Ondas Atmosféricas e Estrutura
Vertical dos Sistemas de Pressão
Lecture 11
Ondas Atmosféricas
• O padrão de escoamento de ar superior, em qualquer dia nas
latitudes médias, tem características de ondas com comprimentos
variáveis ao redor do globo.
• As ondas curtas são geralmente associadas com ciclones e
anticiclones de superfície que em geral se movem na direção oesteleste.
• As ondas mais longas se movem mais lentamente para leste ou, em
alguns casos, podem ser quase estacionária ou mesmo se deslocam
para o oeste.
•
A progressão oeste das ondas é mais vista freqüentemente em
latitudes altas e latitudes baixas, onde o escoamento médio de
oeste é relativamente fraco.
Padrão de altura em 500 hPa às 12 UTC
24 junho de 1994.
Escoamento de grande amplitude, com
várias ondas localizadas na faixa de
latitude 30-40S (linhas tracejadas
indicam cavados associados com cada
uma das ondas).
T
T
Comprimento de onda de ~ 50 graus de
longitude no sector da América do Sul
Sistemas de baixa
pressão (ciclones - C) são
geralmente encontrados
nas proximidades dos
cavados de 500 hPa
C
A
A
C
C
C
A
A
Sistemas de alta pressão
(anticiclones - A) são
encontrados nas
proximidades das cristas
de 500 hPa.
C
A
C
A
C
C
C
C
A
A
Deslocamento das Ondas
• Ondas curtas geralmente se propagam na direção do
escoamento (de oeste para leste nas latitudes médias).
• Ondas longas em latitudes médias avançam lentamente
para o leste, permanecem quase estacionária, ou se
movem para o oeste com o tempo.
Deslocamento das Ondas
Às vezes, as ondas tornam-se
quase estacionárias e o padrão
de tempo persiste por vários
dias. O padrão de ondas no
hemisfério leste durante
meados de junho (vermelho
oval) tem um comprimento de
onda de 70-80 graus de
longitude.
Ondas curtas propagam-se para
o leste.
T
T
Ondas Curtas: Comprimento de
onda de ~ 50 graus de longitude
no sector da América do Sul
Fase das ondas de Rossby e
Propagação de Energia
• Suponha uma atmosfera quase-geostrófica, barotrópica
equivalente, sem atrito. Então, a velocidade de fase das ondas
pode ser escrita como: c = U - β / (2π / L) 2
• Onde U é a média zonal do vento, β é ∂ f / ∂ y e L é o
comprimento de onda.
• Para ondas muito longas (números de onda 1 a 4) o termo
negativo domina e a velocidade de fase é negativa (ondas se
propagam em direção ao oeste).
• Para ondas curtas (números de onda superior ou igual a 5) U
domina o lado direito da equação e as ondas se propagam em
direção ao leste.
• Para U ≈ 0 (por exemplo, no verão do subtropicos or
em latitudes altas), ondas de Rossby propagam para
oeste a uma velocidade de fase c = β / (2π / L) 2
Tempo
S
N
Longitude
• A velocidade de grupo de ondas é
cg = U + β / (2π / L) 2
• A velocidade de grupo é mais rápida que a
velocidade de fase e o vento zonal médio.
• Os seguintes diagramas esquemáticos ilustram as
velocidades de fase e de grupo para uma situação
idealizada.
A latitude é fixa e a
amplitude é plotado em
função da longitude.
Cristas (cavados) são
indicados por linhas com
pontos (linhas tracejada).
As ondas estão
propagando em direção ao
leste com uma velocidade
de fase ~ 6-8 graus de
longitude por dia.
A linha vermelha mostra a
propagação para leste da
amplitude máxima das
ondas ou a velocidade de
grupo (~ 18 graus de
longitude por dia)
O
intervalo
de
tempo
entre as
figuras é
de 2,5
dias.
Outra forma de
visualizar a velocidade
de fase e grupo é
traçando uma secção
tempo-longitude.
.
A inclinação (mudança
de longitude dividida
pelo intervalo de
tempo) da linha preta
sólida representa a
velocidade de fase.
A inclinação da linha
vermelha (linha através
da amplitude maxima)
representa a
velocidade de grupo.
Secção Tempo-longitude de anomalias da Altura Geopotencial em 500 hPa:
Propagação de ondas de Rossby e dispersão de energia
Velocidade de
Grupo ~38 deg.
longitude/dia
Velocidade de
fase ~ 8 deg.
longitude/dia
Forte
Friagem
“Cold Air
Outbreak”
na América
do Sul:
24-26 Junho
1994 Time
Longitude
Ondas e Vorticidade
• As equações da vorticidade e do vento
térmico são aplicadas nas figuras seguintes
para determinar a estrutura vertical dos
sistemas de pressão.
Média
Troposfera (HN)
(~500 hPa)
(ondas curtas)
d/dt (ζ+ f) = 0 (nível de não-divergência;
vorticidade absoluta é conservada)
(ζ+ f)/t = AQ
ou,
ζ/t = AQ
Cavado
Crista
AQ < 0
ζ/t < 0
AQ > 0
ζ/t > 0
Deslocamento da Onda
Crista
Média
Troposfera (HS)
(~500 hPa)
(ondas curtas)
d/dt (ζ+ f) = 0 (nível de não-divergência;
vorticidade absoluta é conservada)
(ζ+ f)/t = AQ
ou,
ζ/t = AQ
Crista
Crista
Cavado
AQ > 0
ζ/t > 0
AQ < 0
ζ/t < 0
Deslocamento da Onda
Média
Troposfera (HN)
(~500 hPa)
(ondas longas
ou planetárias)
d/dt (ζ+ f) = 0 (nível de não-divergência;
vorticidade absoluta é conservada)
(ζ+ f)/t = AQ
Ou
ζ/t = AQ , but AQ = - V   (ζ+ f) = Aζ - v f/y
Cavado
f/y > 0
Crista
Aζ < 0
-vf/y > 0
Aζ > 0
-vf/y < 0
Crista
If │Aζ│> │-vf/y│, o padrão de onda se desloca para o leste com o tempo
If │Aζ│= │-vf/y│, o padrão de onda é estacionária
If │Aζ│< │-vf/y│, o padrão de onda se desloca para o oeste com o tempo
Média
Troposfera (HS)
(~500 hPa)
(ondas longas
ou planetárias)
d/dt (ζ+ f) = 0 (nível de não-divergência;
vorticidade absoluta é conservada)
(ζ+ f)/t = AQ
Ou
ζ/t = AQ , but AQ = - V   (ζ+ f) = Aζ - v f/y
Cavado
Crista
Aζ > 0
-vf/y < 0
Cavado
f/y > 0
Aζ < 0
-vf/y > 0
If │Aζ│> │-vf/y│, o padrão de onda se move para o leste com o tempo
If │Aζ│= │-vf/y│, o padrão de onda é estacionária
If │Aζ│< │-vf/y│, o padrão de onda se move para o oeste com o tempo
Exemplos de Advecção de Vorticidade
AVA
AVC
• Em um determinado dia, as análises de superfície em latitudes médias em
ambos hemisférios apresentam uma série de ciclones e anticiclones
(sistemas de baixa e alta pressão), alguns dos quais são intensos,
enquanto outros são relativamente fracos. Uma seqüência de análises de
superficie mostrariam que alguns sistemas fracos se intensificam,
enquanto outros mantem a sua intensidade ou enfraquecem com o
tempo.
• Nesta seção, iremos nos concentrar no desenvolvimento de sistemas
sinóticos, tomando em conta a intensificação e a dissipação.
• As necessárias, embora não suficientes, condições para a intensificação
dos ciclones em latitudes médias são: 1) a presença de uma zona
baroclínica ou frontal e 2) a aproximação de um cavado de altos níveis.
• Inicialmente, vamos discutir a estrutura vertical dos sistemas de pressão e
sua relação com o movimento vertical, de acordo com as considerações
hidrostáticas discutidas anteriormente.
Estrutura Vertical dos Sistemas de Pressão
•
Como discutido anteriormente, os sistemas de baixa (alta) pressão inclinam-se
no sentido do ar frio (quente), com o aumento da altura na troposfera. Esta
inclinação é necessária para que sistemas de pressão intensifiquem com o
tempo (energia potencial é convertida em energia cinética).
•
Contrastes em temperatura entre os trópicos e latitudes altas resultam em um
aumento na velocidade dos ventos de oeste com o aumento da altura na
troposfera.
•
Como os sistemas de pressão à superfície se movem à cerca da velocidade do
vento médio na troposfera, o cisalhamento vertical significa que o ar em
baixos (altos) níveis da troposfera se move mais lento (mais rápido) do que os
sistemas de pressão à superfície.
•
As mudanças na posição relativa do ar em relação aos sistemas de pressão
resulta em mudanças na vorticidade que estão relacionados com divergência
ou convergência.
d/dt (ζ+ f) = -(ζ + f) p  V
Mudanças na Vorticidade
d/dt (ζ+ f) = −(ζ + f) p  V
Podemos expandir d/dt (ζ+ f) como
d/dt (ζ+ f) =  (ζ+ f)/t + V   (ζ+ f) ou
d/dt (ζ+ f) =  (ζ+ f)/t − AQ
onde AQ é a advecção de vorticidade
.
Na baixa troposfera, a advecção de vorticidade é menor em magnitude do
que o termo de mudança local.
Na alta troposfera, advecção de vorticidade domina o termo de mudança
local.
Baixa Troposfera:  (ζ+ f)/t ~ −(ζ + f) p  V
Alta Troposfera: AQ ~ (ζ + f) p  V
Baixa
Troposfera
(HS)
d/dt (ζ+ f) = −(ζ + f) p  V
 (ζ+ f)/t ~ −(ζ + f) p  V (baixa troposfera)
Vorticidade ciclônica
aumenta seguindo o
movimento do ar
d/dt (ζ+ f) ~  (ζ+ f)/t > 0
N
DIV
L
CONV
Vorticidade ciclônica
diminui seguindo o
movimento do ar
d/dt (ζ+ f) ~  (ζ+ f)/t < 0
Divergência
Convergência
Baixa
Troposfera
(HS)
d/dt (ζ+ f) = −(ζ + f) p  V
 (ζ+ f)/t ~ −(ζ + f) p  V (baixa troposfera)
N
DIV
H
Vorticidade anticiclônica
aumenta seguindo o
movimento do ar
d/dt (ζ+ f) ~  (ζ+ f)/t < 0
CONV
Vorticidade anticiclônica
diminui seguindo o
movimento do ar
d/dt (ζ+ f) ~  (ζ+ f)/t > 0
Convergência
Divergência
d/dt (ζ+ f) = −(ζ + f) p  V
Alta
Troposfera
(HS) (ondas
curtas)
AQ ~ (ζ + f) p  V (alta troposfera, velocidade do ar é muito maior
do que a fase da velocidade das ondas curtas)
AQ < 0 Advecção de vorticidade ciclônica - AVC
AQ > 0 Advecção de vorticidade anticiclônica AVA
N
AQ< 0
Crista
AQ> 0
CONV
Cavado
Vorticidade ciclônica aumenta
seguindo o movimento do ar
d/dt (ζ+ f) ~ − AQ< 0, AQ> 0 (AVA)
AQ> 0, (ζ + f) < 0, p  V < 0
Convergência
Crista
DIV
Vorticidade ciclônica diminue
seguindo o movimento do ar
d/dt (ζ+ f) ~ − AQ > 0, AQ< 0 (CVA)
AQ< 0, (ζ + f) < 0, p  V > 0
Divergência
• Nos níveis medios da troposfera (500 - 600 hPa) o termo de mudança
local,  (ζ+ f )/t, é aproximadamente igual ao termo de advecção, − V 
(ζ + f). Nesses níveis, a convergência / divergência é pequena, então
temos:
d/dt (ζ + f)  0
• O nível em que a equação acima é válida é chamado o nível de não
divergência (NND). Em geral, o NND é uma função do espaço e do
tempo. No entanto, para fins de discussão, vamos supor que o nível de
500 hPa, é aproximadamente o NND.
• Considere uma secção altura-longitude em latitudes médias, com
cavados e cristas inclinando em direção ao oeste com o aumento da
altura, de acordo com as considerações hidrostática discutidas
anteriormente.
Crista
Axis
Crista
Axis
Conv
Cavado
Axis
Div
200 hPa
p
500 hPa (NND)
Cold
A
Div
Warm
B Conv
A
1000 hPa
Leste
• Ao leste da baixa na superfície há convergência, enquanto que ao leste da
alta na superfície, existe divergência. Na alta troposfera há divergência ao
leste do cavado e convergência ao leste da crista. Aplicando a equação da
continuidade, /p = − p  V, na figura acima podemos determinar o
padrão de movimento vertical.
Crista
Axis
Crista
Axis
Conv
p
Cavado
Axis
/p > 0
Div
/p < 0
200 hPa
500 hPa (NND)
Frio
/p < 0
A
Div
Quente
/p > 0
B Conv
A
Leste
/p = − p  V
1000 hPa
• Nas regiões de convergência horizontal /p  0, e nas regiões de
divergência horizontal /p 0. Se assumirmos que  é próximo de zero
na superfície da Terra e perto da tropopausa ( 200 hPa), obtemos os
seguintes perfis verticais de .
div. alto nível.
Mov. ascendente
Conv. baixo nível
Tropopause
LND
Surface
− ω +
Na frente de um sistema de
superfície de baixa pressão
conv. alto nível
Mov. descendente
div. baixo nível
− ω +
Na frente de um sistema de
superfície de alta pressão
Na frente de uma baixa pressão na superfície, convergência nos baixos
níveis e divergência no altos níveis resultam em movimento ascendente (
 0) na média-troposfera (500hPa). Da mesma forma, na frente de uma
superfície de alta pressão, divergência nos baixos níveis e convergência
nos alto níveis resultam em movimento descendente (  0) na médiatroposfera (500hPa).
Crista
Axis
Crista
Axis
Conv
Cavado
Axis
/p > 0
>0
Frio
/p < 0
A
Div
200 hPa
Div
/p < 0
500 hPa (NND)
<0
Quente
/p > 0
B Conv
A
1000 hPa
Leste
Esta é uma configuração necessária para que os sistemas de superfície
intensifiquem com o tempo.
Energia potencial diminui (ar frio desce e ar quente sobe) e energia cinética
(circulação) aumenta com o tempo.
.
• Na figura anterior, a divergência de nível superior se localiza sobre a
baixa na superfície, e a convergência de nível superior se localiza
sobre a alta na superfície. Assim, essa configuração leva à
diminuição de pressão no sistema de baixa e um aumento na
pressão do sistema de alta, ou a intensificação dos sistemas de
pressão à superfície.
Se considerarmos agora os efeitos do atrito na camada limite, o ar
converge (diverge) em direção aos (dos) sistemas de baixa (alta)
pressão.
L
Sistema de baixa pressão convergência devido ao atrito
H
•
Sistema de alta pressão divergência devido ao atrito
• Em geral, a convergência ou divergência
devido ao atrito age em oposição aos efeitos
da divergência e convergência de níveis
superior. Assim, o atrito age para retardar ou
limitar o crescimento (desenvolvimento) de
sistemas de pressão à superfície.
• Para ondas baroclínicas de latitudes médias, o
movimento vertical ocorre quando a advecção da
vorticidade aumenta ou diminui com a altitude
- Movimento ascendente (ω <0) ocorre quando a advecção
da vorticidade ciclônica (AVC) aumenta com a altura.
- Movimento descendente (ω> 0) ocorre quando a
advecção da vorticidade anticiclônica (AVA) aumenta
com a altura.
• Estes resultados surgem devido à existência de um vento
térmico (ventos intensificam com a altura), o que é típico
em latitudes médias.
Secção Altura-Longitude:
00Z 25 June 1994 (T, v)
Eixo do Cavado
Secção Altura-Longitude:
00Z 25 June 1994 (Div, v)
Divergência
Convergência
Divergência
Eixo do Cavado
Convergência
Análises ao Nível de Pressão
Análises ao Nível de Pressão
Análises ao Nível de Pressão
Análises ao Nível de Pressão
35S
Considere o caso no dia
24 de junho de 1994
(00UTC). O cavado de
superfície em 35S estava
localizado perto de 48W,
enquanto que em 700-hPa
e 500-hPa o cavado estava
localizado perto de 53W e
57W, respectivamente.
Assim, o cavado se inclina
para o oeste com a
aumento da altura
Longitude
Estrutura Vertical dos Sistemas de Pressão
Crista
Axis
Crista
Axis
Cavado
Axis
Frio
500 hPa
Quente
z
A
B
A
1000 hPa
Leste
Zona Frontal
Frente Fria
Corte esquemático altura-longitude, ilustrando a inclinação para oeste com
a altura dos cavados e cristas na troposfera.
•
Lembre-se da expressão do vento térmico
VT = (R/f) ln(p1/p2) k x pTm
Se definimos C = (R/f) ln(p1/p2), onde C>0 no HN (f>0) e C<0 no HS (f<0), then
VT = C k x pTm
e
•
uT = – C Tm/y
and
vT = C Tm/x
Avaliando a equação para vT na região a oeste da superfície do sistema de baixa
pressão, temos Tm/x  0 e vT < 0 no HS. Assim, vg2 – vg1 < 0 e vg1 > vg2. Observe que,
imediatamente ao oeste do sistema de baixa pressão na superfície que o vento é
geralmente do sul no HS (vg1 > 0) (Para que vg2 – vg1 > 0, os ventos de sul se
enfraquecem com a altura no HS e ventos de norte (vg2<0) aparecem em níveis mais
altos (por exemplo, 500 hPa). Portanto, o cavado em 500 hPa está localizado a oeste do
sistema de baixa pressão na superfície.
HS
Crista
Axis
Crista
Axis
Cavado
Axis
500
hPa
v>0
Cold
H
Warm
L
Zona Frontal
v<0
Frente Fria
1000
H hPa
Leste
Tm/x >0, vg2 – vg1 > 0
z
Corrente de Jato
•
A corrente de jato é uma corrente de ar de alta velocidade normalmente
encontrada perto da tropopausa (topo da troposfera) entre as latitudes 30 º e 60 º.
Para compreender a formação de uma corrente de jato, vamos usar a equação do
vento térmico e características observadas na atmosfera, tais como
•
Dentro da troposfera, a temperatura é mais alta perto do equador, e a
temperatura diminui em direção aos pólos e com o aumento da altura. A
diminuição vertical da temperatura é chamado de taxa vertical de temperatura ou
“lapse rate” que é definida como  = – T/z.
•
A tropopausa é mais elevada nas regiões das massas de ar quente e mais baixa
nas regiões de massas de ar frio. Uma vez que a temperatura diminui mais
rapidamente na vertical do que na horizontal, a tropopausa é mais fria quando
está mais elevada e mais quente quando está mais baixa.
•
•
•
Como a altura da tropopausa varia com a latitude e a taxa vertical de temperatura
na baixa estratosfera é perto de zero, o gradiente horizontal (norte-sul) de
temperatura na baixa estratosfera é contrário do observado na troposfera, com ar
quente em latitudes altas (regiões polares) e ar mais frio em latitudes baixas
(trópicos).
Essas características são ilustradas nos seguintes diagramas esquemáticos.
Perfis Verticais de Temperatura
20
15
(km)
Tropopausa
10
Tropical
Polar
5
-80
-60
-40
-20
T (ºC)
0
20
Características da Troposfera e
Baixa Estratosfera
T/y<0
pequeno
Quente
Frio
T/y<0
grande
T/y<0
pequeno
Quente
T/y>0
grande
T/y>0
pequeno
16 km
(–75ºC)
8-10 km
(–50ºC)
T/y>0
pequeno
z
T/y>0
pequeno
T/y>0
grande
Frio
PS
T/y>0
pequeno
Tropopausa
T/y<0
grande
T/y<0
pequeno
T/y<0
grande
Quente
60S
30S
EQ
y
8-10 km
(–50ºC)
Frio
30N
60N
PN
Diagrama Esquemático do Vento Zonal na Troposfera e na
Baixa Estratosfera
Corrente de Jatos
z
J
J
50
40
SP
30
10
B
60S
Westerlies
0
20
20
–10
Easterlies
40
30
0
Tropopausa
50
A
30S
Easterlies
B
EQ
Easterlies
A
30N
10
Westerlies
–10
B
60N
Easterlies
NP
Média Zonal de
Temperatura e
Vento Zonal Janeiro
Média Zonal de
Temperatura e
Vento Zonal Janeiro
Tropopausa
J
J
Média Zonal de
Temperatura e
Vento Zonal Janeiro
Tropopausa
J
J
J J