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VARIABILIDADE DOS BALANÇOS DE UMIDADE E CALOR DO SISTEMA
DE MONÇÃO DA AMÉRICA DO SUL E RELAÇÃO COM FENÔMENOS
ATMOSFÉRICOS DE BAIXA FREQUÊNCIA
Projeto submetido em resposta ao Edital MCT/CNPq 14/2010
Universal – Faixa A – até R$ 20.000,00
Pesquisador responsável/coordenador:
Sâmia Regina Garcia, Dra. em Meteorologia, Instituto de Recursos Naturais da
Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI), 37500-903, Itajubá, MG, Brasil. E-mail:
Pesquisador colaborador:
Mary Toshie Kayano, Dra. em Meteorologia, Centro de Previsão de Tempo e Estudos
Climáticos (CPTEC) do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), 12227-010,
São José dos Campos, SP, Brasil. E-mail: [email protected]
Itajubá/MG, Julho de 2010
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RESUMO
Com este projeto pretende-se investigar as características dos balanços de umidade e
calor para a região do Sistema de Monção da América do Sul (SMAS) em duas fases da
Oscilação Decenal do Pacífico (PDO, em inglês). Os termos dos balanços serão
calculados com dados da Reanálise e, com eles, uma climatologia mensal para cada fase
será feita. A técnica de Funções Ortogonais Empíricas (EOF, em inglês) será aplicada
nas anomalias dos termos de resíduo e diabático nos períodos de 1958-1976 e 1977-
1995, fase fria e quente da PDO, respectivamente, para obtenção dos modos dominantes
de tais termos. Análise de compostos das anomalias de Temperatura da Superfície do
Mar (TSM), pressão ao nível do mar, ω em 500hPa, água precipitável e temperatura do
ar em 850 hPa será feita para casos selecionados através dos cálculos das EOF dos
termos de resíduo e diabático. A seleção dos casos dar-se-á através dos valores
limítrofes máximos e mínimos de desvio padrão encontrados nas componentes
principais dos modos que explicam a maior parte da variância total. As composições
serão executadas para primavera, verão, outono e inverno, pois, assim, a análise é feita
no período, seco, chuvoso e nas estações de transição do SMAS. Ainda, as séries de
componentes principais dos modos encontrados que explicam a maior parte da variância
total serão correlacionadas com as séries das anomalias de TSM nas regiões do Pacífico
e do Atlântico. Portanto, com a realização desse projeto ter-se-á a possibilidade de um
melhor monitoramento climático, em virtude das fases da PDO, dos aspectos
atmosféricos e oceânicos relacionados ao ciclo de vida do SMAS.
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SUMÁRIO
Pág.
1 - INTRODUÇÃO E FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .......................................... 4 2 - OBJETIVOS ........................................................................................................ 10 3 - DADOS E METODOLOGIA .............................................................................. 11 3.1 Dados .................................................................................................................... 11 3.2 Metodologia .......................................................................................................... 11 3.2.1 Balanço de umidade ........................................................................................... 12 3.2.2 Balanço de calor ................................................................................................. 13 3.2.3 Climatologia e EOF ............................................................................................ 14
4 - PRINCIPAIS CONTRIBUIÇÕES DO PROJETO ............................................ 17 5 - CRONOGRAMA ................................................................................................. 18 6 - ORÇAMENTO .................................................................................................... 19 7 - DESCRIÇÃO DO ORÇAMENTO E JUSTIFICATIVAS ................................. 19 8 - PLANO DE ESTUDO DO BOLSISTA ............................................................... 21 8.1 Etapas ................................................................................................................... 21 8.2 Cronograma .......................................................................................................... 22
9 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................ 22
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1 – INTRODUÇÃO E FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
O estudo dos aspectos climáticos de um modo geral é de grande importância para as
atividades humanas e, assim, o conhecimento da maneira com que o mesmo se altera,
em escala regional ou global, é muito relevante para os setores econômicos, agrícolas,
pesqueiros, industriais, energéticos, entre outros. Assim, entendendo os mecanismos
associados com a variabilidade do clima, faz-se possível uma maior troca de
informações com os setores administrativos, industriais e para a população em geral
através do fornecimento de subsídios necessários para se tentar lidar com seus efeitos.
Desse modo, importantes implicações sócio-econômicas são obtidas através do estudo e
do monitoramento da variabilidade climática.
A variável meteorológica de maior interesse para a sociedade em geral é a chuva, pois,
sua ocorrência, dependendo da população atingida e da intensidade, pode trazer
conseqüências benéficas ou, até mesmo, catastróficas, se a ocorrência se der em sua
maneira mais extrema. Logo, a indiscutível importância do clima e dos estudos
climáticos torna-se mais acentuada quando se associa ao contexto da chuva e, um
melhor entendimento das características dessa variável, assim como da estação chuvosa,
beneficia as pessoas que dependem dessas informações, principalmente os setores
operacionais de previsão climática.
Nesse âmbito de estação chuvosa e no que concerne à América do Sul, sabe-se que sua
região tropical concentra grande parte da energia do planeta, sendo conhecida como um
dos três centros convectivos mais ativos e intensos do globo (Riehl, 1954). A maior
radiação incidente desencadeia processos físicos, tais como o aumento da liberação de
calor sensível, o que resulta em convecção intensa e, assim, uma maior liberação de
calor latente, sendo a mesma a principal fonte de energia para os distúrbios tropicais. A
liberação de calor latente convectivo é o mecanismo principal para a circulação
atmosférica tropical de grande escala (Webster, 1972). Em adição a essa característica
convectiva da América tropical, tem-se que o maior componente dos regimes de
precipitação de verão da América do Sul é o sistema monçônico. Este desenvolve sobre
regiões continentais de baixas latitudes em resposta a mudanças sazonais no contraste
térmico entre o continente e regiões oceânicas adjacentes, chamado Sistema de Monção
da América do Sul (SMAS). Embora o SMAS não apresente a reversão da direção dos
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ventos, característica típica de um regime monçônico clássico, como no leste da Ásia e
na Índia, o mesmo mostra outros aspectos característicos de um clima monçônico, como
o ciclo sazonal de precipitação sobre grande parte do continente com grandes contrastes
entre verão e inverno que é do tipo-monção (Rao et al., 1996; Zhou e Lau, 1998; Gan et
al., 2004; Grimm et al., 2005).
Vários trabalhos têm estudado o ciclo de vida da precipitação associada ao SMAS
(Kousky, 1988; Horel et al., 1989; Rao et al., 1996; Marengo et al., 2001; Gan et al.,
2004; Vera et al., 2006; Garcia e Kayano, 2009a), o qual inclui uma fase úmida que se
inicia na Amazônia equatorial durante a primavera austral, se propaga rapidamente para
leste e sudeste. No verão, a principal atividade convectiva, sobre o Brasil central, está
relacionada à Zona de Convergência do Atlântico Sul. A fase de dissipação do SMAS
inicia-se no outono, quando a precipitação intensa sobre a Amazônia diminui e migra
gradualmente para noroeste.
Nesse contexto, como a região da América tropical é uma grande fonte de calor para a
atmosfera, a análise do ciclo de vida relacionada ao SMAS em termos do balanço de
umidade e calor configura-se de grande relevância, já que as mudanças de fase da água
são importantes fontes ou sumidouros de energia na atmosfera tropical, onde a
condensação de grande quantidade de vapor d’água leva à liberação de grande
quantidade de energia, que é o calor latente de condensação. Yanai et al. (1973)
introduziram um método para o cálculo da fonte aparente de calor (Q1) e do sumidouro
aparente de umidade (Q2), obtidos, respectivamente, como resíduos dos balanços de
calor e umidade em grande escala dados por:
pV
tppcQ
pcR
p .
/
01 e
pqqV
tqLQ .2 , em que é a temperatura potencial, q é a razão de
mistura do vapor d’água, V é a velocidade horizontal, é a velocidade vertical em
coordenadas de pressão, p é a pressão, R é a constante dos gases, pc é o calor
específico à pressão constante do ar seco, mbp 10000 e L é o calor latente de
condensação. Assim, uma comparação entre a distribuição horizontal e vertical de Q1 e
Q2 indicaria a natureza do processo termodinâmico avaliado. Logo, se o aquecimento
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em alguma região for principalmente devido ao processo de condensação, os valores de
Q1 e Q2 são similares.
Yanai e Tomita (1998), usando as reanálises do “National Centers for Environmental
Prediction - National Center for Atmospheric Research” (NCEP-NCAR), determinaram
as distribuições de fontes de calor e sumidouros de umidade (Q1 e Q2, respectivamente)
entre 50ºN e 50ºS para um período de 15 anos (1980-1994). Eles examinaram a
variabilidade sazonal e interanual de Q1 e Q2 e os mecanismos associados ao
aquecimento atmosférico sobre várias regiões do globo. Seus resultados mostraram que
no inverno do HN as principais fontes de calor são observadas sobre uma ampla zona
que conecta o oceano Índico tropical, a Indonésia e a Zona de Convergência do Pacífico
Sul (i), sobre o Congo e a Bacia Amazônica (ii) e próximo à costa oeste da Ásia e da
América do Norte (iii). As regiões desérticas, como o Saara, são caracterizadas por um
intenso aquecimento sensível próximo a superfície com um forte resfriamento radiativo
na média e alta troposfera. O aquecimento latente da atmosfera em virtude da formação
das atividades convectivas sobre os oceanos tropicais fornece as maiores fontes de calor
para a atmosfera. O resfriamento radiativo e o umedecimento da atmosfera devido à
evaporação são os aspectos dominantes sobre os oceanos subtropicais. Eles encontraram
também que os perfis verticais de Q1 e Q2 sobre o Brasil no verão, primavera e outono
são positivos, com o pico de Q1 em 400-600 hPa e o de Q2 em 700-850 hPa, indicando a
presença de um transporte vertical convectivo.
Quanto ao balanço de umidade, Rao et al. (1996) observaram que um aumento de
umidade na região central do Brasil no mês de outubro com um máximo em janeiro é
devido à incursão de umidade da Bacia Amazônica. Sendo assim, eles concluíram que a
Bacia Amazônica é a principal fonte de umidade para o Brasil central e, ainda, que o
oceano Atlântico é a principal fonte de umidade para a Bacia Amazônica, com a alta
subtropical do Atlântico Sul desempenhando papel importante no transporte de umidade
para o continente, também observado por Doyle e Barros (2002). Consistentemente,
Drumond et al. (2008) identificaram as principais fontes de umidade sobre o Brasil
Central através de um novo método diagnóstico Lagrangiano para o período de 2000 a
2004. Eles notaram que, principalmente durante o verão, o Atlântico tropical sul é uma
importante fonte de umidade para o Brasil central e que o Atlântico tropical norte é uma
fonte adicional de umidade para essa região. Entretanto, o papel do Atlântico tropical
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norte parece estar condicionado aos meses de análise já que, Arraut and Satyamurty
(2009) mostraram que o Atlântico tropical norte é a principal fonte de umidade para a
precipitação da Bacia Amazônica e dos subtrópicos da América do Sul de dezembro a
março.
Portanto, uma análise conjunta dos balanços de umidade e calor para a região do SMAS
em termos do seu ciclo de vida é importante, visto que as variáveis de umidade e
temperatura determinam as principais características relacionadas à ocorrência de
precipitação. No que concerne a tal ocorrência de precipitação, outro aspecto de grande
relevância é sua escala de variabilidade. Vários trabalhos analisaram tais escalas de
variabilidade da precipitação na América do Sul e alguns estudos têm mostrado a
existência de modos de variabilidade de baixa freqüência na precipitação do continente,
dos quais, a maioria, relaciona a mudança na precipitação com variações regionais e
globais de Temperatura da Superfície do Mar (TSM; i.e., Zhou e Lau, 2001; Nogués-
Paegle e Mo, 2002; Marengo, 2004; Andreoli e Kayano, 2005; Kayano e Andreoli,
2007).
Um desses modos de variabilidade de baixa freqüência é a Oscilação Decenal do
Pacífico (PDO, em inglês). A PDO é um padrão dominante de variabilidade sobre o
oceano Pacífico identificada por cientistas nos fins da década de 90, com os padrões
anômalos relacionados à PDO de TSM, Pressão ao Nível do Mar (PNM) e vento em
superfície no Pacífico bastante similar aos padrões correspondentes ao modo El Niño –
Oscilação Sul (ENOS; Mantua et al., 1997; Zhang et al., 1997; Garreaud e Battisti,
1999; Mestas-Nuñez e Enfield, 2001), entretanto possui maiores amplitudes em
latitudes médias do que em latitudes baixas e uma maior extensão meridional das
anomalias equatoriais (Mantua et al., 1997). A fase positiva (regime quente) da PDO é
caracterizada por um sistema de baixa pressão Aleutiana anomalamente profunda,
anomalias negativas de TSM nas partes central e oeste do Pacífico norte e anomalias
positivas de TSM ao longo da costa oeste das Américas, assim como no Pacífico
tropical central e leste (e.g., Mantua et al. 1997). A fase negativa (regime frio) da PDO
apresenta padrões quase reversos.
Assim, a escolha da escala temporal de variabilidade da PDO para o presente projeto
justifica-se em virtude de sua importância no cenário climático atual (tópico pouco
8
explorado por ter sido identificado recentemente), assim como pela semelhança na sua
configuração espacial quando comparada ao ENOS. Mantua et al. (1997) definiram um
índice através do qual se tem fase fria (quente) da PDO nos períodos de 1900-1924 e
1947-1976 (1925-1946 e 1977 a meados da década de 1990).
Nesse contexto, vários autores têm mostrado que a PDO cria condições favoráveis para
modular tais fenômenos de mais alta freqüência (Gershunov e Barnett, 1998; Gutzler et
al., 2002; Chelliah e Bell, 2004; Andreoli e Kayano, 2005; Kayano e Andreoli, 2007).
Andreoli e Kayano (2005) observaram que, anomalias negativas de precipitação de
verão relacionadas ao El Niño sobre a América do Sul, em particular no seu setor
noroeste, mostram maiores magnitudes para a fase quente da PDO quando comparada à
fase fria da mesma. Consistentemente, Kayano e Andreoli (2007) notaram que os efeitos
do ENOS sobre a precipitação na América do Sul são mais fortes (fracos) quando PDO
e ENOS estão na mesma fase (em fases opostas). Esses resultados foram confirmados
por Kayano et al. (2009) visto que, através de correlações de índices de TSM com
anomalias de precipitação, eles encontraram que a relação negativa (positiva) do El
Niño (La Niña) com a precipitação no nordeste da América do Sul e positiva (negativa)
com a precipitação no sudeste da América do Sul são mais fortes no período de 1977-
2002 quando comparado ao período de 1948-1976.
Adicionalmente, variações decenais e tendências de longo prazo têm sido documentadas
para parâmetros hidrometeorológicos na América do Sul (Dias de Paiva e Clarke, 1995;
Krepper e Sequeira, 1998; Robertson e Mechoso, 1998; 2000; Zhou e Lau, 2001;
Nogués-Paegle e Mo, 2002; Chelliah e Bell, 2004; Marengo, 2004; Kayano e Andreoli,
2004; Andreoli e Kayano, 2005). Zhou e Lau (2001) encontraram um modo decenal de
precipitação de verão austral com as maiores correlações sobre o noroeste da América
do Sul e anomalias de sinais opostos sobre o nordeste do Brasil para o período de 1979-
1995. Vários autores notaram um aumento de precipitação sobre a bacia Amazônica
durante o período de 1980-1990 relativo ao período de 1950-1960 (Chu et al., 1994;
Kumar et al., 1999; Chen et al., 2001).
Chelliah e Bell (2004) também encontraram variações multi-decenais na convecção
tropical e na temperatura da superfície sobre a Bacia Amazônica para o verão austral no
período de 1949-2000. Tal estudo consistiu da análise de Funções Ortogonais Empíricas
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(EOF, em inglês) das anomalias sazonais do potencial de velocidade () em 200hPa
filtradas com o filtro passa-baixa de uma média corrida de cinco anos. Coerentemente,
Garcia e Kayano (2009b) encontraram um modo de variabilidade multi-decenal da
circulação monçônica na América do Sul usando EOF do campo de desvio da média
anual do desvio da média zonal de em 200hPa para o período de 1948-1999. Esse
modo apresentou uma mudança de sinal negativo para positivo em meados da década de
1970. Através da análise de compostos, elas observaram que o SMAS, nesse primeiro
modo, enfraqueceu-se (fortaleceu-se) na fase fria (quente) da PDO. O segundo modo
encontrado por elas mostrou flutuações interanuais, associadas ao ENOS.
No que concerne à estação chuvosa relacionada ao SMAS e a variabilidade decenal,
Carvalho et al. (2010) encontraram que o início da estação chuvosa relacionado ao
SMAS foi adiantado a partir do início da década de 1970, enquanto as datas de fim da
estação chuvosa encontram-se atrasadas nesse período mais recente e,
consequentemente, houve um aumento da duração média da estação chuvosa do SMAS.
Eles encontraram, ainda, um aumento no fluxo de umidade sobre a América do Sul
depois de 1971-1972, com condições favoráveis de aumento de precipitação sobre o sul
da Amazônia e Brasil central. Coerentemente, Marengo (2004) notou mudanças
decenais consistentes com as da PDO de 1946-1947 e 1976-1977 nos regimes de
precipitação na Amazônia, visto que uma tendência positiva (negativa) de precipitação
foi encontrada por ele sobre o sul (norte) da Amazônia depois de 1975-1976, comparado
ao período anterior. Utilizando as mesmas sub-bacias de Marengo (2004), Marengo
(2009) estendeu a análise da variabilidade climática de longo prazo dessas regiões para
o período de 1920 a 1998. Ele encontrou que as regiões norte e sul da Bacia Amazônica
apresentam uma variabilidade de baixa freqüência, entretanto, fora de fase. Logo, ciclos
interanuais das séries hidrometeorológicas são mais fortes no norte da bacia, enquanto
variações decenais e multi-decenais são mais evidentes no sul da bacia.
Portanto, pode ser visto pelo exposto acima que o regime de precipitação na região da
América do Sul, principalmente na Bacia Amazônica (pertencente ao SMAS), é
influenciado por escalas de variabilidade de baixa frequência e, no que tange à
variabilidade decenal associada à PDO, foi mostrado que a mesma pode modular
escalas de freqüência maior. Logo, o interesse crescente sobre a precipitação
relacionada ao SMAS, variabilidade e sua relação com a PDO pouco explorada
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mostram a importância deste projeto.
2 - OBJETIVOS
O pequeno número de estudos referentes à relação do SMAS com a PDO
juntamente com a importância do mesmo motivaram a constituição deste projeto. Neste
sentido, o objetivo central é analisar os balanços de umidade e calor relacionados ao
SMAS nas duas fases da PDO. De modo específico, os objetivos são:
1) Calcular todos os termos dos balanços de calor e umidade para a região do
SMAS nos períodos de 1958-1976 e 1977-1995, fase fria e quente da PDO,
respectivamente;
2) Estudar a climatologia mensal de todos esses termos separadamente para a
região do SMAS em cada fase da PDO;
3) Encontrar as anomalias mensais de todos os termos dos balanços referentes a
cada fase da PDO;
4) Determinar os modos dominantes das anomalias mensais dos termos de resíduo
e diabático na região do SMAS, para uma melhor compreensão das fontes e
sumidouros de umidade e calor, assim como da variabilidade desses termos;
5) Calcular os compostos de algumas variáveis para análise dos aspectos da
circulação de grande escala relacionados aos modos dos termos de resíduo e
diabático;
6) Correlacionar as séries de componentes principais (PC, em inglês) dos modos
dos termos de resíduo e diabático com as séries das anomalias de TSM nas
regiões do Pacífico e do Atlântico e encontrar a relação entre as fontes e
sumidouros de umidade e calor com as anomalias de TSM em ambos os oceanos
nas duas fases da PDO.
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3 – DADOS E METODOLOGIA
3.1 Dados
Os dados usados neste trabalho serão obtidos do arquivo da Reanálise 1 do
NCEP/NCAR (Kalnay et al., 1996) e são médias mensais de: componentes zonal e
meridional do vento ( u e v , respectivamente), velocidade vertical ( ), umidade
específica ( q ), temperatura do ar (T ), altura geopotencial ( Z ), água precipitável (PW,
em inglês) e PNM. Todos os dados possuem espaçamento de 2,5º de longitude e de
latitude. Os dados de u , v , , q , T e Z serão utilizados para os níveis de pressão de
1000, 925, 850, 700, 600, 500, 400, 300, 250 e 200 hPa (os dados de q encontram-se
disponíveis até 300 hPa), enquanto os dados de PW e PNM são disponibilizados na
superfície. Todos os dados serão selecionados para o período de 1958 a 1995.
Também serão usados dados mensais de TSM, os quais foram reconstruídos e
estendidos por Smith e Reynolds (2003) para o período de 1854-2000 e estão em pontos
de grade com espaçamento de 2º de latitude e de longitude. Os dados de TSM também
serão selecionados para o período de 1958 a 1995.
3.2 Metodologia
Esse projeto englobará dois períodos de 19 anos cada: de 1958 a 1976 e de 1977 a 1995.
Tal divisão é escolhida em virtude da mudança climática brusca observada no oceano
Pacífico em 1977 (Mantua et al., 1997). Assim, através do índice calculado por eles, tais
períodos correspondem às fases negativa e positiva da PDO (fria e quente,
respectivamente). A análise terminará em 1995 já que alguns autores sugerem que
mudanças observadas no Pacífico Norte em 1998/1999 podem indicar outra mudança de
fase (Minobe, 2000; Hare and Mantua, 2000). Então, com a utilização desses períodos,
será garantida a não-sobreposição das fases da PDO.
12
3.2.1 Balanço de Umidade
Inicialmente, os termos da equação do balanço de umidade serão estimados e, para tal, a
equação da conservação do vapor d’água em coordenadas de pressão será utilizada
(Peixoto e Oort, 1992):
Sdtdq
(3.1)
em que py
vx
utdt
d
, q é a umidade específica, u , v e são as
componentes zonal, meridional e vertical do vento, respectivamente e S representa o
armazenamento de vapor d’água, sendo a diferença entre fontes e sumidouros de
umidade. O termo S pode ser representado por CE , a diferença entre a taxa de
evaporação e a taxa de condensação por unidade de massa. Estudos que aplicam a
equação (3.1) assumem frequentemente que toda a água condensada imediatamente
precipita P e, assim PES (p.e., Palmén e Holopainen, 1962). Logo, o balanço
de água na fase de vapor por unidade de massa em um dado ponto da atmosfera e em
um instante t pode ser expresso como:
PEpq
yqv
xqu
tq
(3.2)
ou seja,
43
21
. PEpqqV
tq
(3.3)
sendo, V
o vetor vento horizontal. Portanto, a equação do balanço de umidade para uma
parcela de ar é dada pela equação (3.3), em que o termo 1 indica a tendência local de q ;
o termo 2 a advecção horizontal de q ; o termo 3 a advecção vertical de q e, o termo 4,
as fontes 0 PE ou sumidouros 0 PE de umidade atmosférica, chamado, a
partir de agora, como termo resíduo.
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3.2.2 Balanço de Calor
Para o balanço de calor, será utilizada a equação da energia termodinâmica (Holton,
2004):
JDtDp
DtDTc p (3.4)
em que pc é o calor específico a pressão constante
kgK
J1004 , T é a temperatura,
p é a pressão e é o volume específico. Assim, o primeiro termo do lado esquerdo
indica a variação na energia interna (térmica) do ar seco; o segundo mostra a taxa de
trabalho realizado pelo fluido por unidade de massa e, o termo do lado direito J ,
representa o aquecimento diabático realizado por meios externos, tais como radiação ou
através da mudança de fase.
Então, como DtDp
e p
, em que é o geopotencial, a equação (3.4) torna-
se:
JpDt
DTcp
(3.5)
Logo, expandindo a equação (3.5), como feito para a equação (3.1), tem-se:
43
21
1.pp c
Jpcp
TTVtT
(3.6)
Portanto, a equação do balanço de calor para uma parcela de ar é dada pela equação
(3.6), em que o termo 1 indica a tendência local de T , o termo 2 a advecção horizontal
de T , o termo 3 a mudança de T devido ao processo de expansão ou compressão
adiabática da parcela de ar, chamado, a partir de agora, como termo adiabático e, o
termo 4, as fontes e sumidouros de calor devido a processos diabáticos, tais como: taxa
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de aquecimento ou resfriamento radiativo e de aquecimento da atmosfera devido à
liberação de calor latente e/ou sensível, chamado, a partir de agora, como termo
diabático.
Assim, as fontes e sumidouros de q e T serão calculados como os resíduos das
respectivas equações (3.3) e (3.6) para todos os meses do período total de 1958-1995.
Cabe ressaltar que o presente trabalho não discute o balanço quantitativo de umidade e
calor, visto que o mesmo ainda gera muitas incertezas devido à qualidade dos dados,
principalmente sobre a Bacia Amazônica (Marengo, 2005), mas sim propõe uma análise
das características de tais balanços nas duas fases da PDO. Logo, depois de calculados
os termos dos balanços para cada nível na vertical, os termos serão integrados
verticalmente de 1000 a 200 hPa para o balanço de calor e de 1000 a 300 hPa para o
balanço de umidade para uma análise desses termos em toda a camada atmosférica.
3.2.3 Climatologia e EOF
Todos os termos das equações descritas acima serão calculados para a região tropical da
América do Sul, a qual o SMAS pertence, limitada por 15ºN, 30ºS, 80ºW e 35ºW
(Figura 3.1). Em seguida, os campos climatológicos mensais de todos os termos dos
balanços serão encontrados para os períodos de 1958-1976 e 1977-1995 separadamente
para essa região. Assim, será feita uma análise do ciclo anual médio de cada termo das
equações do balanço para essa região nas fases fria e quente da PDO.
Depois dessa etapa, as anomalias serão calculadas para cada mês em relação às
climatologias de cada período parcial (1958-1976 e 1977-1995). Em seguida, os modos
dominantes das anomalias mensais dos termos de resíduo e diabático serão encontrados
através da análise de EOF de tais campos. A escolha dessa metodologia justifica-se já
que tal ferramenta é utilizada para reduzir a dimensionalidade dos dados originais e
encontrar os padrões que explicam a maior variância associados à variável. As rodadas
serão feitas para a região definida na Figura 3.1 nos períodos de 1958-1976 e 1977-
1995. Assim, os padrões de variabilidade das fontes e sumidouros de umidade e calor
serão encontrados para cada período parcial da PDO.
15
Figura 3.1 – Área selecionada para climatologia e EOF.
A significância estatística dos modos será testada usando-se o método proposto por
North et al. (1982), no qual um dado modo “n” pode ser dito estatisticamente
significativo se o autovalor associado λn é bem separado dos autovalores vizinhos, isto
é, nn λΔδλ e 1n1n λΔδλ , onde )N/2(λ~δλ nn é o erro de amostragem de λn,
N é o número de Graus de Liberdade (GL) e )λλ(λΔ 1nnn é a diferença entre os
autovalores.
Cada autovetor fornece a configuração espacial de um modo e é apresentado como um
padrão de correlação. Para avaliar a significância estatística dessas correlações, o
número de GL será estimado para cada modo dividindo-se o comprimento da série do
PC pelo intervalo de tempo de duas realizações independentes (a defasagem necessária
para se obter coeficientes de auto-correlação nas séries temporais do PC próximas a
zero). Para avaliar a significância estatística das configurações espaciais, considerar-se-
á que as variáveis possuem uma distribuição normal e, assim, a hipótese nula será
assumida. Desta forma, o teste t-Student será aplicado para se obter os valores
limítrofes para que as correlações sejam significativas em um nível de confiança de
95% para os GL encontrados.
O padrão da circulação de grande escala e as condições oceânicas e atmosféricas serão
investigados juntamente com os modos encontrados pela EOF para embasamento físico.
Análises dos campos de circulação fornecerão indicações dos aspectos de grande escala
responsáveis pela variabilidade das fontes e sumidouros de umidade e calor observados.
16
Assim, serão obtidos através do método de composição, os campos associados das
anomalias das variáveis: TSM, PNM, ω em 500hPa, PW e T em 850 hPa para verão
(período chuvoso), inverno (período seco) e outono e primavera (estações de transição)
nos períodos de 1958-1976 e 1977-1995. A área determinada para o cálculo das
composições é limitada por 50ºN, 50ºS, 100ºE e 20ºE (Figura 3.2). Tal área é maior do
que a referente à EOF, já que, para analisar aspectos da circulação associada, é
necessário expandir a área de estudo para a observação de influências remotas,
principalmente na região do oceano Pacífico, área do sinal da PDO.
Figura 3.2 – Área selecionada para as composições.
Antes dos cálculos das composições, as anomalias de TSM, PNM, ω em 500hPa, PW e
T em 850 hPa serão padronizadas em cada ponto de grade pelo correspondente desvio
padrão. Como as séries do PC dão as variações temporais do modo correspondente,
séries temporais das médias sazonais do PC para primavera, verão, outono e inverno
serão usadas para selecionar os casos para os compostos. Os casos incluídos em cada
composto serão selecionados usando os máximos e mínimos encontrados nos PCs dos
modos selecionados de variabilidade que explicam a maior parte da variância total.
Para avaliar a significância estatística dos compostos, o número de GL será considerado
o número de casos incluídos em cada composto. Considerando que as variáveis
possuem uma distribuição normal, para o teste da significância dos compostos, a
hipótese nula será assumida. Desta forma a seguinte condição deve ser satisfeita:
1m
σt>a S (3.7)
17
onde tS é o valor tabelado da distribuição t-Student correspondente a m-1, σ é o desvio
padrão, a é a média da amostra e m é o número de casos. Assim, apenas os valores
absolutos excedendo 1m
σtS são estatisticamente significativos (Panofsky e Brier,
1968). O nível de confiança usado é o de 95%.
Em seguida, as séries dos PCs dos modos dos termos de resíduo e diabático serão
correlacionadas com as séries das anomalias mensais de TSM nas regiões do Pacífico e
do Atlântico. Logo, será possível encontrar a relação entre as fontes e sumidouros de
umidade e calor com as anomalias de TSM em ambos os oceanos para cada fase da
PDO. Essas correlações serão simultâneas e defasadas. As defasagens de 0 a 12 meses
serão inseridas nas séries temporais de TSM, as quais serão adiantadas em relação ao
PC. Para avaliar a significância estatística dessas correlações, o teste t-Student será
aplicado assim como feito para os modos da EOF.
4. PRINCIPAIS CONTRIBUIÇÕES DO PROJETO
Após a realização deste projeto, além de um maior conhecimento adquirido no que
concerne à relação do SMAS com a PDO, subsídios necessários para uma maior
interação com grupos operacionais de clima e previsão climática serão obtidos no
sentido de fornecer informações acerca dos resultados encontrados. Outra contribuição
importante será a formação de pessoal, já que um aluno da Graduação do curso de
Ciências Atmosféricas da UNIFEI (instituição da qual o coordenador do projeto faz
parte) estará inserido em um trabalho de Iniciação Científica sobre esse assunto. Logo, o
mesmo desenvolverá determinada parte do projeto (vide Plano de Estudo do Bolsista) e,
assim, complementará o curso de graduação tendo uma iniciação em pesquisa. O aluno
irá ainda submeter seus resultados para um Congresso na área. Isto representará uma
integração importante entre a graduação na universidade e a atividade de pesquisa.
Nesse caso, a universidade entra com a contrapartida da bolsa de iniciação científica
para um aluno da graduação proveniente das cotas internas do CNPq que a mesma
possui. Finalmente, um artigo científico englobando todos os resultados encontrados no
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desenvolvimento desse projeto será publicado em uma revista internacional de
referência em Climatologia.
5 – CRONOGRAMA
A execução do projeto está planejada para um período de 2 anos (8 trimestres). O
cronograma para a realização deste projeto pode ser observado na Tabela 5.1.
Tabela 5.1: Cronograma para realização do projeto.
Atividades 1º 2º 3° 4° 5° 6° 7° 8°
Revisão Bibliográfica x x x x
Obtenção dos dados e realização dos ajustes espaciais e temporais x x
Cálculo dos termos dos balanços de umidade e calor nas duas fases da PDO x x
Cálculo das médias climatológicas mensais de todos os termos para ambas as fases e das anomalias mensais
dos mesmos x x
Cálculo da EOF das anomalias mensais dos termos de resíduo e diabático x x
Cálculo de compostos para análise da circulação de grande escala relacionados aos modos encontrados x x
Cálculo das correlações dos PCs dos termos de resíduo e diabático com as anomalias de TSM x x
Análise de todos os resultados x x x x
Redação de relatórios x x
Preparação de artigos para publicação x x
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6 – ORÇAMENTO
DESPESAS EXECUÇÃO TRIMESTRAL
1º 2º 3° 4° 5° 6° 7° 8° TOTAL
Material Permanente
1 computador x R$ 3500,00
1 HD externo x R$ 1000,00
1 impressora laser x R$ 1000,00
Material de Consumo Papel, toner, etc. x
R$ 2000,00
Diárias Itajubá/MG x x R$ 1878,30
Cidade do congresso x R$ 1878,30
Transporte São José dos Campos/SP – Itajubá/MG - São José dos
Campos/SP x x
R$ 300,00
Itajubá/MG – cidade do congresso – Itajubá/MG x
R$ 2000,00
TOTAL pedido ao
CNPq
R$ 13.556,60
7 – DESCRIÇÃO DO ORÇAMENTO E JUSTIFICATIVAS
a) Material Permanente
Especificação Quantidade Custo Unitário (R$) Custo Total (R$)
Computador 1 R$ 3500,00 R$ 3500,00
HD externo 1 R$ 1000,00 R$ 1000,00
Impressora laser 1 R$ 1000,00 R$ 1000,00
TOTAL R$ 5500,00
O computador será utilizado para a obtenção dos dados, assim como o tratamento
estatístico dos mesmos, execução dos programas computacionais e elaboração dos
relatórios e artigos. O HD externo será utilizado para backups dos dados e dos
resultados. A impressora a laser será utilizada no desenvolver da pesquisa para
impressão de relatórios, artigos e análises.
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b) Material de Consumo
Especificação Quantidade Custo Unitário (R$) Custo Total (R$)
Papel, toner, etc. div R$ 2000,00 R$ 2000,00
TOTAL R$ 2000,00
Os materiais de consumo serão: toner para impressora e papel para impressão.
c) Diárias
Especificação Quantidade Custo Unitário (R$) Custo Total (R$)
Itajubá/MG 10 R$ 187,83* R$ 1878,30
Cidade do congresso 10 R$ 187,83* R$ 1878,30
TOTAL R$ 3756,60 *De acordo com as Tabelas de Valores de Diárias para Auxílios Individuais e Bolsas de Curta Duração
Como a pesquisadora colaboradora pertence ao INPE de São José dos Campos/SP, as
diárias pedidas para Itajubá/MG são para custear a estada da mesma na cidade duas
vezes durante o projeto (5 diárias cada vez) para reuniões e trocas de informações. As
diárias pedidas para a cidade do congresso (a definir) serão para a participação do aluno
de Iniciação Científica e do pesquisador coordenador no XVII Congresso Brasileiro de
Meteorologia (5 diárias para cada) para apresentação do artigo gerado pelo
desenvolvimento do projeto. O XVII Congresso Brasileiro de Meteorologia será
realizado, provavelmente, no terceiro trimestre de 2012.
d) Transporte
Especificação Quantidade Custo Unitário (R$) Custo Total
(R$) São José dos Campos/SP –
Itajubá/MG - São José dos Campos/SP 2 R$ 150,00 R$ 300,00
Itajubá/MG – cidade do congresso – Itajubá/MG 2
R$ 1000,00
(aproximadamente)
R$ 2000,00
TOTAL R$ 2300,00
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O transporte pedido São José dos Campos/SP - Itajubá/MG - São José dos Campos/SP
será para custear a viagem da pesquisadora colaboradora para a UNIFEI duas vezes
durante o projeto. O transporte pedido Itajubá/MG – cidade do congresso – Itajubá/MG será
para o aluno de Iniciação Científica e para o pesquisador coordenador participarem do
XVII Congresso Brasileiro de Meteorologia e apresentarem o artigo gerado pelo
projeto. O valor do transporte é aproximado, pois a cidade ainda não foi definida.
8– PLANO DE ESTUDO DO BOLSISTA
No projeto de Iniciação Científica, o bolsista irá selecionar e obter os dados de estudo
para as regiões de análise através do site do NCEP/NCAR. Em seguida, o mesmo irá
fazer os cálculos dos termos dos balanços, da climatologia mensal todos os campos e
das anomalias dos mesmos para as duas fases da PDO separadamente (1958-1976 e
1977-1995).
8.1 Etapas
As etapas de execução desse projeto serão:
Etapa 1: Obtenção dos dados que serão utilizados no projeto, assim como ajustes
temporais e espaciais dos mesmos. Cálculo de todos os termos das equações dos
balanços para a região do SMAS limitada por 15ºN, 30ºS, 80ºW e 35ºW para as duas
fases da PDO (1958-1976 e 1977-1995).
Etapa 2: Preparação de relatórios para informar o andamento da pesquisa, avanços e
resultados iniciais.
Etapa 3: Análise dos resultados da primeira parte, cálculo das climatologias mensais
desses termos e das anomalias dos termos de resíduo e diabático para a região de análise
nas fases fria e quente da PDO.
Etapa 4: Preparação de artigo científico para apresentação em Congresso e relatório
final, mostrando todos os resultados obtidos.
22
8.2 Cronograma
Com a finalidade de se executar a metodologia apresentada neste projeto em um ano,
será seguido o seguinte cronograma com as etapas descritas acima:
PERÍODOS ATIVIDADES
1º trimestre Etapa 1
2 º trimestre Etapa 2
3 º trimestre Etapa 3
4 º trimestre Etapa 4
9 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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