1 climatologia dos vÓrtices ciclÔnicos de altos...
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CLIMATOLOGIA DOS VÓRTICES CICLÔNICOS DE ALTOS NÍVEIS QUE AFETAMO SUL DO BRASIL
Dirceu Luís Severo¹, Ana Paola Campigotto², Júlio Cesar Refosco³1,3Centro de Operações do Sistema de Alerta de Cheias da Bacia do Itajaí - CEOPS
E-mail¹: [email protected]³: [email protected]
²Bolsista de Iniciação CientíficaE-mail: [email protected]
Universidade Regional de Blumenau – FURB – Rua Antonio da Veiga, 140 – Victor Konder89012-900 - Blumenau – SC – Brasil
ABSTRACT: Cut-Off Lows (COLs) are weather systems that form from the deepening of the
westerly atmospheric flow in medium to high levels of the troposphere. Some such events were
associated with rainfall that caused flooding in the Itajaí Valley. This study used data from the
NCEP-NCAR for 1979-2008 to develop a climatology and tracing the trajectories of COLs using
a method of subjective analysis. For the period studied there were no significant trends in the
number of events over the past 10 years although there was a significant increase in cases.
However, it is not possible to say whether this increase is associated with a real trend or is due to
an improvement in the quality of atmospheric data used. The preferential areas of geneses are
over the Pacific Ocean between latitudes 20ºS and 45ºS. For all seasons, the trajectory of COLs is
almost zonal over the Pacific Ocean, but bends to the northeast to reach the Andes and returns to
the south after reaching the Atlantic Ocean. The impact of the passage of these systems on
rainfall in southern Brazil is shown in a case study. There is a reasonable amount of rainfall
associated with COLs during the period in which the core system is still on the mainland, but
close to the coast.
PALAVRAS CHAVES: Vórtices Ciclônicos, Vorticidade Potencial Isentrópica, Região Sul,
Tendências, Precipitação, Sistemas Sinóticos, Chuvas Intensas.
1. INTRODUÇÃO
Um vórtice ciclônico de altos níveis (VCAN) também denominado baixa desprendida
corresponde a um sistema de baixa pressão fechada na troposfera superior que se desprendeu
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completammente do escoamento de oeste. Usualmente, estas baixas desprendem-se da região da
corrente de jato e são advectadas para o lado equatorial do escoamento básico de oeste (Nieto et
al 2008). Um VCAN geralmente inicia seu ciclo de vida como um cavado na média e alta
troposfera. Comumente apresentam-se como depressões localizadas nas latitudes médias e
caracterizam-se por contornos fechados no campo de altura geopotencial com isotermas mais ou
menos concêntricas em torno do núcleo central. Como a corrente de jato corresponde a uma
barreira entre duas massas de ar de muito diferentes, o ar aprisionado dentro de um VCAN
mantém as suas características polares (isto é, mantém-se mais frio do que as vizinhanças). A
intensidade da rotação é máxima na alta troposfera e vai diminuindo em direção aos níveis mais
baixos, sendo possível até mesmo encontrar circulação anticiclônica na superfície (Kurz, 1997).
Os VCAN podem ser reconhecidos com máximos de vorticidade potencial (VP) em superfícies
isentrópicas. Sabe-se que bandas de fortes gradientes de VP coincidem com as correntes de jato e
atuam como guias de onda para a propagação de ondas de Rossby (Schwierz et al 2004). A
quebra de ondas de Rossby na alta troposfera pode levar a pronunciadas invasões de ar
estratosférico e, eventuralmente, a formação de um VCAN (Appenzeller et al 1996). A gênese
desses sistemas em latitudes médias pode ser vista como o deslocamento de uma região de alto
valor de VP de seu reservatório polar, levando ao desprendimento de uma área de baixa
desprendida distcreta. A VP pode, portanto, ser considerada outra quantidade útil para a
identificação de VCANs.
Independente do método de identificação, VCAN podem ser associados com intensa troca
estratosfera-troposfera (Holton et al 1995). De fato, as trocas de massa estratosfera-troposfera
associadas com VCAN tem sido reconhecidas como responsáveis, pelo menos a uma certo grau,
pelo aparecimento de valores anomalamente altos de ozonio troposférico nas médias latitudes e
áreas subtropicais do hemisfério norte (Kentarchos et al, 2000). Em VCAN, a tropopausa é
anomalamente baixa e pode ser caracterizada por dobras e estruturas agudas.
Uma vez que o VCAN está desconectado do escoamento zonal, a corrente de jato não mais
controla o movimento do sistema isolado e seu movimento torna-se mais errático e dificil de
prever. O VCAN pode permanecer estacionário e girar por dias oum em outras ocasiões, pode se
mover para oeste na direção oposta ao escoamento predominante (isto é, retroceder). O
movimento do VCAN é usualmente lento e ele pode permanecer sobre uma região até se
reconectar ao reservatório polar ou até enfraquecer e eventualmente dissipar-se. Esses sistemas
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são, portanto, capazes de afetar consideravelmente as condições do tempo na superfície por
períodos de vários dias.
Como regra geral, a troposfera abaixo do VCAN é instável e diversos eventos convectivos podem
ocorrer, dependendo das condições na superfície. Contudo, VCAN podem produzir significativa
precipitação somente quando a massa de ar abaixo do VCAN é significativamente úmida e torna-
se potencialmente instável (Knippertz e Martin 2005). No hemisfério norte esta instabilidade
ocorre frequentemente abaixo do VCAN em latitudes médias entre 30 e 40º N e os eventos
convectivos podem ocorrer às vezes com severidade, nas áreas afetadas.
Por causa de seu movimento errático, seu auto desenvolvimento e ocasionalmente suas
caracteristicas dissipativas, e a instabilidade termodinâmica frequentemente associada a estas
variáveis, a previsão para sistemas que são afetados pelos VCAN é particularmente dificil. Os
VCAN são associados a muitos problemas substanciais na previsão do tempo, principalmente das
diferentes caracteristicas do terreno e a presença/ausencia de um oceano quente que permite/inibe
a convecção. Assim a previsão de distribuição da precipitação associada aos VCAN apresenta um
considerável desafio, especialmente quando a a precipitação é resultante da convecção reforçada
por um oceano quente. Quando umidade está disponível, os VCAN podem disparar multiplas
bandas de nuvens e essas podem trazer de moderada a inensa precipitação sobre grandes áreas.
Em particular, eles estão entre os maiores sistemas de tempo severo que afetam o sul da Europa e
o norte da África e responsáveis por alguns dos eventos de tempo mais catastróficos em termos
de taxas de precipitação (Porcú et al 2007). No sul do Brasil, os VCAN foram associados a
eventos de enchentes no Vale do Itajaí (Severo, 1994).
No presente trabalho foi feita uma investigação para caracterizar climatologicamente a
distribuição espacial e temporal dos VCAN que se formaram nas vizinhanças da América do Sul
durante o período de 1979 a 2008. Também foram traçadas as trajetórias seguidas por tais
sistemas de forma a caracterizar o caminho preferencial em cada mês do ano.
2 - MATERIAL E MÉTODOS
Os campos meteorológicos de grande escala utilizados para identificar os VCAN foram obtidos
do conjunto das reanálises do NCEP (National Centers for Environmental Prediction). Detalhes
deste conjunto de dados encontram-se em Kalnay et al (1996). A resolução temporal destes dados
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é de 6 horas e todas as variáveis são regularmente distribuídas sobre uma grade com espaçamento
horizontal de 2,5 graus de latitude e longitude. Na vertical, as reanálises dispõem de 17 níveis que
incluem as superfícies de pressão principais entre 1000 a 10 hPa. Este conjunto de dados
encontra-se disponível no Climate Diagnostics Centers (www.cdc.noaa.gov). Também foram
utilizados dados de precipitação diária cedidos pela Agência Nacional de Águas (ANA) e
imagens de satélite nos canais espectrais do infravermelho e do vapor d’água disponibilizadas
pelo CPTEC (Centro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos).
A área de estudo foi escolhida entre as latitudes de 60˚S a 20˚S e as longitudes que envolvem a
área continental da América do Sul e oceanos adjacentes. A região tropical (abaixo de 20º S) foi
excluída pela pouca probabilidade de desenvolvimento de VCAN do tipo procurado. A região
polar (acima de 60˚S) também foi descartada para evitar a seleção de vórtices polares, que
também são sistemas dinamicamente diferentes dos procurados.
Foram utilizados campos meteorológicos de variáveis primitivas como vento, temperatura e
pressão e campos derivados como altura geopotencial, componente vertical da vorticidade,
vorticidade potencial em coordenadas isentrópicas, dentre outros.
O geopotencial é definido como o trabalho realizado contra a força gravitacional para elevar uma
unidade de massa desde a superfície até uma altura z. Matematicamente:Φ = ∫ ( , ) (1)
Onde g é a aceleração da gravidade.
A vorticidade é uma medida da tendência que as parcelas de um fluido apresentam de girar em
torno de um eixo. No hemisfério sul a rotação ciclônica (horária) do escoamento atmosférico
implica em uma vorticidade negativa. Matematicamente, a componente vertical da vorticidade
relativa em coordenadas retangulares é a seguinte:
y
u
x
v
(2)
Onde u e v são a componente zonal (oeste-leste) e meridional (sul-norte), respectivamente. O
problema com o uso da equação da vorticidade é que valores negativos também são encontrados
nas regiões de correntes de jato, confundindo a intensa variação da velocidade no sentido norte-
sul com a posição do vórtice.
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A vorticidade em coordenadas isentrópicas é útil para identificar a extensão vertical do vórtice.
Uma superfície isentrópica é um nível de temperatura potencial constante. Como a atmosfera é
estavelmente estratificada, a superfície de 300 K normalmente fica abaixo do nível de 320K. O ar
permanece sobre um nível isentrópico a menos que ele seja aquecido diabaticamente. A equação
da vorticidade potencial isentrópica é dada pela equação (3):
p
fgVPI
(3)
Onde g é a aceleração gravitacional,p
é a diferencial parcial da temperatura potencial em
função da pressão, f é a vorticidade planetária e é a vorticidade relativa em coordenadas
isentrópicas. As unidades de VPI são 121. smkgK e o valor de 10-6 121. smkgK = 1UVP. Para o
hemisfério Sul, valores em torno de -1 UVP são típicos da camada de separação entre a
troposfera e a estratosfera (a tropopausa) e valores menores podem ser associados a camadas de
ar de origem estratosférica.
Na identificação dos VCAN foram levados em conta os seguintes critérios: 1) A presença de um
centro fechado no campo de altura geopotencial em 500 hPa; 2) um núcleo negativo de
Vorticidade Potencial Isentrópica (VPI) desconectado do escoamento de oeste nos altos níveis
(300 hPa); 3) uma circulação ciclônica isolada no campo de vento em 300 hPa e 4) o centro do
vórtice com temperaturas menores do que as vizinhanças.
A posição do VCAN é o ponto de latitude e longitude onde é encontrado o menor valor do
geopotencial e onde a circulação do escoamento é fechada.
3 - RESULTADOS E DISCUSSÃO
No período de 1979 a 2008 foram identificados 946 casos de VCAN no setor sul da América do
Sul e oceanos adjacentes. A distribuição mensal destes eventos mostra que o mês de setembro é o
menos freqüente em número de casos, tendo sido registrados 53 casos. O mês de novembro foi o
que registrou o maior numero de casos (91 casos). Esta distribuição mensal é apresentada na
figura 1.
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Figura 1. Distribuição Mensal dos VCAN para o período 1979 a 2008.
A figura 2 mostra a variabilidade interanual dos casos de VCAN. Nota-se certa oscilação dos
valores com uma freqüência média de cerca de 30 casos nos primeiros 10 anos do período de
estudo e um diminuição para menos de 25 casos por ano nos 10 anos seguintes. Nos últimos 10
anos do período estudado, a freqüência anual média foi superior a 30 eventos em quase todos os
anos. O ano de 2008 superou todos os valores médios das décadas anteriores tendo sido
registrados 55 casos neste ano. Aparentemente, a partir de 1996 há uma tendência positiva na
freqüência de VCAN. Não é possível afirmar se esta tendência está associada a uma mudança nos
padrões da circulação atmosférica ou se é devido apenas a uma melhora na qualidade dos dados
utilizados.
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Figura 2. Distribuição Anual dos VCAN para o período de 1979 a 2008.
A trajetória dos VCAN selecionados de acordo com a época do ano é mostrada na figura 3. Nesta
figura, cada ponto indica a posição do centro ciclônico com um intervalo temporal de 6 horas
entre eles. Nota-se que a maioria dos vórtices segue trajetórias que passam pelo sul do continente.
O movimento dos VCAN é quase zonal (oeste-leste) sobre o Oceano Pacífico, encurva-se para
nordeste ao se aproximar da cordilheira dos Andes e depois se volta para sudeste em direção ao
Oceano Atlântico. No outono e no inverno, os VCAN conseguem alcançar latitudes mais baixas
chegando inclusive ao centro-oeste da América do Sul. No verão, raramente o caminho seguido
pelos VCAN se aproxima dos estados do Sul do Brasil.
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Figura 4. Trajetória dos VCAN de acordo com os meses do ano. Em janeiro (a), fevereiro (b),
março (c), abril (d), maio (e), junho (f), julho (g), agosto (h), setembro (i), outubro (j), novembro
(k) e dezembro (k).
3.1. ESTUDO DE CASO
Foi realizada uma análise das condições atmosféricas durante a passagem e desenvolvimento de
um VCAN que se desenvolveu entre os dias 01 e 03 de maio de 2008. A análise é baseada em
imagens do canal infravermelho do satélite geoestacionário GOES e nos dados de seis em seis
horas das reanálises do NCEP-NCAR. Também são analisados dados de precipitação diária
cedidos pela Agência Nacional de Águas (ANA).
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Figura 4. Trajetória dos VCAN de acordo com os meses do ano. Em janeiro (a), fevereiro (b),
março (c), abril (d), maio (e), junho (f), julho (g), agosto (h), setembro (i), outubro (j), novembro
(k) e dezembro (k).
3.1. ESTUDO DE CASO
Foi realizada uma análise das condições atmosféricas durante a passagem e desenvolvimento de
um VCAN que se desenvolveu entre os dias 01 e 03 de maio de 2008. A análise é baseada em
imagens do canal infravermelho do satélite geoestacionário GOES e nos dados de seis em seis
horas das reanálises do NCEP-NCAR. Também são analisados dados de precipitação diária
cedidos pela Agência Nacional de Águas (ANA).
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Figura 4. Trajetória dos VCAN de acordo com os meses do ano. Em janeiro (a), fevereiro (b),
março (c), abril (d), maio (e), junho (f), julho (g), agosto (h), setembro (i), outubro (j), novembro
(k) e dezembro (k).
3.1. ESTUDO DE CASO
Foi realizada uma análise das condições atmosféricas durante a passagem e desenvolvimento de
um VCAN que se desenvolveu entre os dias 01 e 03 de maio de 2008. A análise é baseada em
imagens do canal infravermelho do satélite geoestacionário GOES e nos dados de seis em seis
horas das reanálises do NCEP-NCAR. Também são analisados dados de precipitação diária
cedidos pela Agência Nacional de Águas (ANA).
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As 12:00 TMG (Tempo Médio de Greenwich, -3 horas do tempo local) do dia 01 de maio de
2008 um sistema ciclônico cruzou os Andes próximo da latitude de 30ºS e iniciou um processo
de intensificação sobre o centro-norte da Argentina. A nebulosidade associada a este sistema
meteorológico (área mais clara na imagem) apresenta uma curvatura típica de um VCAN no setor
sul-sudeste e leste do vórtice. No dia 01/05/08 as 00:15 TMG (figura 5b), a nebulosidade
associada ao VCAN encobre praticamente todo o estado de Santa Catarina e parte do estado do
Rio Grande do Sul. Na seqüência das imagens de satélite, nota-se o que a entrada de ar frio pelo
setor oeste do vórtice foi empurrando o sistema para o oceano Atlântico. A curvatura da
nebulosidade é uma assinatura do sistema de circulação ciclônica (sentido de giro horário). No
dia 03 as 12:00 TMG (figura 5e) o centro ciclônico já se encontra no oceano a leste do Rio
Grande do Sul e a nebulosidade mais intensa encontra-se no setor sul do centro do vórtice. No
horário seguinte, as 00:15 TMG do dia 04, o VCAN já inicia a etapa de dissipação o que pode ser
comprovado pela diminuição da nebulosidade.
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Figura 5: Imagens do satélite geoestacionário GOES para: a) 01/05 as 12:00 TMG, b) 02/05 as00:15 TMG, c) 02/05 as 12:00 TMG, d) 03/05 as 00:00 TMG, e) 03/05 as 12:00 TMG e f) 04/05as 00:15 TMG.
A evolução do VCAN analisada a partir do campo de vento em 300 hPa é mostrada na figura 6.
A ondulação no escoamento sobre o centro da Argentina revela a presença de um cavado de onda
curta às 12:00 TMG de 01/05/2008 (figura 6a). Outro cavado de onda mais longa encontra-se
sobre o Oceano Pacífico com seu eixo orientado no sentido noroeste-sudeste entre 60ºS e 40ºS.
Este cavado permanece quase estacionário durante todo o período de duração do evento. As
00:00 TMG do dia 02/05 (figura 5b), o cavado do Pacífico entra num estágio de intensificação
com alteração no seu eixo meridional para uma orientação norte-sul. Com esta nova orientação, a
crista se aprofunda e o seu eixo corta o sul da América do Sul desde o centro do Chile até o sul da
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Argentina. No dia 02/05 as 12:00 TMG (figura 5c) o centro do VCAN está localizado no
sudoeste do Rio Grande do Sul. Nos horários seguintes, a crista se intensifica e gera uma
circulação anticiclônica fechada formando um par ciclone-anticiclone sobre o sul da América do
Sul. A posição do ciclone favorece o desenvolvimento da nebulosidade no lado leste-nordeste do
centro ciclônico devido à convergência de umidade naquela região.
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Figura 6: Campo de Vento Horizontal em 300 hPa para: a) 01/05 as 12:00 TMG, b) 02/05 as00:00 TMG, c) 02/05 as 12:00 TMG, d) 03/05 as 00:00 TMG, e) 03/05 as 12:00 TMG e f)04/05 as 00:00 TMG.
O perfil vertical do campo de vento em conjunto com a temperatura potencial permite avaliar o
deslocamento do VCAN bem como sua extensão vertical e a temperatura no seu núcleo. Na
figura 7a (as 12:00 TMG do dia 01/05) o perfil do vento apresenta um padrão de dipolo com
ventos de sul entre 70ºW e 75ºW e ventos de norte em torno de 60ºW com ventos máximos
próximo ao nível de 300 hPa. O núcleo de ventos máximos, com mais de 30 m/s (108 km/h)
encontra-se entre 200 e 400 hPa, aproximadamente. Entre os dois núcleos de velocidades
máximas a curvatura da temperatura potencial indica que a região central é mais fria do que as
vizinhanças, uma característica do VCAN. O dipolo move-se para leste, mas o centro frio atrasa
um pouco em relação aos níveis mais altos. Apesar da estrutura vertical do vento deixar de
apresentar os núcleos positivo e negativo a partir do dia 02/05, a coluna de ar frio com extensão
vertical permanece estabelecida na região da passagem do VCAN conforme observado na
imagem de satélite.
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Figura 7: Corte Vertical em 30ºS para o campo de vento (setas), componente meridional dovento horizontal (área colorida) e temperatura potencial (linhas) para: a) 01/05 as 12:00 TMG, b)02/05 as 00:00 TMG, c) 02/05 as 12:00 TMG, d) 03/05 as 00:00 TMG, e) 03/05 as 12:00 TMG ef) 04/05 as 00:00 TMG
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A passagem do VCAN pelo estado de Santa Catarina produziu chuvas razoavelmente bem
distribuídas, mas com maior intensidade em algumas regiões no Norte, Planalto Sul, Vale do
Itajaí e Litoral. A distribuição da precipitação acompanha a evolução do VCAN como visto nas
imagens de satélite. Em Itapoá, no Litoral Norte, no dia 02/05 a precipitação acumulada foi de
53,0 mm. Nos municípios de Indaial, Urubici e São Joaquim, a precipitação acumulada foi de
cerca de 30 mm neste mesmo dia. No dia seguinte (03/05), a precipitação concentrou-se na região
do Planalto Sul com totais superiores a 35 mm em São Joaquim e Urubici. Nos dias seguintes,
com o deslocamento do VCAN para o oceano, a precipitação foi fraca em todo o estado.
Figura 6: Distribuição diária da precipitação para o estado de Santa Catarina no período 01-07 demaio de 2008.
4. CONCLUSÕES
Foi realizado um estudo climatológico e dinâmico dos Vórtices Ciclônicos de Altos Níveis
(VCAN) que se formaram nas vizinhanças da América do Sul no período de 1979 a 2008. Foram
identificados 946 sistemas que apresentaram alta variabilidade interanual. Notou-se um aumento
dos casos na última década do período analisado, entretanto a tendência aparente não pode ser
atribuída a uma mudança no comportamento da circulação atmosférica que estaria associada, por
exemplo, a uma mudança climática. Pode ser apenas uma conseqüência da melhoria na qualidade
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Dia s do M ê s
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dos dados que passaram a incorporar mais informações obtidas de satélites e no aumento do
desempenho dos modelos numéricos de previsão de tempo.
Os VCAN que se formam no Oceano Pacífico seguem uma trajetória quase zonal (oeste-leste) até
alcançar a costa da América do Sul. Ao cruzar os Andes, o VCAN descreve uma curva,
inicialmente em direção ao norte da Argentina e depois, passando pelo sul do Brasil, encaminha-
se para o Oceano Atlântico.
Notou-se através de um estudo de caso, que a precipitação produzida pelo VCAN durante sua
passagem pelo continente está concentrada nos setores leste e sul do centro ciclônico. Com o
deslocamento do sistema para o oceano, rapidamente as condições do tempo sobre o continente
melhoram.
AGRADECIMENTOS.
Os autores agradecem à Fundação Universidade Regional de Blumenau que através de seu
Programa Institucional de Bolsas de Iniciação Científica financiou parte do trabalho. Também
agradem a Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP) pelo apoio financeiro através do Projeto
CLIMASUL.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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