Universidade Federal de Santa Maria
Ci. e Nat., Santa Maria v.42, Special Edition: Micrometeorologia, e29, 2020
DOI:10.5902/2179460X47028
ISSN 2179-460X
Received: 05/06/20 Accepted: 05/06/20 Published: 28/08/20
Special Edition
Metodologia preliminar de identificação de relações entre a brisa marítima e linhas de instabilidade amazônicas
Preliminary methodology for identifying relationships between sea breeze and Amazonian squallines
Romero Thiago Sobrinho Wanzeler I
Clênia Rodrigues Alcântara II
Kamila Souza Santos III
Madson Tavares Silva IV
I Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande, Brasil. E-mail: romero-thiago@hotmail.com.
II Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande, Brasil. E-mail: clenia@gmail.com.
III Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande, Brasi. E-mail: kamilasouza182@gmail.com.
IV Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande, Brasil. E-mail: madson.tavares@ufcg.edu.br.
RESUMO
O objetivo deste trabalho foi apresentar uma metodologia preliminar que seja capaz de identificar algumas características da relação entre a circulação de brisa marítima e a linha de instabilidade amazônica, visando entender um pouco mais das condições necessárias para o aprofundamento da nebulosidade associada. A transformada de ondeletas foi aplicada nos dados de vento e divergência da reanálise ERA5, e posteriormente foi elaborada uma classificação utilizada para destacar exclusivamente os dias considerados período ativo ideal para formação e intensificação da circulação de brisa marítima e iniciação da linha de instabilidade amazônica. Os resultados apontaram que a relação entre a circulação de brisa marítima e a linha de instabilidade amazônica pode estar relacionada à influência do vento em 800 hPa e da divergência em 200 hPa. A análise do campo médio dos dias de período ativo ideal para formação e intensificação da circulação de brisa marítima e iniciação da linha de instabilidade amazônica conseguiu representar importantes características relacionadas ao vento (jato de baixos níveis entre 850 e 750 hPa) e divergência em 200 hPa, indicando que essas características, antes de estarem diretamente relacionadas à linha de instabilidade amazônica, podem influenciar na atuação e na intensificação primeiramente da circulação de brisa marítima.
Palavras-chave: Convecção amazônica; Mesoescala; Transformada de ondeletas.
ABSTRACT
The objective of this work was to present a preliminary methodology that is able to identify some characteristics of the relationship between the sea breeze circulation and the Amazonian squalline, aiming to understand a little more of the necessary conditions for the deepening of the associated cloudiness. The wavelet transform was applied to the wind and divergence data of ERA5 reanalysis, and a classification was afterwards developed to highlight exclusively the days considered the ideal active period to formation and intensification of the sea breeze circulation and initiation of the Amazonian squalline. The results showed that the relationship between the sea breeze circulation and the Amazonian squalline may be related to the influence of wind at 800 hPa and divergence at 200 hPa. The analysis of average field of the active period days ideal for formation and intensification of the sea breeze circulation and initiation of the Amazonian squalline was able to represent important wind-related characteristics (low level jet between 850 and 750 hPa) and divergence at 200 hPa, indicating that these characteristics, before being directly related to the Amazonian squalline, may first influence the sea breeze circulation performance and intensification.
Keywords: Amazon convection; Mesoscale; Wavelet transform.
1 Introdução
A linha de instabilidade é conhecida como um dos principais sistemas convectivos atuantes na variabilidade interanual da região Amazônica e da costa norte e nordeste do Brasil (CNNEB). Na literatura, boa parte dos trabalhos correspondem ao entendimento dos processos de formação, manutenção e dissipação da precipitação ocasionada pela linha de instabilidade Amazônica (LIA).
Desde Kousky (1980), a relação da circulação de brisa marítima (CBM) com a gênese da LIA se tornou uma hipótese interessante em explicar a evolução da frente de brisa marítima (FBM) até se tornar uma linha de convecção ativa, com ou sem propagação continente adentro. Posteriormente, alguns autores também identificaram relação entre a convergência provocada pela CBM com a origem na formação de tempestades convectivas (COHEN; SILVA DIAS; NOBRE, 1995; CARBONE et al., 2000; WISSMEIER; SMITH; GOLER, 2010).
Janowiak et al. (2005) identificaram um máximo noturno de precipitação em torno de 500 km continente adentro a partir da CNNEB, indicando assim uma forte modulação da CBM na precipitação. Alcântara (2010) simulou algumas importantes características do desenvolvimento convectivo de uma FBM, que com o passar do tempo, foi tomando novas dimensões, até se propagar como uma LIA bem formada e com maior velocidade continente adentro. A simulação também serviu para mostrar o ambiente de formação de novas células de nebulosidade na dianteira da LIA, à medida que ela propagava.
Na CNNEB, Souza e Oyama (2017) identificaram áreas com potencial de brisa em cerca de 20 a 25 dias por mês em setembro. Nessas áreas, o potencial de brisa era caracterizado pela presença de uma nebulosidade que propagava em torno de 200 km continente adentro durante o período seco. Wanzeler (2018) aprofundou este estudo e mostrou que no nordeste do Estado do Pará, os padrões espaciais da FBM indicaram propagação em torno de 0,5° em direção a Belém.
A grande parte dessas características anteriormente mencionadas serve como pontapé inicial no entendimento dos processos dinâmicos e termodinâmicos da relação CBM e LIA. Existe uma lacuna dentro dessa relação e, portanto, o objetivo deste trabalho é apresentar uma metodologia (ainda de maneira preliminar) que apresente o ambiente envolvido na formação da LIA a partir do fortalecimento da CBM para verificar características mais específicas das condições necessárias para o aprofundamento da nebulosidade da FBM relacionada.
2 Metodologia
2.1 Reanálises ERA5
Para a realização deste trabalho, foram utilizados os dados do ERA5 (HERSBACH et al., 2019), o mais novo conjunto de reanálises atmosféricas produzido pelo European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF). As variáveis empregadas correspondem aos componentes zonal (u) e meridional (v) do vento nos níveis de 1000 e 800 hPa, além dos dados de divergência no nível de 200 hPa, ambos de resolução temporal horária. A resolução espacial dos dados é de 0,25° × 0,25°.
O período de estudo empregado é referente ao trimestre junho, julho e agosto (JJA) do ano de 2013. A escolha deste período se deu por conta de os meses JJA serem conhecidos como o trimestre de maior frequência de ocorrência de LIA, como mostrado em estudos de Cohen (1989) e Oliveira et al. (2016). O ano de 2013 foi escolhido por ter se apresentado como o ano em que o trimestre JJA evidenciou a maior frequência de LIA (55 casos), identificadas através de metodologia subjetiva, a ser explicada no próximo tópico.
2.2 Imagens de satélite
Foram utilizadas imagens do canal espectral infravermelho do Geostationary Operational Environmental Satellites (GOES), fornecidas pela Divisão de Satélites e Sistemas Ambientais (DSA) do Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos/Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (CPTEC/INPE). Para o trimestre JJA do ano de 2013, a resolução espacial do satélite GOES no canal infravermelho é de 4 km.
De posse dessas imagens, foi realizada a identificação subjetiva das LIA, proposta por Cavalcanti (1982), que leva em consideração a estimativa da intensidade, largura e o comprimento da nebulosidade convectiva com formato linear sobre a região da CNNEB. Para este trabalho, a identificação focou nas LIA que se formaram na região situada entre o arquipélago do Marajó (Pará) e o Estado do Maranhão.
2.3 Transformada de ondeletas e definição dos dias de períodos ativos da CBM e dos dias de períodos ativos das LIA
Primeiramente, aplicou-se a Transformada de ondeletas (TO) nos componentes u e v do vento (m s-1) nos níveis de 1000 e 800 hPa e nos dados de divergência (s-1) em 200 hPa de cada ponto da área de atuação da linha de instabilidade (AALI), indicados na Figura 1. A escolha dos pontos se deu de forma arbitrária, de modo que abrangesse locais próximos à linha da CNNEB, propícios a se estudar a CBM e a iniciação da LIA.
Figura 1 – Localização geográfica da área de estudo deste trabalho
Na primeira parte, o objetivo principal foi identificar dominância do ciclo diário (condição para a CBM) nos sinais de cada variável, sendo que a observação dessa dominância nos sinais dos componentes u e v do vento em 800 hPa e na divergência em 200 hPa foram escolhidas como base para reconhecimento da iniciação da LIA.
Para cada ponto obteve-se um valor de Scale-Averaged Wavelet Power (SAWP), e de acordo com as flutuações da potência, altos (baixos) valores de SAWP foram associados a maior (menor) importância do ciclo diário no sinal, representando assim, um dia de período ativo (inativo) da CBM ou da LIA. A partir da associação dos SAWP de cada variável, o período ativo ideal para intensificação da CBM até se tornar uma LI ocorreu quando a variável em análise esteve em dia de período ativo em dois ou três pontos dentro da AALI. Metodologias similares à utilizada neste trabalho, foram aplicadas também por Souza e Oyama (2017), Ramalho (2018) e Wanzeler (2018).
Por fim, ficou determinada uma classificação que possibilitou descrever a condição de período ativo ideal para formação e intensificação da CBM e iniciação da LIA. Essa classificação levou em consideração os seguintes critérios: Período ativo em v ou u (em 1000 e 800 hPa); período ativo na divergência em 200 hPa e identificação de LIA através das imagens de satélite. As análises do vento em 800 hPa e da divergência em 200 hPa (implementadas neste trabalho para investigar as condições relacionadas à formação da LIA) seguem recomendações propostas por Alcântara et al. (2014) e Oliveira e Oyama (2019), respectivamente.
3 Resultados e Discussão
Os valores limiares de SAWP utilizados para cada uma das variáveis em cada um dos pontos são apresentados na Tabela 1. Os valores foram representativos na identificação dos dias de períodos ativos da CBM, pois como mostra a Figura 2, o número de casos de períodos ativos da CBM em cada ponto variou entre 35 e 42 casos. Esse ajuste metodológico é de grande importância para adequar uma quantidade de casos que esteja equivalente para cada variável.
Uma análise detalhada será elaborada mais a frente, mas o principal ponto a ser ressaltado nesta parte é que essa variação de 35 a 42 casos de períodos ativos da CBM corresponde a uma variação de 39 a 46% dos dias do trimestre JJA. Este resultado apresenta relativa coerência a outros trabalhos que mostraram um total em torno de 50% de dias por mês com potencial de brisa (SOUZA e OYAMA; 2017) e de 37% de dias por mês de período ativo da brisa para essa região.
Os menores números de casos de períodos ativos da CBM foram encontrados na análise do SAWP da divergência no nível de 200 hPa. Porém, vale ressaltar que a variável divergência está sendo implementada nas análises aqui elaboradas porque Oliveira e Oyama (2019) ressaltaram que o monitoramento do seu ciclo diário pode ser de grande utilidade em termos de previsão de condições atmosféricas de tempo relacionadas à ocorrência de LIA na CNNEB.
Tabela 1 – Limiares do Scale-Averaged Wavelet Power (SAWP) de cada ponto, obtidos através da Transformada de Ondeletas em cada variável
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Scale-Averaged Wavelet Power (SAWP) |
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Ponto a |
Ponto b |
Ponto c |
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Componente v (1000 hPa) |
0,26 |
0,23 |
0,59 |
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Componente u (1000 hPa) |
0,07 |
0,10 |
0,26 |
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Componente v (800 hPa) |
0,12 |
0,20 |
0,20 |
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Componente u (800 hPa) |
0,05 |
0,06 |
0,04 |
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Divergência (200 hPa) |
0,09 |
0,09 |
0,08 |
Figura 2 – Frequência de dias de período ativo da CBM para os pontos A, B, e C e para as variáveis vento (em 1000 e 800 hPa) e divergência (200 hPa)
A Figura 3 apresenta os Espectros de Potência Global (EPG) e de Potência Local (EPL) dos componentes u e v do vento em 1000 hPa. Em todas as análises o EPG indicou a ocorrência de máximos de energia de ondeleta na banda espectral referente ao ciclo de 24 horas (ciclo diário). Em todos os pontos, a amplitude da energia no EPG (para o ciclo diário) mostrou que o componente v se apresentou mais atuante e influente que o componente u na atuação da CBM.
No ponto A existe forte conexão entre o fluxo onshore da CBM e a precipitação que se forma nas proximidades. A maior influência do componente meridional nesse ponto pode estar relacionada à presença de regiões de divergência e/ou convergência sobre o oceano ou o continente que influenciam no sentido meridional da CBM.
No ponto B a análise do EPG confirmou os indícios da atuação da CBM na região (FISCH, 1999; MARCIOTTO; FISCH; MEDEIROS, 2012; SOUZA e OYAMA, 2017), embora essa atuação não ocorra na maioria dos dias, assim como no ponto A. Wanzeler (2018) encontrou em torno de 11 dias por mês de período ativo da brisa para a cidade de Alcântara – MA (localizada próximo ao ponto B), confirmando os resultados aqui apresentados.
Para o ponto C as análises mostraram que existiu grande influência de ambos os componentes na atuação da CBM, principalmente do componente v. Essa influência mostrou que a atuação da CM pôde ser vista praticamente ao longo de todos os dias do trimestre JJA nesse ponto, concordante a resultados apresentados por Souza e Oyama (2018) para a mesma região.
Figura 3 – Transformada de ondeletas aplicada aos componentes u (à esquerda) e v (à direita) do vento no nível de 1000 hPa. Para o Espectro de Potência Global, a linha vermelha delimita a significância estatística acima de 95%
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A Figura 4 apresenta os EPG e EPL dos componentes u e v do vento em 800 hPa. Importante ressaltar que a análise do vento neste nível é o primeiro indício para implementar uma metodologia que possa verificar apenas os casos em que a CBM tenha aprofundado até o estágio inicial de uma LIA.
Em todas as análises o EPG indicou a ocorrência de máximos de energia de ondeleta na banda espectral referente ao ciclo de 24 horas (ciclo diário). Em todos os pontos, a amplitude da energia no EPG (para o ciclo diário) mostrou que o componente v se apresentou mais atuante e influente que o componente u na atuação da CBM.
Essa característica possivelmente está associada à ocorrência de um máximo positivo do componente v nesse nível em casos de ocorrência de LIA (OLIVEIRA; ALCÂNTARA; SOUZA, 2016). Além disso, estes mesmos autores destacam a interação do jato de baixos níveis com a formação da LIA, e aqui mostrado também (através dos máximos de energia apresentados no EPG) com a CBM.
Figura 4 – Transformada de ondeletas aplicada aos componentes u (à esquerda) e v (à direita) do vento no nível de 800 hPa. Para o Espectro de Potência Global, a linha vermelha delimita a significância estatística acima de 95%
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A Figura 5 apresenta os EPG e EPL da divergência no nível de 200 hPa. A análise dessa variável teve o objetivo de identificar exclusivamente os casos em que ela apresentou influência no ciclo diário, selecionando seus períodos ativos, da mesma forma que foi realizada para os componentes do vento.
Porém, o que se pôde observar foi que para o período analisado, o sinal da divergência não se apresentou muito significativamente na banda do ciclo diário, entretanto, o sinal ainda possibilitou a identificação de casos de períodos ativos para o ciclo citado anteriormente e também para um ciclo menor que ele. É possível identificar esse fato através da potência global, que foi superior ao nível de significância estatística de 95% (linha vermelha do EPG).
Este resultado sugere que a influência da divergência na CBM, ainda que pequena, ocorre e pode indicar casos de aprofundamento da CBM para uma possível iniciação de uma LIA. Ao verificar casos de dias coincidentes de períodos ativos nos componentes u e v do vento (em 1000 e 800 hPa) e na divergência em 200 hPa, foi possível selecionar 15 casos de ocorrência de LIA. Ainda que tenha sido um número pequeno, comparado ao total de LIA que ocorreram no período, a metodologia proposta conseguiu (ainda preliminarmente) quantificar a influência dessas variáveis na CBM.
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Na Figura 6 são apresentados os perfis verticais da velocidade do vento (de 1800 UTC até 2300 UTC) para os 15 casos de formação de LIA detectados pela metodologia mostrada anteriormente e identificadas através da metodologia subjetiva através das imagens de satélite. De forma geral, todos os perfis foram condizentes em apresentar o jato em baixos níveis (entre 850 e 750 hPa), característica essa de grande importância para a formação de uma LIA propagante (ALCÂNTARA et al., 2014). A maior magnitude desse jato foi verificada no ponto C, no horário de 2300 UTC.
Durante os primeiros estágios da LIA (entre 1800 e 2100 UTC) pôde ser verificado em praticamente todos os perfis, que este mesmo jato se estendeu até em torno de 750 hPa. Essa maior profundidade do jato, também é característica de grande importância principalmente para a maior duração de uma LIA.
Portanto, em relação ao perfil de vento, as principais características de uma LIA foram bem representadas na média dos casos selecionados através da metodologia proposta.
Figura 6 – Perfis verticais médios da velocidade do vento nos pontos A, B, e C de 1800 UTC até 2300 UTC
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Por fim, a Figura 7 apresenta o campo médio de divergência (de 1800 UTC até 2300 UTC) dos 15 casos detectados de formação de LIA. De forma geral, importante destacar que uma característica fundamental dessa variável, que é a presença de uma extensa faixa de valores positivos sobre a faixa da CNNEB (OLIVEIRA e OYAMA, 2019), foi bem representada pelos casos selecionados, entre os horários de 1800 e 2300 UTC.
Figura 7 – Campos médios da divergência atmosférica em 200 hPa, entre os horários de 1800 e 2300 UTC
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4 Conclusão
Este trabalho apresentou uma metodologia preliminar de identificação de características relacionadas à intensificação da frente de brisa marítima até se tornar uma LIA. Baseada em características já conhecidas de duas variáveis, a TO foi utilizada para detecção dos sinais dessas variáveis atuando no ciclo de 24 horas. Os limiares de SAWP utilizados foram bem representativos em detectar os períodos ativos das variáveis atuando no ciclo da CBM. Esse resultado mostrou que a intensificação da CBM pode estar relacionada à atuação do vento em 800 hPa e da divergência em 200 hPa. Ainda assim, análises mais aprofundadas de outras características aqui não apresentadas, se fazem necessárias para fim de comprovar essa análise.
Com o intuito de verificar se os casos selecionados, coincidentes de períodos ativos em todas as variáveis e também de formação de LIA, foram representativos de importantes características relacionadas à LIA, foram plotados campos médios de 15 casos. Essas principais características relacionadas ao vento (jato de baixos níveis entre 850 e 750 hPa) e divergência em 200 hPa foram representadas, indicando que essas características, antes de estarem diretamente relacionadas à LIA, podem influenciar na atuação e na intensificação primeiramente da CBM.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pelo financiamento da bolsa de doutorado do autor principal, o que possibilitou a realização deste trabalho.
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