthly time table, allowing a preliminary evaluation of the seasonableness of the different factors studied.
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Índice
1. Introdução ... 1 2. Caracterização ... 2 2.1. Localização... 2 2.2. Geomorfologia ... 3 2.3. Climatologia ... 4 3. Projecto ... 6 3.1. Descrição do Projecto ... 63.2. Caracterização da Rede de Monitorização ... 6
3.2.1. Praia da Vitória ... 7
3.2.2. Ponta Delgada ... 7
3.2.3. Lajes das Flores ... 8
4. Revisão Bibliográfica ... 9
4.1. Agitação Marítima ... 9
4.2. Caracterização da agitação marítima através da análise espectral ... 10
4.3. Balanço Energético - Fluxos de calor entre a atmosfera e o oceano ... 11
4.4. Publicações ... 13
5. Metodologias ... 15
5.1. Caracterização da Agitação Marítima ... 15
5.1.1. Análise pelo Método directo ... 15
5.1.2. Análise pelo Método espectral ... 17
5.2. Determinação dos fluxos de calor sensível e calor latente ... 20
5.3. Dados utilizados ... 22
6. Resultados ... 23
6.1. Ilha Terceira – BOND 1 ... 23
6.1.1. Parâmetros de caracterização da agitação marítima pelo método espectral e pelo método directo ... 23
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6.1.2. Ocorrências conjuntas de altura significativa e período de pico por
direcção da agitação ... 26
6.1.3. Ocorrência de Temporais ... 28
6.1.4. Temperatura da superfície do mar ... 29
6.1.5. Fluxo de calor ... 31
6.2. Ilha de São Miguel – BOND 2 ... 33
6.2.1. Parâmetros de caracterização da agitação marítima, pelo método espectral e pelo método directo ... 33
6.2.2. Ocorrências conjuntas de altura significativa e período de pico por direcção da agitação ... 35
6.2.3. Ocorrência de Temporais ... 37
6.2.1. Temperatura da superfície da água do mar ... 37
6.2.2. Fluxos de calor ... 39
6.3. Ilha das Flores – BOND 3 ... 42
6.3.1. Parâmetros de caracterização da agitação marítima, pelo método espectral e pelo método directo ... 42
6.3.2. Ocorrências conjuntas de altura significativa e período de pico por direcção da agitação ... 44
6.3.3. Ocorrência de Temporais ... 46
6.3.4. Temperatura do ar e da superfície da água do mar ... 46
6.3.5. Resultados fluxo de calor ... 48
6.4. Médias sazonais da altura significativa e período médio ... 51
6.5. Temporais com dados em simultâneo ... 53
7. Conclusões ... 55
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Índice de Figuras
Figura 2-1 - Localização do Arquipélago dos Açores (Fonte: PRA, 2001). ... 2
Figura 2-2- Localização do Arquipélago dos Açores na Crista Média do Atlântico (Fonte: NOA, 2007). ... 4
Figura 3-1 – Rede de recolha de dados meteo-oceanográficos. ... 6
Figura 3-2 – Localização da EMA 1 e da BOND 1 ... 7
Figura 3-3 – Localização da EMA 2 e da BOND 2... 8
Figura 3-4 – Localização da EMA 3 e da BOND 3... 8
Figura 4-1- Exemplo de uma saída do modelo MAR3G. ... 9
Figura 4-2 – Definição de altura e período de uma onda num registo ao longo do tempo, onda definida pelo zero descendente. Fonte: Holthuijsen (2007) ... 10
Figura 5-1 – Espectro da Variância (adaptado de Holthuijsen 2007). ... 18
Figura 5-2 – Séries temporais das BOND e EMA das ilhas da Terceira, São Miguel e Flores ... 22
Figura 6-1 – Percentagem de ocorrências de altura significativa pelos métodos espectral e directo, na Terceira. ... 23
Figura 6-2 - Percentagem de ocorrências dos períodos médios pelos métodos espectral e directo, na Terceira. ... 24
Figura 6-3 – Percentagem de ocorrências do período de pico pelo método espectral, na Terceira. ... 24
Figura 6-4 – Percentagem de ocorrências para a altura da onda máxima e o seu períodos associado, dado pelo método directo, na Terceira. ... 25
Figura 6-5 - Percentagem de ocorrências da direcção da agitação marítima pelos métodos espectral e directo, na Terceira. ... 25
Figura 6-6- Valores da média mensal da temperatura da superfície da água do mar por ano, na Terceira. ... 29
Figura 6-7 – Valor médio e média dos valores extremos da temperatura da superfície da água do mar por mês, na Terceira. ... 29
Figura 6-8 – Evolução das temperaturas do mar e do ar ao longo do ano na Terceira (estações: BOND 1 e EMA 1). ... 30
Figura 6-9 – Valores médios mensais dos fluxos diários de calor sensível (W.m-2) para as estações da Terceira (BOND 1 e EMA 1). ... 31
Figura 6-10 – Valores médios mensais de Calor latente (W.m-2 ) para as estações da Terceira (BOND 1 e EMA 1). ... 32
Figura 6-11 - Percentagem de ocorrências de altura significativa pelos métodos espectral e directo, em São Miguel. ... 33
Figura 6-12 - Percentagem de ocorrências dos períodos médios pelos métodos espectral e directo, em São Miguel. ... 33
Figura 6-13 – Percentagem de ocorrências do período de pico pelo método espectral, em São Miguel. ... 34
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Figura 6-14 - Percentagem de ocorrências para a altura da onda máxima e o seu períodos associado, dado pelo método directo, em São Miguel. ... 34 Figura 6-15 – Percentagem de ocorrências da direcção da agitação marítima pelos métodos espectral e directo, em São Miguel ... 35 Figura 6-16- Valores da média mensal da temperatura da superfície da água do mar por ano, para São Miguel. ... 38 Figura 6-17 – Valor médio e média dos valores extremos da temperatura da superfície da água do mar por mês, para São Miguel. ... 38 Figura 6-18 - Evolução da temperatura ao longo do ano para as estações de São Miguel (BOND 2 e EMA 2). ... 39 Figura 6-19 – Valores médios mensais de Calor sensível (W.m-2) para as estações de São Miguel (BOND 2 e EMA 2). ... 40 Figura 6-20 – Valor médio mensal de Calor latente (W.m-2
) para as estações de São Miguel ( BOND 2 e EMA 2). ... 40 Figura 6-21 - Percentagem de ocorrências de altura significativa pelos métodos espectral e directo, nas Flores. ... 42 Figura 6-22 - Percentagem de ocorrências dos períodos médios pelos métodos espectral e directo, nas Flores. ... 42 Figura 6-23 - Percentagem de ocorrências do período de pico pelo método espectral, nas Flores. ... 43 Figura 6-24 - Percentagem de ocorrências para a altura da onda máxima e o seu períodos associado, dado pelo método directo, nas Flores... 43 Figura 6-25 - Percentagem de ocorrências da direcção da agitação marítima pelos métodos espectral e directo, nas Flores. ... 44 Figura 6-26 - Valores da média mensal da temperatura da superfície da água do mar por ano, nas Flores. ... 47 Figura 6-27 - Valor médio e média dos valores extremos da temperatura da superfície da água do mar por mês, nas Flores. ... 47 Figura 6-28 - Evolução das temperaturas ao longo do ano, as estações das Flores (BOND 3 e EMA 3). ... 48 Figura 6-29 – Valores médios mensais de Calor sensível (W.m-2
) para as estações das Flores (BOND 3 e EMA 3). ... 49 Figura 6-30 – Valores médios mensais de Calor latente (W.m-2
) para as estações das Flores (BOND 3 e EMA 3). ... 49 Figura 6-31 – Percentagem de ocorrências da altura significativa (Hm0)(m) mensal, distribuída por classes, para Terceira, São Miguel e Flores. ... 51 Figura 6-32 – Valores médios da altura significativa (Hm0)(m), por meses. ... 52 Figura 6-33 - Valores médios do período médio (Tz)(s), por meses. ... 52
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Índice de Tabelas
Tabela 6-1 – Ocorrências conjuntas (%) de altura significativa (Hm0)(m) e direcção do período
de pico por classes, para a Terceira. ... 26 Tabela 6-2 - Ocorrências conjuntas (%) de período de pico (Tp)(s) e direcção, por classes, para a Terceira. ... 27 Tabela 6-3 - Ocorrências conjuntas (%) de altura significativa (Hm0)(m) e o período de pico
(Tp)(s), por classes, para a Terceira. ... 27 Tabela 6-4 – Resumo das tempestades ocorridas na ilha Terceira, altura significativa máxima (Hmo max)(m), período médio (Tz)(s), direcção e duração (dia), na Terceira. ... 28 Tabela 6-5 – Quadro resumo da média da temperatura da superfície do mar (SST)(ºC), e dos valores médios dos extremos, por meses, na Terceira. ... 30 Tabela 6-6 – Tabela resumo com valores diários médios mensais da temperatura do ar, temperatura da superfície do mar, velocidade do vento , humidade relativa, e fluxos de calor sensível e latente (estações da Terceira, BOND 1 e EMA 1). ... 32 Tabela 6-7 – Ocorrências conjuntas (%) de altura significativa (Hm0)(m) e direcção do período
de pico por classes, para São Miguel. ... 35 Tabela 6-8 - Ocorrências conjuntas (%) de período de pico (Tp)(s) e direcção, por classes, para São Miguel. ... 36 Tabela 6-9 - Ocorrências conjuntas (%) de altura significativa (Hm0)(m) e o período de pico
(Tp)(s), por classes, para São Miguel. ... 36 Tabela 6-10 – Resumo das tempestades ocorridas na ilha Terceira, altura significativa máxima (Hmo max)(m), período médio (Tz)(s), direcção e duração (dia), para São Miguel. ... 37 Tabela 6-11 - Quadro resumo da média de temperatura da superfície do mar (SST)(ºC), e dos valores médios dos extremos, por meses, para São Miguel. ... 39 Tabela 6-12 - Tabela resumo com valores diários médios mensais da temperatura do ar, temperatura da superfície do mar, velocidade do vento , humidade relativa, e fluxos de calor sensível e latente para as estações de São Miguel ( BOND 2 e EMA 2). ... 41 Tabela 6-13 - Ocorrências conjuntas (%) de altura significativa (Hm0)(m) e direcção do período
de pico por classes, para as Flores. ... 44 Tabela 6-14 - Ocorrências conjuntas (%) de período de pico (Tp)(s) e direcção, por classes, para as Flores... 45 Tabela 6-15 - Ocorrências conjuntas (%) de altura significativa (Hm0)(m) e o período de pico
(Tp)(s), por classes, para as Flores. ... 45 Tabela 6-16 – Resumo das tempestades ocorridas na ilha Terceira, altura significativa máxima (Hmo max)(m), período médio (Tz)(s), direcção e duração (dia), nas Flores. ... 46 Tabela 6-17 - Quadro resumo da média de temperatura da superfície do mar (SST)(ºC), e dos valores médios dos extremos, por meses, nas Flores. ... 48
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Tabela 6-18 - Tabela resumo com valores diários médios mensais da temperatura do ar, temperatura da superfície do mar, velocidade do vento , humidade relativa, e fluxos de calor sensível e latente nas estações das Flores (BOND 3 e EMA 3). ... 50 Tabela 6-19 – Resumo das tempestades ocorridas que afectaram mais do que apenas uma ilha, altura significativa máxima (Hm0 max)(m) e direcção (Dir). ... 53
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Lista de abreviaturas
CLIMAAT – Clima e Meteorologia dos Arquipélagos Atlânticos; CLIMARCOST – Clima Marítimo e Costeiro;
EMA – Estação Meteorológica Automática; BOND – Bóia Ondógrafo Direccional; ME – Método Espectral;
MD – Método Directo;
Hm0 – Altura significativa (m) (Método espectral);
Hm0 max– Altura significativa máxima (m);
Tz – Período Médio (s);
Tp – Período de Pico (s);
THTP – Direcção do Período de Pico (º). Hz - Altura significativa (m) (Método directo); Hzmax - Altura máxima (m);
Tmed - Período médio (s); Tmax - Período máximo (s);
Thmax - Período da onda máxima (s); Dir - Direcção da ondulação (º);
%dados - Percentagem de dados validados (%); SST - Temperatura da superfície do mar (ºC);
QS – Calor sensível (W.m-2);
QL – Calor latente (W.m-2);
CL - Coeficiente de calor latente;
CP - Calor específico do ar;
LE - Calor latente de evaporação;
a - Densidade do ar (kg.m-3);
RGas - Constante dos gases perfeitos (J.kg-1.K-1).
ea – Humidade específica do ar (g.kg-1);
ed – Humidade específica do ar à superfície do mar (g.kg-1); es – Pressão de vapor saturante (mb);
qsat - Saturação de vapor de água (mb); T0 - Temperatura da superfície do mar (ºC); TZ – Temperatura do ar (ºC);
Rh – Húmidade relativa do ar (%);
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1. Introdução
A relação das ilhas do Arquipélago dos Açores com o mar é indissociável e desde sempre que os habitantes destas ilhas tiveram a necessidade de interagir com o mar e, por isso, de o conhecer. Pese embora esta dependência, tradicionalmente as avaliações e caracterizações técnicas do mar dos Açores, a uma escala adequada, sempre foi feita de forma pontual e à medida de necessidades específicas relacionadas com algumas obras portuárias, pelo que o conhecimento sobre a climatologia deste ambiente ainda é muito incipiente, muitas vezes em considerações de cariz popular baseadas na experiencia de quem lida com o mar no seu dia-a-dia.
Desde Fevereiro de 2005, e através dos projectos CLIMAAT e CLIMARCOST (Azevedo et al., 2008), o arquipélago começou a ser equipado com dispositivos técnicos e científicos que permitem, de forma sistemática e in situ, avaliar alguns parâmetros relevantes, designadamente a altura, o período e direcção das ondas e também a temperatura da água do mar. É com base neste dispositivo que é agora possível avançar para alguma análise dos parâmetros observados, tendo em vista um conhecimento mais detalhado do clima marítimo da região.
Como a elaboração do presente trabalho pretende-se contribuir para uma a caracterização do clima marítimo nos Açores através da interpretação dos parâmetros disponíveis, identificação os fenómenos associados, bem como identificar as trocas de energia entre a atmosfera e a massa oceânica.
Como objectivo acessório do presente trabalho pretende-se contribuir para o aperfeiçoamento das metodologias e ferramentas (software) que possibilitem uma análise rápida dos dados recolhidos no mar dos Açores e à medida que as séries das observações forem evoluindo no tempo.
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2. Caracterização
2.1. Localização
O Arquipélago dos Açores localiza-se em pleno Oceano Atlântico, na região da Macaronésia (que inclui também os arquipélagos da Madeira, Canárias e Cabo Verde), entre os paralelos 36°45' e 39°’43' de latitude Norte e os meridianos 24°45' e 31°17' de longitude Oeste. As ilhas dos Açores, que no seu conjunto perfazem uma área de 2 352 km2, apresentam uma orientação marcadamente Noroeste – Sudeste, ao longo de cerca de 700 km de comprimento (Azevedo, 2001).
A ilha das Flores define o extremo ocidental do arquipélago (distando cerca de 3 900 km da costa da América do Norte), sendo o extremo Oriental definido pela ilha de Santa Maria (a uma distância aproximada de 1600 km da costa ocidental da Europa) (Azevedo, 2001).
As ilhas são agrupadas em três grupos: o Oriental (constituído pelas ilhas de Santa Maria e São Miguel), o Central (composto pelas ilhas Terceira, Graciosa, São Jorge, Pico e Faial) e o Ocidental (do qual fazem parte as ilhas das Flores e do Corvo), como se pode ver na figura 2.1.
Figura 2-1 - Localização do Arquipélago dos Açores (Fonte: PRA, 2001).
A génese das ilhas do Arquipélago do Açores decorre da actividade da microplaca com o mesmo nome, a qual se situa na zona de tripla junção das placas tectónicas Americana, Euro-Asiática e Africana (na denominada Dorsal Central
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Atlântica), de cuja dinâmica resulta muita da sismicidade e vulcanismo actuantes nas ilhas. As ilhas dos grupos Oriental e Central encontram-se alinhadas segundo linhas
de fractura que cortam obliquamente a falha Açores – Gibraltar e a Crista Média
Atlântica.
2.2. Geomorfologia
As ilhas dos Açores, predominantemente de origem vulcânica, são caracterizadas pela sua reduzida dimensão, pela existência de vales curtos e pequenas bacias de drenagem, por um relevo vigoroso dominado por elevados maciços vulcânicos e por uma linha de costa que apresenta arribas altas e escarpadas.
O arquipélago nasceu há poucos milhões de anos, por isso as ilhas mantêm formas de relevo muito recentes e nítidas. Nestas destacam-se cones vulcânicos, por vezes singulares, outras vezes por complexos aparelhos vulcânicos, estando estes dispostos ao longo de linhas de fractura (PDM Velas, in Silva, 2003).
Quanto à cronologia geológica das ilhas do arquipélago a ilha de Santa Maria apresenta-se como a mais antiga, com 6 milhões de anos, e a mais recente é a ilha do Pico onde a parte mais recente apresenta uma idade de apenas 40 mil anos. As nove ilhas apresentam diferentes aspectos geomorfológicos consoante a idade e o tipo de erupção vulcânica que lhes deu origem, mas existem semelhanças quanto à orientação e contornos (PDM Velas, in Silva, 2003).
Em São Miguel, Terceira, Graciosa e Corvo, as principais formas de relevo são determinadas pela existência de vulcões do tipo central, onde frequentemente se podem observar caldeiras no seu interior, e por plataformas de ligação entre as diferentes estruturas. São Jorge apresenta uma estrutura do tipo linear, o Pico representa um tipo misto entre o vulcanismo linear e central, com um nítido alinhamento na sua parte Este e um grande cone do tipo central no extremo oeste (Madruga, 1995).
As altitudes máximas são bastante variáveis entre as ilhas, desde os 402 m da ilha Graciosa até aos 2 351 m da ilha do Pico (Madruga, 1995). A maioria das ilhas apresenta uma altitude máxima que ronda os 1 000 m, encontrando-se uma parte significativa do seu território entre os 100 e os 400 m. Nas ilhas de Santa Maria,
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Graciosa e Terceira surgem áreas aplanadas a cotas relativamente baixas, cerca de 300 m, e que se desenvolvem junto à costa (Fernandes, 2004).
No que concerne à batimetria, componente orográfica subaquática, esta perpetua o relevo acidentado e abrupto que as ilhas apresentam na sua componente emersa, o que torna característico o movimento das massas de água que envolvem cada uma das ilhas, isto porque numa distância de poucas milhas da costa se podem atingir profundidades superiores a 500 m.
É necessário ter-se em conta que os Açores se situam sobre a Crista Média do Atlântico, que define o eixo meridional do oceano atlântico e que, pelas suas características orográficas, condiciona todo o movimento das massas de água que a cruzam (Juliano, 2002).
Figura 2-2- Localização do Arquipélago dos Açores na Crista Média do Atlântico (Fonte: NOA, 2007).
2.3. Climatologia
“O clima do Arquipélago dos Açores é essencialmente ditado pela localização geográfica das ilhas no contexto da circulação global atmosférica e oceânica e pela influência da massa aquática da qual emergem” (Azevedo, 1996).
Devido à sua génese, as ilhas vulcânicas são, na sua maioria, parcelas de pequena dimensão e com forte desenvolvimento em altitude o que origina uma
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variação espacial das condições climáticas mais acentuada do que noutras regiões mais planas (Azevedo, 2001).
Devido à sua localização geográfica em latitude e à sua posição no meio do Atlântico, as ilhas dos Açores apresentam um clima nitidamente temperado marítimo, fortemente influenciado pela circulação zonal de oeste, pelas massas de ar húmido que provêem de sudoeste, pela corrente quente do Golfo que o suaviza, e pela oscilação anual do anticiclone dos Açores (Fernandes, 2004).
Embora suave, o clima é instável. O capricho dos ventos e das nuvens muda a cada minuto o aspecto do céu, facto que deu origem à frase popular “quatro estações num só dia”. As situações climáticas observáveis no arquipélago dos Açores são resultantes, em larga medida, da circulação atmosférica geral no Atlântico Norte. O estado do tempo depende, fundamentalmente, do desenvolvimento, orientação e deslocação do anticiclone dos Açores, bem como do consequente jogo de massas de ar a ele associadas (tropical marítimo e polar marítimo) (Fernandes, 2004).
O clima destas ilhas apresenta uma sazonalidade medianamente marcada e as quatro estações do ano, que são típicas dos climas temperados, são reconhecíveis. Os Invernos podendo ser muito chuvosos não se manifestam em regra muito rigorosos (Azevedo, 2001).
Caracterizado pela amenidade térmica, pelos elevados índices de humidade do ar (com um valor anual médio de cerca de 80%) e por um regime de ventos vigorosos e persistentes, a caracterização sazonal do clima das ilhas dos Açores é particularmente ditada pelo regime pluviométrico (Azevedo, 2001).
Quanto à caracterização da climatologia marinha dos Açores, a informação publicada é escassa e pouco detalhada, razão pela qual se revela pertinente o objectivo do presente trabalho ao propor uma aproximação à caracterização da climatologia marinha com base nos novos recursos tecnológicos ao dispor neste arquipélago.
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3. Projecto
3.1. Descrição do Projecto
Este trabalho enquadra-se no decorrer dos Projectos CLIMAAT E CLIMARCOST
(Azevedo et al, 2008), coordenados pela Universidade dos Açores, e desenvolvidos no âmbito do financiamento dos fundos Comunitários FEDER e do PRODESA através da Iniciativa INTERREG IIIB, Açores, Madeira Canárias, projectos estes que formam uma sequência de trabalhos no âmbito da monitorização e estudo do clima marítimo e terrestre dos arquipélagos da Macaronésia, zona geográfica onde se inclui os Açores.
3.2. Caracterização da Rede de Monitorização
A rede de observação montada pelos projectos acima referidos começou pela instalação de 3 Bóias Ondógrafo (BOND) e 3 Estações Meteorológicas Automáticas (EMA), tendo sido cada conjunto distribuído pelos 3 grupos de Ilhas (conforme a figura 3-1): o Oriental (na Ilha de São Miguel, junto à cidade de Ponta Delgada); o Central (na Ilha Terceira, ao largo da cidade da Praia da Vitória); e o Ocidental (na Ilha das Flores a sul da Vila das Lajes das Flores).
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3.2.1. Praia da Vitória
A bóia ondógrafo da Praia da Vitória (BOND 1) foi fundeada na posição 38º 45’ 00’’ Norte 27º 00’ 58’’ Oeste, a uma profundidade de 92 metros, e a cerca de 2 milhas da costa Este da ilha Terceira. Devido à sua posição relativamente à ilha, esta bóia está exposta à agitação marítima proveniente dos octantes Norte, Nordeste, Este, Sudeste e Sul.
A EMA 1 (estação meteorológica automática) está instalada num edifício porto marítimo da Praia da Vitória e a cerca de 15 metros de altitude.
Figura 3-2 – Localização da EMA 1 e da BOND 1
3.2.2. Ponta Delgada
A bóia ondógrafo de Ponta Delgada (BOND 2) foi fundeada na posição 37º 43’ 53’’ Norte e 25º 43’ 28’’ Oeste, a uma profundidade de 90 metros a cerca de 2 milhas da costa Sul da ilha de São Miguel. Devido à sua posição relativamente à ilha esta bóia está exposta à agitação marítima proveniente dos octantes Este, Sudeste, Sul, Sudoeste e Oeste.
A EMA 2 está instalada num edifício do porto marítimo de Ponta Delgada a cerca de 15 metros de altitude.
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Figura 3-3 – Localização da EMA 2 e da BOND 2.
3.2.3. Lajes das Flores
A bóia ondógrafo das Lajes das Flores (BOND 3) foi fundeada na posição 39º 21’ 86’’ Norte e 31º 10’ 00’’ Oeste, a uma profundidade de 110 metros a cerca de 1 milha da costa Sudeste da ilha das Flores. Devido à sua posição relativamente à ilha esta bóia está exposta à agitação marítima proveniente dos octantes Este, Sudeste, Sul, Sudoeste e Oeste.
A estação meteorológica automática (EMA 3) está instalada num edifício do porto marítimo das Lajes da Flores a cerca de 20 metros de altitude.
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4. Revisão Bibliográfica
4.1. Agitação Marítima
No domínio da agitação marítima nos Açores, a maioria da caracterização do estado do mar é baseada em modelos de previsão como o MAR3G (I.M., 1996), e o WaveWatch 3 (WWIII) (Tolman, 1997) que podem ser forçados a correr para qualquer data desde que existam os seus dados de inicialização.
O modelo MAR3G Atlântico Norte é um modelo de resolução espacial de 1º latitude por 1º longitude, que calcula os espectros direccionais (espectro discretizado em 12 direcções e 13 frequências) nos nós da malha a partir de séries cronológicas de campos de vento provenientes de modelos atmosféricos, designadamente do modelo atmosférico do ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts). Quando utilizado em domínios junto à costa, o modelo reproduz os efeitos da hidrodinâmica costeira, designadamente o efeito de abrigo, processos de refracção,
empolamento e dissipação por atrito no fundo (GRICES, 2007).
Figura 4-1- Exemplo de uma saída do modelo MAR3G.
O modelo WWIII, desenvolvido pelo NOAA, é um modelo espectral oceânico de agitação marítima, cuja configuração numérica, quando implementada sobre a Bacia do Atlântico Norte, abrange o domínio geográfico dos 20ºN aos 70ºN de latitude e dos 70ºW aos 0ºW de longitude, utilizando uma malha de 0.5º de resolução (Instituto Hidrográfico). O modelo pode ser forçado com os ventos de superfície do NOAA ou a
partir da saída de outros modelos, designadamente a partir do “output” dos ventos
gerados pelo Modelo de Mesoescala (MM5). Estes campos são tipicamente fornecidos numa malha de 1º de resolução, com intervalos de 6 horas (Simões, 2004).
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Esteves et al. (2009), efectuaram uma caracterização da agitação marítima para as ilhas das Flores, São Niguel e Terceira, com base nos dados adquiridos pela rede meteo-oceanográfica do Projecto CLIMAAT, através da análise espectral de onde se concluíu que a predominância de estados de mar são provenientes de Oeste e Norte, salientando, no entanto, que a caracterização está condicionada pela localização das bóias ondógrafo face a cada uma das referidas ilhas.
4.2. Caracterização da agitação marítima através da análise espectral
Em primeiro lugar há que definir uma onda. Este é o elemento básico de estudo da análise espectral, e serve de base para a caracterização da agitação marítima. Como se demonstra na fig. 4-2, a altura de uma onda é dada pela elevação desde que o perfil desta cruza o zero de referência, no sentido descendente até ao momento em que volta a cruzar outra vez o zero no sentido descendente. O período da onda diz respeito ao período entre dois zeros descendentes consecutivos
(
Holthuijsen, 2007).Figura 4-2 – Definição de altura e período de uma onda num registo ao longo do tempo, onda definida pelo zero descendente. Fonte: Holthuijsen (2007)
Outro conceito importante é o de espectro direccional que, tendo em consideração o rumo das ondas, nos permite caracterizar a distribuição de energia da agitação por período e por rumo de propagação. O espectro direccional é dado por (Holthuijsen, 2007):
11
onde:
ai – amplitude;
2π fi – frequência angular;
αi – fase, variável aleatória de distribuição uniforme no intervalo (0,2π).
O conceito de espectro de energia ou espectro de variância é dado por:
para todas as fi (4-2)
onde ∆fi é o intervalo da frequência, para uma determinada frequência fi e
é a variância (ver fig. 5-1).
De acordo com Oliveira (1981), a análise espectral da ondulação ao longo do tempo (designadamente através de uma análise de Fourier) é eficaz na caracterização da agitação marítima, pois através de um registo contínuo e aleatório da amplitude da elevação da superfície do mar constitui uma das inúmeras sequências possíveis, pois não existem duas sequências iguais, mesmo que todas as condições fossem iguais.
Ainda segundo Oliveira (1981), no caso das ondas marítimas, a análise espectral permite caracterizar a quantidade e distribuição de energia associada aos diferentes períodos das ondas elementares que compõem o sinal analisado. O que permitirá ainda obter os espectros de energia e direccional associados ao mesmo.
A Análise Espectral é fundamental para áreas onde o principal interesse é a procura de periodicidade nos dados observados (Morettitin, 2004).
4.3. Balanço Energético - Fluxos de calor entre a atmosfera e o oceano
A troca de calor entre a atmosfera e o oceano é um importante fenómeno de regulação do clima e de balanço energético, com implicações na estabilidade atmosférica e na ciclogénese. Este fluxo de calor divide-se em duas componentes principais: o calor sensível e o calor latente (Cayan, 1992). Por definição, o calor sensível é a quantidade de calor necessária para que um corpo altere a sua temperatura. O calor latente é a quantidade de calor necessária para que a matéria altere o seu estado físico. Ambas estas componentes podem assumir tanto valores
12
positivos como negativos. Se for positivo quer dizer que a substância recebe calor, se for negativo cede calor.
No caso do ambiente oceânico, o fluxo de calor sensível depende directamente da diferença de temperaturas entre a atmosfera e o oceano e é particularmente afectado pela velocidade do vento (Ferreira, 1980; Kara et al. 2000).
A temperatura do oceano depende de alguns fenómenos como o aquecimento pela radiação solar, que pode penetrar e aquecer o oceano até cerca dos 100 m de profundidade, o que promove uma elevada reserva de energia. Como as transferências de energia ocorrem essencialmente à superfície, são observados mecanismos que conduzem à transferência dessa energia em profundidade. A conjugação deste fluxo de calor em profundidade, que pode chegar aos 700 m, bem como o movimento da camada superficial por acção do vento, que pode ir de 100 a 200 m, dá origem ao fenómeno da circulação termoalina, que depende, para além da temperatura, da salinidade. (Hartmann, 1999; Juliano, 2002).
No caso dos Açores, outro dos factores a considerar, e que não pode ser separado dos referidos anteriormente, é a influência que a corrente quente do Golfo tem na temperatura do oceano. Esta corrente, parte integrante da circulação oceânica global, que assume o seu nome pelo importante impulso que adquire no golfo do México, estende-se pela costa este dos Estados Unidos da América, travessa toda a bacia atlântica e atinge as costas ocidentais da Europa. Um dos seus braços cruza o arquipélago dos Açores dando origem à corrente dos Açores (Juliano, 2002). Segundo Alves e Colin de Verdière (in Juliano, 2002) a corrente dos Açores caracteriza-se por ser pouco profunda, não ultrapassando os 1000 m de profundidade, podendo
apresentar uma velocidade à superfície de 30 cm.s-1. Estes fenómenos são
importantes e condicionantes da variação ao longo do ano da temperatura da superfície do oceano que banha os Açores.
Segundo Ferreira (1980), e numa perspectiva atmosférica, o fluxo de calor sensível na região dos Açores caracteriza-se por ser positivo nos meses de inverno e nulos ou mesmo negativos nos meses de verão. Numa perspectiva oceânica o sinal é inverso. Há também que referir a intrínseca ligação do fluxo de calor com a velocidade do vento, sendo este factor mais elevado nos meses de inverno e menor nos meses de verão.
Quanto ao fluxo de calor latente, este depende da evaporação da superfície do oceano que, por seu lado, depende da energia disponível, da velocidade do vento e do
13
deficit da pressão de vapor de água na atmosfera. Estes dois factores são determinantes (Ferreira, 1980, Kara et al. 2000), visto que as transferências de calor latente à superfície do oceano depende da quantidade de calor necessária para a água passar do estado líquido ao estado gasoso e dos fenómenos associados à dispersão do vapor de água na atmosfera.
4.4. Publicações
Santos, A. E., pp. 65-67, in Soares et al (2004), referem a utilização da Análise Espectral das marés para a correlação e calibração de um Modelo de Marés aplicável a Zonas Portuárias.
Soares, et al (2004), pp. 80-81, utilizam a análise de série temporal de uma bóia ondógrafo para efectuar a validação dos Modelos WAM e SWAM, utilizados para efectuar a reconstituição da agitação marítima junta à costa de Portugal continental.
Costa, M. (1981 a 2004) explica a metodologia da análise pelo método directo aplicada a dados de bóias ondógrafo no tratamento de dados de agitação marítima em Sines.
Hisashi (1989), utilizou a análise espectral para proceder ao tratamento de dados de uma bóia ondógrafo e através da interpretação do espectro obtido validaram o modelo MRI, modelo numérico de ondulação desenvolvido pela Agência Meteorológica do Japão.
Osborne (1996) estudou as interacções não-lineares nos comboios de ondas de superfície medidos no mar adriático do norte a aproximadamente 16 quilómetros de Veneza, Itália. A Transformação Não Linear de Fourier foi discutida nos termos da solução espectral exacta para as condições limite periódicas encontradas, a aproximação pode ser vista como uma generalização não linear.
Simões, A. (2004) Utilizou o modelo Wave Watch III para a reconstrução histórica do Clima de Agitação Marítima do Atlântico Norte e posteriormente (Simões, 2005) aplicou-o em domínios com enfoque nas ilhas do arquipélago dos Açores.
O Instituto Hidrográfico da Marinha Portuguesa utiliza os modelos Wave Watch III e o MM5 para inicializarem os seus modelos de resolução junto à costa de Portugal continental (http://www.hidrografico.pt).
14
O Instituto de Meteorologia de Portugal desenvolveu o modelo MAR3G com base no modelo Wave Watch III. O modelo MAR3G pode ser visto em funcionamento
em http://www.meteo.pt/pt/maritima/maritima_cartas.html.
(http://www.grices.mctes.pt/gpe/images/stories/observacao-da-terra/reunioes_gmespt/present_im.pdf).
Esteves, et al (2009) caracterizam a agitação marítima para as ilhas das Flores, São Miguel e Terceira, através da análise espectral dos dados de bóias ondógrafo, com base na série temporal armazenada no Instituto Hidrográfico. Foram também caracterizados os temporais ocorridos ao longo da série temporal.
Souza (2005) estudou a interacção oceano-atmosfera referindo a relação entra as temperaturas e a sua interacção através de imagens de satélite comparadas com os dados de bóias, no hemisfério Sul.
Dessai, et. al. (1999) estudaram as anomalias da temperatura do ar devido ao efeito de estufa e comparou as com as anomalias registadas no mar, em Portugal no período de 1946 e 1990.
Hastenrath em 1968, estimou o fluxo de calor latente e sensível para o mar das Caraíbas e para o Golfo do México, pelo método do “Bulk-Aerodynamic”.
Ferreira (1980) calculou os valores médios de calor sensível e calor latente entre oceano a atmosfera para o grupo central do arquipélago dos Açores, com base numa série temporal de 12 a 14 anos, consoante o local da recolha de dados, de 1958 a 1970.
Esbensen, et al. (1981) estimaram os valores médios mensais das transferências de calor Ar-Oceano usando o método do “Bulk-Aerodynamic”.
15
5. Metodologias
Para este trabalho propõem-se 3 metodologias, 2 para a análise da agitação marítima e uma metodologia para o cálculo do fluxo de calor entre a atmosfera e o oceano.
5.1. Caracterização da Agitação Marítima
A metodologia aplicada para a caracterização da agitação marítima dependeu directamente dos instrumentos de medição utilizados, ou seja, das bóias ondógrafo WaveRider MKIII, bem como dos seguintes programas: ONDAS v.3.6, utilizado na recepção e registo dos dados pelo método directo, que foi fornecido pelo Instituto Hidrográfico da Marinha, e pelo o Waves 21, produzido pela DataWell, empresa
fabricante das bóias ondógrafo, utilizado para processar os dados do “rawdata”
gravados no cartão de memória de cada uma das estações ondógrafo.
5.1.1. Análise pelo Método directo
A análise dos dados pelo método directo (MD) resultam do tratamento dos dados criados pelo software ONDAS, de onde resultam os ficheiros *.dat, que são criados de 10 em 10 minutos com os seguintes parâmetros:
Dia (Dia Juliano); Hora (hh:mm);
Altura significativa (Hz (m)); Altura máxima (Hzmax (m)); Período médio (Tmed (s)); Período máximo (Tmax (s));
Período da onda máxima (Thmax (s)); Direcção da ondulação (Dir (º));
Percentagem de dados validados (%dados (%)); Temperatura (SST (ºC)).
16
Segundo Costa (2007), os parâmetros referidos anteriormente são obtidos a partir da leitura instantânea dos dados enviados pela bóia ondógrafo, onde são contados os registos superiores e inferiores ao zero de referência, até que o seu valor inverta a tendência, bem como os períodos em segundos que separam o valor mais alto, que representa a crista da onda, e o valor mais baixo que representa a cava da onda. Desta forma obtém-se um espectro com base nas ondas ocorridas, isto para cada período de 10 minutos (e não no período de 30 minutos de observações que usualmente compõem um espectro), ao fim dos quais são efectuados os cálculos estatísticos, resultando no ficheiro acima referido.
Segundo Holthuijsen (2007) e Oliveira (1981), a altura significativa de uma
onda (Hz) é definida pela seguinte equação, onde H é a altura entre o registo superior e inferior, imediatamente a seguir ao zero de referência, e T0 é o período referente ao
mesmo registo:
(5-1)
onde N é o número de ondas que ocorreram no período observado e j é a série ordenada das ondas mais altas, ou seja, j=1 é referente à onda mais alta, j=2 é a 2ª onda mais alta registada, e assim por diante.
O período da onda significativa (Tmed) é dado por:
(5-2)
onde N e j provêem de 5-1 (Holthuijsen, 2007).
Segundo Branquinho (2000), para os parâmetros “Hmax”, “THmax”, são
atribuídos os valores de H e T0 referentes à onda de índice j=1. “Tmax” refere-se ao
período mais longo registado na observação. Para “Dir” (direcção) é efectua a média
das direcções registadas no período. O parâmetro “SST” (temperatura superficial da água do mar) é um valor integrado pela bóia ondógrafo, valor este que é actualizado de 30 em 30 minutos. O valor de percentagem de dados validados é um valor interno do programa ONDAS.
17
Ao serem extraídos os dados desejados, o software efectua ainda a análise estatística do período seleccionado, indicando a média, o desvio padrão, a variância, o valor máximo registado e o valor mínimo registado, para os parâmetros acima referidos, excepto para o parâmetro direcção da ondulação, sendo que, para este último, é efectuada uma contagem de ocorrências para cada octante (N, NE, E, SE, S, SW, W e NW) de orientação, retornando a percentagem de ocorrências.
A validação utilizada para os dados do método directo resume-se à anulação de todo o bloco de dados dos 10 minutos, no caso do formato da data (3 dígitos de 001 a 365) e hora (5 dígitos, ex. 03:45) estarem errados, e nos casos de Hz, Hmax, Tz, Tmax e Thmax serem 4 vezes superiores ao desvio padrão (4*STD) dos registos imediatamente anterior e seguinte, caso o intervalo de tempo entre registos não seja superior a 1 hora. No caso de Hz, Hmax serem inferiores a 0,2 m e superiores a 30 m, e também no caso de Tz, Tmax e Tzmax serem inferiores a 2 segundos ou superiores a 30 segundos, estas duas últimas verificações são impostas pelas limitações dos sensores de medição das bóias ondógrafo, WaveRider MKIII. Todos estes dados já foram validados na programação do ONDAS, mas ainda assim é repetida na análise que aqui é feita pois por vezes surgem erros na escrita do ficheiro de saída do ONDAS. Os erros encontrados são guardados num ficheiro para posterior análise.
5.1.2. Análise pelo Método espectral
Assumindo como base os conceitos referidos em 4.2, apresenta-se de seguida a metodologia da análise espectral. O principal objectivo na análise espectral é determinar a variância como função da frequência. A variância da onda é proporcional à sua altura ao quadrado que por sua vez é proporcional à sua energia. Desta forma temos:
(5-3)
de onde Δvar =ai2/2 é a componente da variância na banda das frequências [fi,
fi+Δf]:
(5-4)
Então define-se uma função S(f), expressa em m2, a função de densidade
18
(5-5)
onde S(f) representa a distribuição da variância em função da frequência, a qual se pode designar por espectro de variância (Holthuijsen, 2007)(ver Figura 5-1).
Pelo que, segundo Holthuijsen (2007), pode-se concluir que:
(5-6)
onde é a densidade (1 g.cm-3) da água e g a aceleração da gravidade (9,8
m.s-1), consideradas ambas como constantes.
Figura 5-1 – Espectro da Variância (adaptado de Holthuijsen 2007).
Segundo Oliveira (1981) e Simões (2005), a forma de um espectro de onda é dado sobe a forma de momentos da distribuição. Estes momentos espectrais de ordem n são dados pela seguinte fórmula:
(5-7)
onde S(f) é a área por frequência e f a frequência correspondente. De onde se calculam os momentos de ordem 0, 1 e 2:
(5-8)
(5-9)
19
Após se obterem os momentos acima referidos é possível, segundo Holthuijsen
(2007) e Oliveira (1981), calcular alguns parâmetros espectrais de relevância como é o caso da altura significativa (Hm0):
(5-11)
O período médio (Tz)(s):
(5-12)
Para obter o período de pico (s) é necessário encontrar a frequência a que corresponde o S(f) máximo (Smax), o período de pico corresponde ao inverso da frequência, como se pode ver na fórmula seguinte:
(5-13)
O parâmetro espectral THTP (º) (direcção média do período de pico) é a direcção associada à frequência onde S(f) é máximo (Smax).
A análise dos dados pelo método espectral (ME) resulta do tratamento dos ficheiros *.SPT, criados pelo programa Waves 21 (Datawell). Estes ficheiros são
extraídos a partir do “rawdata” gravado em contínuo nas bóias ondógrafo. Há que
referir que desde a “entrada” do “rawdata” no Waves 21, até à “saída” dos ficheiros *.SPT, a Datawell não disponibiliza os cálculo efectuados.
Os ficheiros *.SPTcontêm 64 frequências, que vão de 0,025 Hz a 0,58 Hz, variando de 0,005 Hz até à frequência de 0,1 Hz, a partir da qual variam 0,01 Hz. A cada frequência está associado um PSD Normalizado (Power Spectral
Density)(m2/Hz), uma Direcção (º), uma Dispersão (º), um “Skewness” (-) e uma
“Curtose” (-). No cabeçalhos dos ficheiros *.SPT, estão disponíveis alguns parâmetros, de entre os quais, a data, a hora e o PSD máximo. Este último é utilizado posteriormente nos cálculos para cada uma das frequências. A partir destes dados foram calculados os momentos de ordem n (0, 1 e 2), assim como os restantes
20
A validação utilizada para os dados do método espectral resume-se à anulação de todo o bloco de dados de 30 minutos no caso da existência de valores nulos no “rawdata”. Após aplicada a metodologia são eliminados os blocos de 30 minutos no
caso de algum dos parâmetros Hm0, TZ (s), TP (s) e THTP (º) serem 4 vezes superiores
ao desvio padrão (4*STD) dos registos imediatamente anterior e seguinte, caso o
intervalo entre os registos não seja superior a 1 hora. Para o caso de Hm0 ser inferior a
0,2 m ou superior a 30 m, e também no caso de TZ (s) e TP (s) serem inferiores a 2
segundos ou superiores a 30 segundos, a totalidade do registo é anulada. Estas duas últimas verificações são impostas pelas limitações dos sensores de medição das bóias ondógrafo WaveRider MKIII. Os erros encontrados são guardados num ficheiro para posterior análise, pois para cada erro encontrado num registo, todo o registo é eliminado. O método espectral é o método padrão aplicado à caracterização do estado do mar com base nos dados recolhidos por bóias ondógrafo direccionais, o que ocorre no presente trabalho. É também o método utilizado para processar o “rawdata” que é a fonte de dados mais completa e mais fiável.
5.2. Determinação dos fluxos de calor sensível e calor latente
Tendo por base os dados disponíveis a partir da rede de monitorização referida no capítulo 3.2 foi aplicado método "Bulk-Aerodynamic" adaptado por Kara (1999) e referido por Stewart (2007), Esbensen (1981) e Hastenrath (1968) para aplicação a modelos gerais de circulação. Uma metodologia mais simplificada já foi aplicada para os Açores por Ferreira (1980). Kara (1999) apresenta a seguinte formulação para o
cálculo do fluxo de calor sensível (QS) e do fluxo de calor latente (QL), expressos em
W.m-2. O fluxo de calor sensível é dado por:
(5-14)
onde t0 é a temperatura à superfície da água (ºC), tz é a temperatura do ar (ºC), Uz é a
velocidade do vento (m.s-1), a é densidade do ar (kg.m-3), Cp corresponde ao calor
específico do ar, é uma constante de valor 1004,5 J.kg-1.K-1, Cs é o coeficiente de calor
sensível é uma constante de valor 1,0 x 10-3, dada por Stewart (2007).
Por sua vez o fluxo de calor latente é dado pela seguinte expressão:
21
onde UZ é novamente a velocidade do vento (m.s-1), a é densidade do ar (kg.m-3), LE
corresponde ao calor latente de evaporação que é uma constante, de valor 2,5 x 106,
CL é o coeficiente de calor latente que é uma constante de valor 1,2 x 10-3, dada por
Stewart (2007).
A densidade do ar é dada por:
(5-16)
onde Pa é a pressão atmosférica em hPa, sendo considerada como constante à
superfície do mar. Para o arquipélago dos Açores o valor médio admitido é de 1021
hPa (Azevedo, 1996). RGas é a constante dos gases perfeitos, 287,1 J.kg-1.K-1.
A humidade específica do ar (ea), expressa em g.kg-1, é obtida por:
(5-17)
onde tz é a temperatura do ar em ºC e Rh a humidade relativa, expressa em
percentagem (%).
A razão de mistura (qsat) é calculada para T0 e Tz, e é dada por:
(5-18)
onde t (ºC) corresponde à temperatura do ar. É expressa em hPa.
A humidade específica do ar à superfície do mar (ed), expressa em g.kg-1, é
dada por:
(5-19)
onde t0 (ºC) corresponde à temperatura da superfície do mar e qsat, calculada com
base em t0.
Segundo Buck (1981), a pressão de vapor saturante utilizado em 5-18 para
uma determinada temperatura, T0 e Tz, consoante a utilização em 5-17 ou 5-19
respectivamente, é expressa em hPa e dada por:
22
Os valores de T0, TZ, Rh e UZ são valores médios mensais. Estes valores médios
foram calculados a partir da base de dados da rede de EMA’s do projecto CLIMARCOST.
5.3. Dados utilizados
Para efectuar as metodologias propostas (5.1) foram utilizados os dados obtidos pelas bóias ondógrafo da Praia da Vitória, Ponta Delgada e Lajes das Flores, com séries temporais (apresentadas na figura 5.2) de 3, 2 e 2 anos respectivamente.
Para a determinação e comparação dos fluxos de calor entre a atmosfera e o oceano (5.2) foram utilizados os dados das séries temporais, com os períodos referidos anteriormente, dos valores médios mensais da temperatura média do ar, humidade relativa e a velocidade média do vento obtidos nas Estações Meteorológicas Automáticas instaladas aquando da instalação das bóias ondógrafo, designadamente nos Portos Marítimos da Praia da Vitória, Ponta Delgada e no das Lajes das Flores.
23
6. Resultados
6.1.
Ilha Terceira – BOND 1
6.1.1. Parâmetros de caracterização da agitação marítima pelo
método espectral e pelo método directo
Pela análise das duas séries de dados fornecidas pelos métodos espectral (ME) e directo (MD) é possível caracterizar o estado do mar nas ilhas com bóias ondógrafo fundeadas, e também averiguar a validação dos dados obtidos pelo método MD em relação à análise dos dados obtidos pelo ME. Pelo que se procederá à análise dos resultados.
Figura 6-1 – Percentagem de ocorrências de altura significativa pelos métodos espectral e directo, na Terceira.
O estado do mar, predominante, é de 1 a 2m para a Hm0, tendo valores de 50%
e 53% para o ME e MD, respectivamente. As ondas com altura superior aos 5m ocorreram em percentagem baixas, inferiores a 1% para ambos os métodos. O valor
médio de Hm0 foi de 1,93m para ME e de 1,72m para MD e o valor máximo observado
de 8,67m e 9,18m para ME e MD, respectivamente. Há que salientar que as diferenças entre os valores de MD e ME se devem ao intervalo temporal que é utilizado pelos métodos referidos. Pois o MD é calculado com base em médias de médias de 10 minutos de dados, o que pode introduzir erros na análise. É de referir,
também, que os dados do MD são pré validados pelo software “Ondas”. Embora a
metodologia de validação aplicada neste trabalho seja semelhante, os resultados para o MD podem em alguma situação divergir dos do ME.
24
Figura 6-2 - Percentagem de ocorrências dos períodos médios pelos métodos espectral e directo, na Terceira.
O Tz com maior percentagem de ocorrência é o intervalo entre os 5 s e os 7 s,
tendo as percentagens sido de 60% para o ME e 57% para o MD, com valores máximos de 12,1s e de 13,3s, respectivamente. As ocorrências de períodos médios superiores a 11s é muito reduzida.
A variável período de pico (figura 3) é apenas aplicável ao ME, e pela figura 6-5 pode observar-se que o THTP se distribui entre os intervalos de 9 a 11s e o de 11 a 13s, com um a percentagem de ocorrências de 30% e 29%, respectivamente. O valor máximo observado foi de 18,2s e o valor mínimo de 3,57s.
25
Figura 6-4 – Percentagem de ocorrências para a altura da onda máxima e o seu períodos associado, dado pelo método directo, na Terceira.
A variável Hzmax, registada para cada observação, e o seu período associado (Tzmax), é neste trabalho apresentado apenas como uma variável indicativa, ou seja não será utilizada para caracterizar o estado do mar, pois é obtida pelo ME.
Na bóia ondógrafo ao largo da ilha Terceira (figura 6-4) a onda máxima registada com maior frequência, cerca de 38%, tem uma altura de 2m, e o valor mais elevado registado foi de 14,8m de altura. As ondas máximas com alturas superiores a 7m ocorreram em percentagens inferiores a 1%. Os períodos das ondas máximas, mais representativos foram os de 8 a 10s, com percentagens de ocorrência de 29% e de 34%, respectivamente. Tendo sido observado o valor máximo, para o período da onda máxima, de 21,9s.
Figura 6-5 - Percentagem de ocorrências da direcção da agitação marítima pelos métodos espectral e directo, na Terceira.
26
A direcção da agitação marítima é dada de onde vêm as ondas, é calculada em graus (º), rodando no sentido dos ponteiros do relógio a partir do Norte verdadeiro.
Segundo a figura 6-5 pode-se observar a correspondência entre os resultados dos métodos utilizados e concluir que a esmagadora maioria da agitação marítima provem de Norte, com percentagem de ocorrência de 58,5%, para ME e 59% para MD. Ao analisar os dados da direcção da agitação há que ter em conta a posição da bóia ondógrafo em relação à ilha, ver figura 3-2. No caso da ilha Terceira, a bóia ondógrafo está fundeada ao largo da costa Este, por isso o parâmetro da direcção é condicionado e não apresenta registos significativos de ondulação vindos de W e SW.
6.1.2. Ocorrências conjuntas de altura significativa e
período de pico por direcção da agitação
As tabelas 6-1, 6-2 e 6-3 apresentam as ocorrências conjuntas entre o
THTP-Hm0, THTP-TP e o TP-Hm0, para a bóia ondógrafo ao largo da ilha Terceira.
Assinalados a cor diferente estão os valores com significância (superiores a 2%).
Tabela 6-1 – Ocorrências conjuntas (%) de altura significativa (Hm0)(m) e direcção do período de pico por
classes, para a Terceira.
N NE E SE S SW W NW Total 0-1m 5,1 2,4 0,8 0,3 1,7 0,1 0,0 0,7 11,0 1-2m 28,5 7,7 5,1 1,7 3,8 0,5 0,1 2,3 49,6 2-3m 17,4 3,8 2,7 0,9 2,1 0,2 0,1 0,8 27,9 3-4m 5,9 1,0 1,1 0,3 0,3 0,0 0,0 0,1 8,7 4-5m 1,3 0,3 0,3 0,1 0,1 0,0 0,0 0,0 2,0 5-6m 0,3 0,1 0,1 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,6 6-7m 0,1 0,1 0,1 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,2 > 7m 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,1 Total 58,5 15,4 10,1 3,2 8,0 0,7 0,2 4,0 100
27
Tabela 6-2 - Ocorrências conjuntas (%) de período de pico (Tp)(s) e direcção, por classes, para a Terceira.
N NE E SE S SW W NW Total 3-5s 0,0 0,0 0,1 0,1 0,3 0,0 0,0 0,0 0,6 5-7s 0,7 0,5 0,9 0,9 1,6 0,1 0,0 0,2 4,9 7-9s 4,5 3,3 3,7 1,6 3,0 0,4 0,1 0,6 17,1 9-11s 16,2 6,1 4,4 0,4 1,0 0,1 0,1 1,6 29,9 11-13s 22,4 3,9 0,9 0,1 0,4 0,0 0,0 1,4 29,0 13-15s 11,4 1,3 0,1 0,0 1,0 0,0 0,0 0,2 14,1 15-17s 3,2 0,3 0,0 0,0 0,5 0,0 0,0 0,0 4,1 > 17s 0,1 0,0 0,0 0,0 0,1 0,0 0,0 0,0 0,3 Total 58,5 15,4 10,1 3,2 8,0 0,7 0,2 4,0 100
Tabela 6-3 - Ocorrências conjuntas (%) de altura significativa (Hm0)(m) e o período de pico (Tp)(s), por classes,
para a Terceira. 3-5s 5-7s 7-9s 9-11s 11-13s 13-15s 15-17s > 17s Total 0-1m 0,2 0,7 3,2 3,5 1,9 1,2 0,4 0,0 11,0 1-2m 0,4 3,5 9,4 17,0 14,2 4,2 0,9 0,1 49,6 2-3m 0,0 0,8 3,8 6,7 9,5 5,6 1,4 0,0 27,8 3-4m 0,0 0,0 0,6 2,0 2,5 2,4 1,1 0,1 8,7 4-5m 0,0 0,0 0,1 0,6 0,6 0,6 0,2 0,0 2,0 5-6m 0,0 0,0 0,0 0,1 0,2 0,2 0,1 0,0 0,6 6-7m 0,0 0,0 0,0 0,0 0,1 0,0 0,0 0,0 0,2 > 7m 0,0 0,0 0,0 0,0 0,1 0,0 0,0 0,0 0,1 Total 0,6 4,9 17,1 30,0 29,0 14,1 4,1 0,3 100
A predominância dos estados do mar ao largo da ilha Terceira têm direcção N,
com Hm0 entre 1 a 3m, com períodos de pico que variam entre os 9 e os 15s. Existem
ainda a considerar alguns valores de ondulação entre 1 a 3m de Hm0, com Tp entre os
9 e os 13s que ocorreram nas direcções NE, E e S. Há a salientar a baixa ocorrência de ondulação proveniente dos rumos de W, facto este que se deve à localização da
Bóia ondógrafo em relação à ilha Terceira. As ondulações com Hm0 superior a 5m
apenas ocorrem nas direcções de N a E, com períodos de pico associados no intervalo de 11 a 13s.
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6.1.3. Ocorrência de Temporais
Em primeiro lugar há que definir que em situação de temporal apenas é utilizada
a variável Hm0 e, segundo Holthuijsen (2007), Costa (2007) e Simões (2007),
considera-se tempestade quando a altura significativa é superior a 5m por um período superior a 6 horas. Para caracterizar os estados do mar em tempestade foram
utilizadas as variáveis Hm0, Tz e Direcção.
Na tabela 6-4 são apresentados os registos de temporais ocorridos ao largo da Terceira, 11 registos.
Tabela 6-4 – Resumo das tempestades ocorridas na ilha Terceira, altura significativa máxima (Hmo max)(m), período médio (Tz)(s), direcção e duração (dia), na Terceira.
Data Hm0 max (m) Tz (s) Direcção Duração (dias)
26-Fev-05 8,4 8,2 E 0,9 25-Mar-05 6,1 9,3 N 1,0 26-Out-05 5,5 9,3 N 0,6 10-Abr-06 6,0 7,9 NE 0,8 24-Nov-06 5,9 8,6 N 1,1 27-Nov-06 5,5 9,8 N 0,4 23-Jan-07 7,9 7,9 E 1,4 07-Jun-07 7,1 8,2 N 0,3 17-Dez-07 8,0 8,2 N / NE 1,9 02-Jan-08 6,3 9,4 N 1,6 08-Abr-08 8,7 8,4 NE 1,7
Os temporais com Hm0 max (altura significativa máxima) superiores a 8m
(registos a negrito), ocorreram de E e NE, o temporal que ocorreu no dia 17 de Dezembro de 2007, começou vindo de N e rodou para NE e o temporal de 7 de Junho
de 2007 que foi proveniente de N. Os temporais com Tz superiores a 9s tiveram a
direcção de N e os temporais mais severos tiveram períodos médios, associados, a rondar os 8s. Os temporais com ondulação de N registaram sempre altura significativa máxima inferior a 6,5m, com excepção do temporal registado a 7 de Junho de 2007. A maioria dos temporais observados ocorreram nos meses de inverno excepto o temporal que ocorreu a 7 de Junho de 2007. O temporal mais prolongado no tempo foi o de 17 de Dezembro de 2007, com a duração de 1,9 dias. Os temporais mais severos (destacados a negrito) tiveram uma duração igual ou superior a 1 dia.
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6.1.4. Temperatura da superfície do mar
Os valores médios mensais da temperatura da superfície do mar (SST) observada nos diferentes períodos em estudo são apresentados na figura 6-6.
Figura 6-6- Valores da média mensal da temperatura da superfície da água do mar por ano, na Terceira. Embora a série de dados seja curta pode observar-se claramente a sazonalidade da variação da temperatura da superfície da água do mar ao longo do ano.
Na figura seguinte pode observar-se a média da SST e também os valores médios dos máximos e mínimos extremos registados em cada mês nos diferentes anos que compõem a serie temporal.
Figura 6-7 – Valor médio e média dos valores extremos da temperatura da superfície da água do mar por mês, na Terceira. 12 1416 18 2022 24 26 28 Jan eiro Fe ve re iro Ma rço Abril Ma io Ju nh o Ju lh o Agos to Set em bro Ou tu bro N ov em bro De zem bro Tem pe ratu ra (ºC)
SST (ºC)
2005 2006 2007 2008 12,00 14,00 16,00 18,00 20,00 22,00 24,0026,00 28,00 Jan eiro Fe ve re iro Ma rço Abril Ma io Ju nh o Ju lh o Agos to Se tem bro Ou tu bro N ov em bro De zem bro Tem pe ratu ra (ºC)SST (ºC)
Máximo Média Mínimo30
Pela análise dos dados da tabela 6-5 pode-se concluir que a temperatura da água do mar, na ilha Terceira tem os seus valores médios mais altos no mês de Agosto (23 ºC) e os mais baixos no mês de Março (15,7 ºC). Nos meses de Junho a Outubro a SST, em média, é superior 20 ºC, e nos meses de Fevereiro a Abril è inferior a 16 ºC.
Tabela 6-5 – Quadro resumo da média da temperatura da superfície do mar (SST)(ºC), e dos valores médios dos extremos, por meses, na Terceira.
Janeiro Fevereiro Março Abril Maio Junho Julho Agosto Setembro Outubro Novembro Dezembro
Valores médios (ºC) 16,1 15,8 15,7 15,9 17,2 18,7 20,9 23,0 22,5 20,6 18,6 16,9
Média dos extremos
máximos (ºC) 16,6 16,8 16,7 17,2 19,0 20,6 22,6 25,2 23,8 22,3 19,7 17,8
Média dos extremos
mínimos (ºC) 15,6 15,4 15,2 15,2 15,9 17,1 19,6 20,6 21,2 19,1 17,1 16,3
Na figura 6-8 pode-se observar a distribuição das temperaturas do ar e da superfície do mar ao longo do ano. Onde se pode constatar a resposta do aumento da temperatura do ar por parte da energia absorvida pelo mar fazendo a temperatura deste aumentar também. De Agosto a Abril a temperatura da superfície do mar é sempre superior a temperatura da atmosfera.
Figura 6-8 – Evolução das temperaturas do mar e do ar ao longo do ano na Terceira (estações: BOND 1 e EMA 1). 12,00 14,00 16,00 18,00 20,0022,00 24,00 26,00 28,00 Jan eiro Fe ve re iro Ma rço Abril Ma io Ju nh o Ju lh o Agos to Se tem bro Ou tu bro N ov em bro De zem bro Tem pe ratu ra (ºC)
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6.1.5. Fluxo de calor
Quanto ao fluxo de calor, como proposto na metodologia acima descrita, foram estimados os valores médios mensais dos fluxos diários de calor sensível e calor latente. O sinal dos valores dos fluxos indicam o ganho ou a perca de energia por parte do oceano, ou seja, se o sinal for positivo, significa que o oceano recebeu energia da atmosfera, se for negativo o oceano cedeu energia. Na figura 6-9 são apresentados os valores médios mensais dos fluxos diários de calor sensível no mar ao largo da ilha Terceira.
Figura 6-9 – Valores médios mensais dos fluxos diários de calor sensível (W.m-2
) para as estações da Terceira (BOND 1 e EMA 1).
Como se pode observar na figura anterior os valores de calor sensível são positivos nos meses de Maio a Julho, nestes meses a atmosfera cede energia ao oceano. Esta situação deve-se obviamente à temperatura do ar ser superior à do oceano, e também ao facto dos ventos soprarem mais fracos nestes meses. Nos restantes meses é o oceano que sede calor à atmosfera.
Quanto ao fluxo do calor latente a distribuição ao longo do ano é mais regular, como se pode observar na figura 6-10. A transferência de energia (de sinal negativo) dá-se no sentido do oceano para a atmosfera.
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 Ja neir o Fev ereir o Ma rç o Ab ril Maio Junh o Ju lh o Ag os to Se tem bro O ut ub ro N ov em bro De zem bro Qh (W .m -2)
