Universidade Federal de Santa Maria

Ci. e Nat., Santa Maria v.42, ed. esp.: meteorologia, e14, 2020

DOI:10.5902/2179460X55315

ISSN 2179-460X

Received: 22/09/20   Accepted: 22/09/20  Published: 30/09/20

 

 

Variabilidade Climática Clima e Oceano

 

Estudo das componentes do balanço hidrológico durante episódios de ZCAS

 

Study of the components of the hydrological balance during episode of SACZ

 

Ana Paula da Silva Faggiani I

Mário Francisco Leal de Quadro II

Luis Gustavo de Gonçalves de Gonçalves III

Dirceu Luis Herdies IV

 

I Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, Brasil. E-mail: anapaula.svf@gmail.com.

II Instituto Federal de Santa Catarina, Florianópolis, Brasil. E-mail: mquadro95@gmail.com.

III Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos, Cachoeira Paulista, Brasil. E-mail: gustavo.degoncalves@gmail.com.

IV Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos, Cachoeira Paulista, Brasil. E-mail: dherdies@gmail.com.

 

 

RESUMO

A Zona de Convergência do Atlântico Sul (ZCAS) é um dos sistemas meteorológicos que exerce forte papel no regime de chuvas na região Norte, Centro-Oeste e Sudeste do Brasil. Nesse sentido, este trabalho tem como objetivo analisar o ciclo diurno das componentes do balanço hidrológico durante eventos de ZCAS. Por meio dos dados horários da reanálise atmosférica do Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications, Version 2 (MERRA2) foram analisadas as variáveis evapotranspiração, precipitação, convergência do fluxo de umidade e variação do armazenamento de umidade na atmosfera com o tempo durante os períodos da madrugada, manhã, tarde e noite em toda a região da ZCAS e especificamente na região da Amazônia e Sudeste brasileiro. Na análise das regiões separadamente verifica-se que mesmo durante o período noturno, existe a atividade convectiva e divergência de vapor de água na Amazônia o que permite que o fluxo de vapor seja transportado para o Sudeste mesmo durante os períodos noturnos. Sobre a região Sudeste é possível verificar que durante a madrugada a convergência de umidade atmosférica pode explicar quase totalmente a precipitação durante o período noturno. Ao longo do dia, grande parte da precipitação pode ser explicada pelo aumento da evapotranspiração sobre o Sudeste.

Palavras-chave: Precipitação; Ciclo Diurno; Sudeste; Amazônia.

 

 

ABSTRACT

The South Atlantic Convergence Zone (SACZ) is one of the meteorological systems that plays a strong role in the rainfall regime in many regions of Brazil. This work aims to analyze the daytime cycle of the components of the hydrological balance during events of SACZ. Through the hourly data from the atmospheric reanalysis of Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications, Version 2 (MERRA2) the variables evapotranspiration, precipitation, convergence of moisture flow and variation of moisture storage in the atmosphere with time during the periods were analyzed. from dawn, morning, afternoon and night throughout the region of the SACZ and therefore, specifically in the region of the Amazon and Southeast Brazil. The analysis of the regions separately shows that even during the night there is convective activity and divergence of water vapor in the Amazon, which allows the flow of steam to be transported to the southeast even during night periods. Over the Southeast region it is possible to verify that during the night the convergence of atmospheric humidity can explain almost entirely the precipitation during the night. During the hours of the day, much of the precipitation can be explained by the increase in evapotranspiration over the Southeast.

Keywords: Precipitation; Diurnal Cycle; Southeast; Amazon.

 

 

1 Introdução

De acordo com a Agência Nacional de Águas (ANA) as regiões brasileiras próximas ao oceano Atlântico possuem a menor concentração de recursos hídricos do país, apesar de possuírem a maior densidade demográfica e, por conta disso, o uso da água torna-se imprescindível para o bem-estar da população bem como a economia destas regiões. No entanto, a bacia Amazônica possui um papel importante na precipitação destas regiões, pois recebe água por meio do vapor transportado do Atlântico Tropical (MARENGO, 2005 e 2006a) e recicla parte da água do solo por meio da evapotranspiração da vegetação (TRENBERTH, 1999).

Assim como as antigas civilizações foram obrigadas a compreender como ocorriam as divisões das estações do ano, para que pudessem plantar e colher seu alimento no momento certo, atualmente é necessário que os principais fenômenos meteorológicos sejam interpretados corretamente uma vez que, eles interferem na vida de inúmeras pessoas. Por consequência, no decorrer dos últimos anos, estudos apontam a influência da Zona de Convergência do Atlântico Sul (ZCAS) nos eventos extremos de precipitação. Carvalho et al. (2002) mostraram que a ZCAS está relacionada a intensos episódios de precipitação. Entretanto, Coelho et al. (2015) indicaram que a seca que afetou todo o Sudeste brasileiro esteja relacionada com a falta de formação da ZCAS.

Durante os meses de maior atividade convectiva no Hemisfério Sul, em geral entre os meses de outubro a março, o Sistema de Monção da América do Sul (SMAS) é responsável pelo transporte de umidade desde a região central da Amazônia até a região Sudeste do Brasil, sendo responsável por grande parte da precipitação que ocorre na região da ZCAS (NOGUÉS-PAEGLE et al., 2002; GRIMM, 2011; MATOS et al., 2014; AMBRIZZI e FERRAZ, 2015). A ZCAS é um dos componentes do SMAS e é caracterizada por uma extensa banda de nebulosidade convectiva que fica estacionária por vários dias, provocando alterações consideráveis no regime de chuva das regiões afetadas, e compreende a região Noroeste da Amazônia estendendo-se a região Sudeste do oceano Atlântico Sul. Esta zona de convergência é um dos sistemas meteorológicos mais atuantes da região Central do Brasil, pois afeta significativamente as regiões Norte, Centro-Oeste e Sudeste, sendo responsável por grande concentração de índices pluviométricos principalmente nos meses do verão austral (dezembro, janeiro e fevereiro) (FERREIRA et al., 2004).

 

1.1 A Zona de Convergência do Atlântico Sul

Durante os meses de verão, a ZCAS está inserida em um padrão de circulação associada aos sistemas sinóticos característicos dessa época do ano como o SMAS, a Alta da Bolívia (AB) e o cavado (ou vórtice ciclônico) na costa nordeste do Brasil (FERREIRA et al., 2004). Os primeiros estudos que notaram a presença de uma banda de nebulosidade convectiva por meio de imagens de satélite ocorreram na década de 70. Taljaard (1972) observou a presença de uma banda de nebulosidade sobre a Amazônia e Krishnamurti et al. (1973) e Streten (1973) mostraram que esta mesma banda está localizada próximo à costa leste dos continentes do Hemisfério Sul e é orientada na direção noroeste-sudeste. Quadro (1994) ressalta que a presença dessa banda de nebulosidade, que se estende desde o sul da Amazônia em direção sudeste até o oceano Atlântico Subtropical, modifica consideravelmente o regime de chuvas das regiões afetadas. O autor ainda ressalta a influência da convecção tropical que contribui para a geração e manutenção da ZCAS. Segundo Quadro (1994), as características mais marcantes observadas nos respectivos campos meteorológicos analisados em episódios de ZCAS por um período de pelo menos quatro dias são: (i) convergência de umidade entre baixos e médios níveis (850 e 500 hPa); (ii) Fluxo em 500 hPa apresentando um cavado na costa leste da América do Sul (AS) aliado a uma faixa de movimento vertical ascendente com orientação noroeste-sudeste localizada em níveis médios da troposfera; (iii) na faixa de nebulosidade convectiva, uma crista é detectada no nível de 500 hPa associada ao campo de temperatura potencial equivalente (θe) onde ocorre um forte contraste ao sul da faixa de nebulosidade, que separa a massa de ar quente e úmida vinda dos trópicos e a massa de ar frio e seco vinda de regiões de latitudes médias e altas; (iv) em níveis altos da troposfera (200 hPa) é observado uma área de vorticidade relativa positiva (ζ).

Sabe-se que as monções, de forma geral, são fenômenos que estão ligados a fortes índices de precipitação ou secas significativas durante diferentes épocas do ano. Segundo Quadro (2012) estes sistemas são caracterizados pela mudança sazonal, em baixos níveis, do vento em relação às regiões continentais e oceânicas por conta do contraste térmico que elas possuem.  Embora a circulação de leste prevaleça no Atlântico Tropical e no Norte da AS durante todo o ano, Zhou e Lau (1998) demonstraram que a estação de verão na AS é caracterizada pela mudança nas anomalias mensais de ventos em baixos níveis. Uma das principais contribuições do SMAS é no regime pluviométrico da região central e norte da AS. Gan et al. (2004) comentaram que cerca de 50% da precipitação que ocorre durante o ano, na região da América do Sul tropical e subtropical acontecem nos meses de dezembro a fevereiro. Bombardi et al. (2014) mostraram que o aumento de precipitação nestas regiões está ligado ao deslocamento de ciclones extratropicais mais ao norte juntamente com o aumento da ciclogênese próximo à região Sudeste do Brasil. Alvarez et al. (2015) constataram que nos meses de verão austral, onde o SMAS está presente, há uma maior probabilidade de ocorrer forte precipitação na região das ZCAS entre as fases 8 e 1 da Oscilação de Madden - Julian (OMJ).

Marengo et al (2012) citaram que um dos fatores que possui relação direta com a formação e manutenção da ZCAS, além da SMAS, é a Zona de Convergência Intertropical (ZCIT). Para Correa (2013) durante o verão há a configuração de Zonas de Convergência (ZC) que contribuem no surgimento de sistemas atmosféricos que modificam as condições do tempo na região em que atuam. A ZCIT, assim como todas as outras ZC, é uma banda de nuvens que, neste caso, envolve todo o globo terrestre na parte equatorial. Formada basicamente pela confluência dos ventos alísios vindos do hemisfério sul e norte, ela influencia boa parte da bacia Amazônica transportando calor e umidade provindos dos oceanos para as latitudes médias e altas. Segundo Kodama (1993) e Grimm e Silva Dias (1995), outra ZC que contribui para o estabelecimento e controle da ZCAS é a Zona de Convergência do Pacífico Sul (ZCPS). A ZCPS está situada sobre a região oeste do oceano Pacífico e, assim como a ZCAS, também possui orientação de noroeste-sudeste. Segundo os autores, por meio desta contribuição, a ZCAS acaba interferindo na Zona de Convergência do Índico Sul (ZCIS).

Para identificar de forma mais clara os eventos de ZCAS foram utilizados estudos de modelagem numérica da atmosfera. Um dos primeiros estudos neste sentido foram apresentados por Figueroa et al. (1995) e Lenters e Cook (1995), que ressaltaram a importância do fluxo de umidade presente na Amazônia, bem como a análise do fluxo de calor para caracterizar de forma satisfatória a detecção dos eventos de ZCAS. Dessa forma, Nielsen et al. (2019) mostraram que existe a possibilidade de quantificar a ZCAS e o SMAS em diferentes escalas de tempo ao analisar períodos chuvosos do SMAS e três modelos de configuração da ZCAS, em que apresentaram resultados positivos no período úmido do SMAS com as anomalias interanuais de precipitação.

Dentre as análises que auxiliam na detecção de episódios de ZCAS, alguns estudos desenvolveram métodos objetivos, por meio de dados observacionais. Ambrizzi e Ferraz (2015) apresentaram um critério objetivo que leva em consideração apenas a precipitação, visto que esta é uma variável que é adquirida de maneira mais fácil em modelos de circulação geral. Apesar do método proposto pelos autores ter superestimado o número de eventos de ZCAS, o mesmo se mostrou satisfatório quando comparado com dados de precipitação simulada e observada. Escobar (2019) ao elaborar uma nota técnica, revela outro método objetivo tendo em vista a aplicação nos centros meteorológicos operacionais do país ao analisar quantitativamente esta metodologia em dois eventos de ZCAS que mostraram diferentes padrões sinóticos. Entretanto Rosa (2020), ao apresentar um algoritmo de detecção automática para ZCAS revela que 70% dos dias ativos de ZCAS aconteceram durante o verão austral. A autora sugere que o vórtice ciclônico, nos casos apresentados, que fica mais ao norte da posição climatológica, seja utilizado para diferenciar as ZCAS continentais das oceânicas.

É de conhecimento comum que diferentes sistemas em diferentes escalas podem afetar a distribuição ou manutenção da ZCAS. Na escala interanual, Ferreira et al. (2004) observaram que em anos de El Niño o número de ZCAS registrado foi menor do que em anos de La Niña. Entretanto, Nogués-Paegle e Mo (1997) também compararam as fases quente e fria da oscilação, mostrando que em anos de El Niño (La Niña) ocorre o favorecimento de ZCAS Oceânica (Continental). Quadro (1994) sugeriu, ao examinar dois casos extremos de ZCAS, que no decorrer de um evento de El Niño, a mesma tende a se formar em regiões atípicas e de uma maneira menos intensa. Entretanto, na escala intrasazonal, Carvalho et al. (2004) mostraram que a OMJ modula a intensidade de eventos de ZCAS. Robertson e Mechoso (2000) ressaltaram que anomalias positivas da temperatura de superfície do mar (TSM) são associadas com o enfraquecimento da ZCAS.

Embora muitos trabalhos expliquem a interação da ZCAS com fenômenos de escalas maiores, poucos destes buscaram compreender os fatores que contribuem para os aspectos hidrológicos e como a precipitação se comporta nesses eventos. Nogués-Paegle e Mo (1997) mostraram que a intensidade e localização da ZCAS é afetada pelo Jato de Baixos Níveis da América do Sul (JBNAS) por meio da gangorra, onde ocorre a diminuição (aumento) do JBNAS e aumento (diminuição) da precipitação na região da ZCAS. Sanches et al (1996) analisaram a variação do ciclo diurno onde constataram que a convecção pertencente a região da ZCAS permanece centralizada sobre o continente no período da tarde e noite, disseminando boa parte dela para o oceano apenas no período da madrugada e manhã.

 

1.2 Umidade na região da ZCAS

O balanço hidrológico é o somatório das quantidades de água que entram e saem em uma determinada área da atmosfera (solo), e seu estudo é imprescindível visto que, a quantidade de água líquida que permanece na atmosfera (solo) pode contribuir significativamente para a manutenção e transporte da precipitação dentro da região da ZCAS. Nesse sentido, alguns estudos apontam que, devido ao processo de evapotranspiração, o escoamento de umidade pode modificar a intensidade da convergência da mesma (CAVALCANTI et al., 2002, REBOITA et al, 2009, MARENGO, 2005). Berbery e Barros (2002) mostraram que a umidade contida na bacia Amazônica auxilia, durante o verão austral, com a manutenção da precipitação na bacia do Prata por meio do fluxo de umidade horizontal. Satyamurty et al. (2013) destacaram que os grandes índices pluviométricos ocorridos na bacia Amazônica durante a estação chuvosa de 2011-2012, resultaram da atividade convectiva ocorrida sobre o continente, apoiada pelo aumento da convergência de umidade.

Para conseguir compreender como ocorre a distribuição e o ciclo da precipitação na faixa de atuação da ZCAS, deve-se olhar primeiramente para o balanço de umidade que se dá nesta área. Quadro et al. (2013) citaram que, na região tropical, o fluxo de umidade verticalmente integrado está ligado com a condução de umidade que é transportada por meio dos ventos alísios. Entretanto, Herdies et al. (2002) mostraram que o Jato de Baixos Níveis (JBN) permanece mais forte e se posiciona mais a leste, implicando em um fluxo de umidade e convergência mais concentrados perto do Sudeste do Brasil, alimentando a convecção associada à ZCAS. Gan et al. (2006) utilizaram um modelo numérico de previsão para avaliar o impacto de diferentes condições de umidade do solo nos padrões de precipitação relacionados a um evento de ZCAS.

Ao identificar como o balanço de umidade se comporta na região da ZCAS, a compreensão da modulação diurna da convecção é facilitada. Por meio deste entendimento pode-se observar, como de fato ocorre, a precipitação nestas áreas. Alguns estudos foram realizados com a intenção de entender este comportamento. Cutrim et al. (2000) estudaram a frequência com que ocorrem os episódios de precipitação e como ela varia durante o dia, mostrando que no leste da Amazônia, o pico de precipitação ocorre no final da tarde (ás 16 horas local). Sanches (2002) identificou que a atividade convectiva mais intensa ocorre na parte continental da ZCAS em comparação a parte oceânica, o mesmo sugere que a AB, juntamente com a topografia e a alta umidade podem contribuir para esse aumento de intensidade. Kousky et al. (2006) analisaram o ciclo diurno da precipitação na AS, com base na NOAA’s Climate Prediction Center morphing technique, e identificaram um máximo de precipitação ocorrendo no período da noite sobre o oceano Atlântico próximo a região da ZCAS.

Estudos mostram a importância do ciclo diurno da precipitação revelando que a maior variabilidade dos sistemas meteorológicos é encontrada na escala de tempo diurno. Em função disso, os Sistemas Convectivos de Mesoescala (SCM) possuem grande importância na precipitação da costa nordeste da AS, por meio da formação de linhas de instabilidade que se estendem para o sudeste do continente colaborando para picos de precipitação a tarde, no Brasil central e oriental (JANOWIAK et al., 2005; ROMATSCHKE e HOUZE, 2010; REBOITA et al., 2016; YANG e SMITH, 2006). Da Rocha (2009) verificou o desempenho do Regional Climate Model version 3 (RegCM3) ao comparar a precipitação simulada por este com diversos conjuntos de dados observados de precipitação. O autor ressalta que embora o RegCM3 tenha respondido de maneira convergente a escala local, mesoescala e grande escala o mesmo conseguiu deter várias características referente a fase e potência do ciclo diurno da precipitação na AS. Giles et al. (2020) identificaram a bacia Amazônica, o planalto brasileiro, a costa nordeste da AS entre outras regiões como locais onde o ciclo diurno é mais significativo. Os autores averiguaram o ciclo diurno da precipitação na AS utilizando uma reanálise, dois modelos climáticos regionais e dois produtos de precipitação por satélite analisando a média climatológica do ciclo diurno da precipitação ao longo dos meses de outubro a março (período em que ocorre o SMAS). Ainda mostraram que os modelos analisados, por exemplo, não retratam a precipitação noturna que ocorre no Sudeste da AS devido ao SCM visto que a resolução espacial destes modelos não descreve os sistemas de mesoescala.

Tendo em vista os estudos apresentados, por meio deste estudo pretende-se melhorar a compreensão dos processos que ocorrem em pequena escala espacial e temporal, durante os episódios de ZCAS. Para isso, pretende-se: (i) entender o papel das componentes do balanço hidrológico no ciclo diurno da ZCAS e (ii) identificar regiões com maior acúmulo de precipitação, e como estas se comportam durante o ciclo diurno.

 

 

2 Material e Métodos

Para realizar o estudo das componentes do balanço hidrológico durante o ciclo diurno da ZCAS foram analisadas as duas áreas em destaque na Figura 1, que representam a região da bacia Amazônica (quadrado do canto superior esquerdo) e a região Sudeste brasileira (quadrado do canto inferior direito). A Tabela 1 apresenta os eventos de ZCAS selecionados para o presente estudo. A sequência de datas dos respectivos episódios escolhidos para a análise foi obtida por meio do método automático de detecção proposto por ROSA (2017). A autora elaborou um algoritmo automático que contribui para a detecção da ZCAS por meio da caracterização da escala espacial e temporal da Radiação de Onda Longa Emergente (ROL) associada com o aparecimento da banda de nebulosidade da Zona de Convergência do Atlântico Sul.

 

Figura 1 – Área de estudo com o retângulo maior representando a região de atuação da ZCAS, e ambos os quadrados representando áreas de análise do ciclo diurno do Balanço Hidrológico Atmosférico e em Superfície

 

Tabela 1 – Período e número de dias de ocorrência dos episódios de ZCAS

Casos ZCAS oceânica

Casos ZCAS continental

Período

Nº dias

Período

Nº dias

02/01/1997 - 05/01/1997

4

20/01/1997 - 29/01/1997

10

10/12/2013 - 25/12/2013

16

15/01/2014 - 20/01/2014

6

 

Os dados utilizados neste estudo, com resolução de 0.625°×0.5, foram disponibilizados por meio da reanálise atmosférica do Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications, Version 2 (MERRA2). O MERRA2 foi desenvolvido pelo Global Modeling and Assimilation Office (GMAO) da National Aeronautics and Space Administration (NASA) e substitui a versão original Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications (MERRA), conforme Rienecker et al. (2011) que utilizou a versão mais atual do Goddard Earth Observing System Model (GEOS-5). Um dos motivos para tal mudança foi o aumento no número de observações acessíveis para a assimilação no MERRA2. Vale ressaltar que, a atualização do MERRA2 apresenta a precipitação com o viés corrigido, que será utilizada nesse estudo e denominada prectotcorr, baseado no calibre elaborado para MERRA-Land (REICHLE et al., 2011; REICHLE, 2012; REICHLE e LIU, 2014). Os dados estão disponíveis on-line por meio do Goddard Earth Sciences (GES) Data and Information Services Center (DISC) (http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/mdisc/), conforme BOSILOVICH et al. (2016).

Para a configuração do balanço hidrológico durante o ciclo diurno da ZCAS, divide-se a equação do balanço hidrológico levando em consideração apenas a parte atmosférica (Equação 1) e apenas a parte superficial (Equação 2). Dessa forma, o balanço de umidade para a atmosfera pode ser descrito como:

(1)

em que,  é a evaporação superficial (kg m-2 s-1),  é a precipitação acumulada na superfície (kg m-2 s-1) com bias corrigido,  é a convergência de umidade integrada na coluna atmosférica (kg m-2 s-1) e  é a variação do armazenamento de umidade na atmosfera (kg m-2 s-1) com o tempo. Entretanto, a Equação 2, por sua vez, apresenta o balanço hidrológico na superfície:

(2)

em que,  é a taxa residual de água no solo (kg m-2 s-1),  é a soma do escoamento total superficial com o escoamento de base (kg m-2 s-1), e  é a variação do armazenamento de umidade na superfície (kg m-2 s-1) com o tempo.

As componentes calculadas nas Equações 1 e 2 são comparadas, para cada episódio selecionado na Tabela 1, buscando caracterizar o balanço hidrológico (atmosférico e superficial) na região da ZCAS. Para maior compreensão do comportamento das variáveis do balanço hidrológico atmosférico foi gerada a Tabela 4 e Tabela 5, para cada região respectivamente, que apresentam alguns produtos estatísticos como: valor mínimo (MIN), valor máximo (MAX), a média (MED) e o desvio padrão (DPA) para cada variável. Os valores apresentados são calculados para todo o período em questão de cada caso retratado. Vale ressaltar que, os valores positivos (negativos) de  mostra que há um incremento (decremento) em um dado passo de tempo no armazenamento de umidade na atmosfera. Neste caso, o valor máximo significa que o maior ganho ocorreu de um passo de tempo para o próximo período em questão. Para analisar o impacto que cada variável, de ambos os balanços, possui durante os episódios de ZCAS foi gerada a Figura 2 e Figura 6 que apresentam como as variáveis se comportam durante o ciclo diurno.

Para facilitar a compreensão houve uma subdivisão em quatro subfiguras, que representam a região e o tipo de balanço, respectivamente. A Tabela 2 apresenta de forma detalhada as variáveis que foram analisadas para caracterizar o balanço hidrológico atmosférico. O conjunto de reanálise MERRA2 não possui a variável que apresenta a variação do armazenamento de água na atmosfera, por conta disso, a mesma foi isolada e obtida por meio da Equação 1. A Tabela 3, por sua vez, apresenta as variáveis que foram analisadas para caracterizar o balanço hidrológico superficial. Embora o conjunto de reanálise MERRA2 possua a variável  (SPWATR), neste trabalho esta variável foi obtida por meio da Equação 2. As variáveis  e  são as mesmas utilizadas em ambas equações.

 

Tabela 2 – Descrição das variáveis para a Equação 1

Nome original da variável

Nome usual da variável

Descrição

Evland

evapotranspiração

Prectotcorr

precipitação total com o viés corrigido

(uflxqv;vflxqv)

 

fluxo de eastward e northward do vapor de água na atmosfera

 

Tabela 3 – Descrição das variáveis para a Equação 2

Nome original da variável

Nome usual da variável

Descrição

runoff + baseflow

escoamento superficial incluindo vazão e fluxo da base, respectivamente

Wchange

taxa de variação da água total da terra

 

Por fim, para verificar como ocorre o comportamento das variáveis do balanço hidrológico superficial foi gerada a Figura 3 e Figura 7 a fim de detectar o resíduo que estas variáveis possuem. Para isso é feito o somatório de todas as componentes da Equação 2 durante todo o período em análise. Destaca-se que, para este estudo a convergência do fluxo de umidade apresentada nas tabelas e gráficos encontra-se com o oceano mascarado. Além disso, a tabela apresenta apenas as componentes médias da atmosfera para o impacto integrado do balanço hídrico na atmosfera durante o período estudado. Lembrando que, a contribuição da superfície terrestre é representada pela evapotranspiração. Entretanto, em uma análise temporal das interações entre os diferentes reservatórios de água, todas as componentes do balanço (atmosférico e de superfície terrestre) são apresentados nas séries temporais.

Foram gerados mapas (Figuras 4 e 5, Figuras 8 e 9) por meio do software GrADS (Grid Analysis and Display System), fornecido pelo COLA (Center for Ocean-Land-Atmosphere Interactions), que apresentam o comportamento das componentes do balanço hidrológico atmosférico e superficial para os períodos da madrugada, manhã, tarde e noite. Para cada período foi calculada, inicialmente, a média de cada hora para cada episódio e posteriormente o acumulado (6 horas) do período. A fim de buscar atender ao ciclo diurno local, o período da madrugada abrange os horários entre 03-08 UTC, o da manhã os horários entre 09-14 UTC, o da tarde os horários entre 15-20 UTC e o da noite os horários entre 21-02 UTC. Especificamente neste trabalho são apresentados os resultados para o primeiro e terceiro caso, a escolha acontece desta maneira pois são casos de ZCAS oceânica em que ocorre um maior impacto do transporte de umidade para a região Sudeste. 

 

 

3 Resultados e Discussão

A Tabela 4 apresenta um sumário das componentes do balanço hídrico atmosférico para os dois episódios analisados na região Sudeste do Brasil. Nota-se que a convergência do fluxo de umidade é responsável pelos altos níveis de precipitação. Para os dois episódios analisados, é possível observar para o balanço atmosférico que é a soma da evaporação e convergência de umidade é superior ao valor da precipitação. Com isso, verifica-se saldo positivo da variação em cada passo de tempo de umidade disponível na atmosfera. Esse padrão se observa nos valores mínimos, máximos e médios encontrados. Com relação ao desvio padrão, os maiores valores são observados nas componentes  e  , o que indica uma maior variabilidade no ciclo diurno dessas variáveis em relação às demais. Esse fato pode indicar que, em episódios de ZCAS, a precipitação e convergência de umidade na coluna atmosférica sofrem menor influência do ciclo diurno.

Entretanto, na região da bacia Amazônica (Tabela 5), ao analisar o balanço atmosférico para os dois casos em estudo, nota-se que o valor do mesmo é inferior ao valor da precipitação. Esses resultados estão de acordo com os apresentados por Nascimento et al. (2016), onde os autores mostraram que entre os anos 1979 e 2008 a região Amazônica se comportou como um sumidouro de umidade e a precipitação foi superior à evapotranspiração. Desta forma, verifica-se na média um saldo negativo da variação de umidade disponível na atmosfera o que quer dizer que, com o passar do tempo, ocorreu maior perda de água da atmosfera para o solo, o que pode justificar os altos valores de precipitação.  Entretanto, ao analisar o desvio padrão, os maiores valores são encontrados nas componentes ,  e  , o que sugere que a precipitação nesta região está ligada a outros fatores e não a variação do ciclo diurno das componentes do balanço hidrológico da atmosfera. Diversos autores retrataram a importância do transporte de umidade da região da bacia Amazônica e que segue para o sul do Brasil (MARENGO, 2004; NOGUÉS-PAEGLE et al., 2002; GRIMM, 2011; MATOS et al., 2014; AMBRIZZI e FERRAZ, 2015).

 

Tabela 4 – Estatísticas dos valores acumulados (mm) das componentes do Balanço Hidrológico da atmosfera para área selecionada na Região Sudeste do Brasil

 

Caso 1 (ZCAS Oceânica)

Caso 3 (ZCAS Oceânica)

 

02/01/1997 - 05/01/1997

10/12/2013 - 25/12/2013

Variável

Min

Max

Med

Dpa

Min

Max

Med

Dpa

-113,0

151,3

18,5

56,6

-159,8

214,5

51,6

71,8

90,5

442,9

262,3

92,3

-38,9

316,2

135,1

75,5

1,5

176,6

48,3

53,8

0,7

180,4

52,1

57,6

108,7

457,6

292,1

104,9

7,1

393,7

135,6

79,6

 

Tabela 5 – Estatísticas dos valores acumulados (mm) das componentes do Balanço Hidrológico da atmosfera para área selecionada da bacia Amazônica

 

Caso 1 (ZCAS Oceânica)

Caso 3 (ZCAS Oceânica)

 

02/01/1997 - 05/01/1997

10/12/2013 - 25/12/2013

Variável

Min

Max

Med

Dpa

Min

Max

Med

Dpa

-197,5

53,8

-41,0

49,7

-189,0

102,4

-27,4

49,3

 

-69,5

30,9

-12,3

19,8

-81,4

103,8

14,0

33,3

-0,3

132,5

35,5

44,2

-0,2

110,9

27,5

34,4

1,2

280,3

64,2

68,6

1,5

239,9

69,0

51,5

 

3.1 Caso 1 - 02/01/1997 - 05/01/1997

O ciclo diurno das componentes do balanço hidrológico de ambas as regiões é representado na Figura 2. Para a região Sudeste, analisando a evolução temporal do balanço hidrológico na atmosfera (Fig. 2a) de cada variável separadamente, nota-se que, em geral, a variação da precipitação () é acompanhada pela convergência de umidade, assim como observado na Tabela 4. Apenas nos dois últimos dias (4 e 5 de janeiro de 1997) se observa uma maior influência do ciclo diurno nestas variáveis. Enquanto a evaporação () apresenta um ciclo bem comportado determinado pelo aquecimento diurno, a variação com o tempo da água disponível na atmosfera depende do balanço entre precipitação, convergência de umidade e da elevação de  durante o período diurno. Durante o episódio pode-se notar também que, em ambas as áreas, o valor da variável - encontra-se negativo (Figura 2a e 2b) o que ressalta a importância da convergência de umidade no aporte de umidade para a precipitação na ZCAS. Na superfície (Figura 2b) verificou-se que boa parte da água precipitada é escoada por meio do runoff (), mas é possível observar água armazenada a cada passo de tempo (valores positivos de ). Outra influência direta do ciclo diurno é que, durante a noite, com a ausência de evaporação, aumenta o armazenamento de água disponível na superfície.

Sobre a bacia Amazônica (Figuras 2c e 2d), é possível observar um comportamento das variáveis do balanço mais dependente do ciclo diurno. Assim como na região Sudeste, os maiores valores de precipitação se concentraram nos dois primeiros dias dos episódios. Nos dois últimos dias, como a redução de , possivelmente devido a redução da nebulosidade, verificou-se um aumento de , chegando a uma inversão de sinal da diferença - (mais evaporação que precipitação). Nessa região, verifica-se um aporte menor de convergência de umidade em relação a região Sudeste do Brasil, chegando a atingir valores negativos (divergência de umidade) durante o período vespertino (Figura 2c). Em superfície, a variação do armazenamento de água acompanha o ciclo da precipitação nos dois primeiros dias, uma vez que o escoamento () é pequeno, invertendo seu sinal para negativo no final do período.  Em ambas regiões, os valores da taxa residual de água no solo ficaram em torno de zero, indicando um resíduo pequeno no balanço de umidade.

O resíduo do balanço hidrológico da superfície de ambas as regiões é apresentado na Figura 3. Apesar de ocorrer alguns picos durante o período da manhã e madrugada (Figuras 3a e 3b) o somatório das componentes do balanço hidrológico mostra-se muito pequeno, uma vez que os valores estão multiplicados pela potência 14 (1014). Esse fato indica um bom comportamento de todas as variáveis em estudo. Alguns autores analisaram o resíduo do balanço hídrico, porém em uma escala de tempo maior, e constataram que este pode acarretar em um aumento da precipitação total no acumulado do período (NASCIMENTO et al., 2016; MARENGO, 2005; KARAM e BRAS, 2008).

 

Figura 2 – Componentes do Balanço Hidrológico da Atmosfera e Superfície, respectivamente, para as regiões Sudeste (a) e (b) e bacia Amazônica (c) e (d)

 

Figura 3 – Somatório das componentes do Balanço Hidrológico da Superfície para o caso 1 para (a) região Sudeste e (b) região da bacia Amazônica

 

 As Figuras 4 e 5 apresentam as componentes dos balanços hidrológicos atmosférico e de superfície para os períodos diurno e noturno, respectivamente. Durante o período diurno, na componente atmosférica, verifica-se claramente maiores volumes de  (Figura 4b) em relação a  (Figura 4a), principalmente sobre a Região SE e sobre o estado de Goiás. Essa precipitação é suportada pela convergência de umidade (Figura 4c) e pelo armazenamento de umidade (Figura 4d) principalmente sobre os estados de São Paulo e Rio de Janeiro. Por meio da Figura 4d, pode-se observar que, em grande parte da região da ZCAS são verificados valores negativos de , o que ressalta a importância do aporte de umidade externa à ZCAS, oriunda principalmente dos ventos alísios (Figura 4c). Na componente superficial, associada a maior  e   também se observa maiores valores de  (Figura 4e) sobre o Sudeste do Brasil. Além disso, na região de maior confluência do fluxo de umidade são observados valores positivos de   (Figura 4f), indicando que parte da água precipitada nessa região é armazenada ao longo do tempo. Nas demais regiões ao longo da ZCAS também se observam valores positivos de  e , porém com menor intensidade.

Apesar de não ocorrer evapotranspiração no período noturno (Figura 5a), nota-se que a confluência dos ventos na região Sudeste da ZCAS continua (Figura 5c), fazendo com que a intensidade da convergência de umidade permaneça a mesma diminuindo apenas, sua área de atuação. Para este período, nota-se que a precipitação se mantém principalmente por meio da convergência de umidade (Figura 5c). Entretanto, analisando a Figura 5d, nota-se que na região da bacia Amazônica ocorre um aumento na área em que os valores do armazenamento de umidade na atmosfera são negativos fazendo com que, nessas regiões, a precipitação diminua (Figura 5b). Particularmente sobre o norte da região Sudeste e sobre o estado de Goiás, os máximos de precipitação noturna contribuem com o escoamento superficial (Figura 5e). Além disso, na Figura 5f é possível observar que durante a noite a superfície armazena água que será disponibilizada para a evaporação no dia seguinte.

 

Figura 4 – Mapas acumulados de (a) evaporação, (b) precipitação, (c) convergência do fluxo de umidade, (d) variação do armazenamento de umidade na atmosfera, (e) escoamento total e (f) variação do armazenamento de umidade na superfície, médios para os períodos matutino e vespertino (09UTC a 20UTC) para o episódio de ZCAS ocorrido entre 00UTC de 02 a 23UTC de 05 de janeiro de 1997. Unidade em mm/12h

 

Figura 5 – Mapas acumulados de (a) evaporação, (b) precipitação, (c) convergência do fluxo de umidade, (d) variação do armazenamento de umidade na atmosfera, (e) escoamento total e (f) variação do armazenamento de umidade na superfície, médios para os períodos noturno e madrugada (21 a 08 UTC). Para o episódio de ZCAS ocorrido entre 00UTC de 02 a 23UTC de 05 de janeiro de 1997. Unidade em mm/12h.

 

3.2 Caso 3 - 10/12/2013 - 25/12/2013:

A variação das componentes do balanço hidrológico (superficial e atmosférico) para ambas as regiões é representada na Figura 6. Analisando a Figura 6a observa-se que a tem um papel importante para o aporte de umidade, e a consequente precipitação, nesta região. Apenas entre os dias 12 e 13 verificam-se valores negativos de (divergência de umidade). A evapotranspiração, assim como para o caso 1, apresenta um ciclo bem comportado determinado pelo aquecimento diurno. Entretanto, diferentemente do caso 1, a variação com o tempo da umidade disponível na atmosfera acompanha a variação da variável - na primeira metade do período. Conforme o período avança e a   aumenta esta também passa a influenciar com o aumento de   (maior armazenamento de umidade com o tempo). Pode-se notar que a diferença - oscila durante o período entre valores positivos e negativos. Os valores positivos ( >) encontram-se geralmente no período da tarde e quando a variação com o tempo do armazenamento de umidade na atmosfera ultrapassa os valores da convergência do fluxo de umidade. Entretanto, para o balanço hidrológico superficial (Figura 6b), nota-se que grande parte de  é armazenada no solo, uma vez que os valores de  são pequenos. Assim como no caso 1, identificou-se que, durante a noite, com a ausência de evapotranspiração, ocorre o aumento do armazenamento de umidade disponível na superfície. Neste caso a variação da variável - condiz com os momentos onde a    encontra-se negativa.

Entretanto, analisando o balanço hidrológico atmosférico para a região da bacia Amazônica (Figura 6c) observa-se que, diferentemente da região Sudeste,  começa muito pequena visto que     é negativa (divergência). Assim como no caso 1, a precipitação (-) neste período é suportada pela  e a variação positiva do armazenamento da umidade com o tempo durante o dia. Mesmo a   se elevando durante o período da madrugada, o volume de  continua baixo visto que não existe a  para contribuir com o aumento de . Conforme o período avança pode-se verificar então a contribuição tanto da   quanto da  para a manutenção da precipitação. De forma distinta ao caso 1, a divergência ocorre em diferentes períodos do dia (madrugada, manhã, tarde e noite). Neste caso, a diferença - acompanha a variação do armazenamento de umidade na atmosfera durante o tempo. Na superfície (Figura 6d), a variação do armazenamento de umidade no solo começa negativo visto que ocorre pouca precipitação. Conforme a precipitação aumenta esta começa a afetar o   fazendo com que este acompanhe seu ciclo. Assim como no caso 1, em ambas regiões, os valores da taxa residual de água no solo (PHY) ficou em torno de zero, indicando um resíduo pequeno no balanço de umidade.

O resíduo do balanço hidrológico da superfície de ambas as regiões é apresentado na Figura 7. Embora ocorra mais variações durante os dias na região da bacia Amazônica (Figura 7b), o somatório das componentes do balanço hidrológico, assim como no caso 1, mostra-se muito pequeno (lembrando que os valores apresentados nas figuras estão multiplicados pela potência 14 (1014)) o que mostra um bom comportamento de todas as variáveis em estudo.

 

Figura 6 – Componentes do Balanço Hidrológico da Atmosfera e Superfície, respectivamente, para as regiões Sudeste (a) e (b) e bacia Amazônica (c) e (d)

 

Figura 7 – Somatório das componentes do Balanço Hidrológico da Superfície para o caso 1 para (a) região Sudeste e (b) região da bacia Amazônica

 

As componentes dos balanços hidrológicos atmosférico e superficial para os períodos diurno e noturno, respectivamente, são retratadas nas Figuras 8 e 9. Analisando o período diurno, na componente atmosférica, verifica-se que  (Figura 8b) encontra-se com valores aproximadamente próximos aos valores apresentados para a evapotranspiração (Figura 8a). São observados dois núcleos principais de  que abrange as áreas do estado de Rondônia e região oeste do Mato Grosso além dos estados de Minas Gerais, Espírito Santo e Rio de Janeiro. Essa precipitação é suportada basicamente pela convergência de umidade (Figura 8c) provinda pelos ventos alísios (bacia Amazônica) e da confluência que ocorre na região Sudeste. Ao analisar a Figura 8d, nota-se que nas regiões onde ocorrem os núcleos de precipitação existem valores negativos da variação com o tempo do armazenamento de umidade na atmosfera, o que mostra que neste período, ocorre uma perda de umidade. Na componente superficial, relacionado aos maiores valores de , também se constata maiores valores de  (Figura 8e). Assim como no caso 1, na região de maior confluência do fluxo de umidade são observados valores positivos de  (Figura 8f), indicando que parte da água precipitada nessa região é armazenada ao longo do tempo.

Assim como no caso 1, apesar de não ocorrer evapotranspiração no período noturno (Figura 9a), nota-se que existe um aumento na convergência do fluxo de umidade (Figura 9c) o que faz com que a precipitação (Figura 9b) se mantém na região da ZCAS. No entanto, analisando a Figura 9d, observa-se que a variação do armazenamento de umidade na atmosfera também contribui para a manutenção de , fazendo com que a precipitação diminui onde ocorre valores negativos. Por meio do núcleo de precipitação que ainda se mantém intensificado na região Sudeste, pode-se observar valores positivos do escoamento superficial (Figura 9e). Da mesma forma que é retratado no caso 1, analisando a Figura 9f, é possível observar que durante a noite a superfície armazena água que será disponibilizada para a evaporação no dia seguinte.

 

Figura 8 – Mapas acumulados de (a) evaporação, (b) precipitação, (c) convergência do fluxo de umidade, (d) variação do armazenamento de umidade na atmosfera, (e) escoamento total e (f) variação do armazenamento de umidade na superfície, médios para os períodos matutino e vespertino (09UTC a 20UTC) para o episódio de ZCAS ocorrido entre 00UTC de 10 a 23UTC de 25 de dezembro de 2013. Unidade em mm/12h

 

Figura 9 – Mapas acumulados de (a) evaporação, (b) precipitação, (c) convergência do fluxo de umidade, (d) variação do armazenamento de umidade na atmosfera, (e) escoamento total e (f) variação do armazenamento de umidade na superfície, médios para os períodos noturno e madrugada (21 a 08UTC) para o episódio de ZCAS ocorrido entre 00UTC de 10 a 23UTC de 25 de dezembro de 2013. Unidade em mm/12h

 

 

4 Conclusão

Este trabalho teve por objetivo identificar o papel das componentes do balanço hidrológico no ciclo diurno, sobre a região da ZCAS no regime de precipitação sobre duas regiões de interesse: a Amazônia e o Sudeste brasileiro. Para isso, foram utilizados dados da reanálise MERRA2 com o objetivo de entender a evolução das variáveis hidrológicas e seu papel na alocação da água nas suas diferentes componentes.

Inicialmente vale ressaltar que o resíduo do balanço hidrológico superficial de ambos os casos e regiões mostrou-se muito pequeno, o que caracteriza um bom comportamento de todas as variáveis em estudo. No geral, a precipitação na região da ZCAS é sustentada pela convergência de umidade e pela variação do armazenamento desta umidade na atmosfera. Fato que ressalta a importância do aporte de umidade externa à ZCAS que provém, principalmente, dos ventos alísios. Durante a noite notou-se a relevância no armazenamento de água na superfície que será disponibilizada para a evaporação no dia seguinte.

Para a região Sudeste, notou-se que a evapotranspiração e a variação do armazenamento de umidade na atmosfera possuem maior variabilidade no ciclo diurno quando comparadas com a convergência do fluxo de umidade de precipitação. Entretanto, na região da bacia Amazônica foi observado a influência da evapotranspiração na manutenção da precipitação, assim como os valores negativos do armazenamento de umidade na atmosfera. Outro fato importante é a diferença encontrada entre os dois casos analisados, tendo o caso 3 um período maior de dias que o caso 1. Nota-se que em períodos maiores (caso 3), ocorre uma oscilação entre valores positivos e negativos na diferença https://periodicos.ufsm.br/cienciaenatura/article/viewFile/55315/html/253801-https://periodicos.ufsm.br/cienciaenatura/article/viewFile/55315/html/253840 . Os valores em que a evapotranspiração é maior que a precipitação encontram-se geralmente no período da tarde e, quando a variação com o tempo do armazenamento de umidade na atmosfera ultrapassa os valores da convergência do fluxo de umidade. É também no período da tarde em que se observa divergência do fluxo de umidade.

 

 

Agradecimentos

Os autores agradecem a Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), o Instituto Federal de Santa Catarina (IFSC) e o Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos (CPTEC) pelo apoio institucional.

 

 

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