ANÁLISE DA DISPERSÃO DO MODELO AVN COM RELAÇÃO ÀS ONDAS DE LESTE NA
REGIÃO DO ATLÂNTICO EQUATORIAL
Wlademir José de Santis Junior1, Pedro Leite da Silva Dias2, Éder Paulo Vendrasco3,
Jessé Américo4
RESUMO – Este trabalho tem como objetivo principal investigar as diferenças entre o ciclo de
energia das ondas de leste na região do Atlântico equatorial usando três conjuntos de dados: 1) análise;
2) segundo dia de previsão; 3) terceiro dia de previsão. Foi calculada a energética do ciclo de Lorenz
para identificar os principais mecanismos de conversão de energia na análise e nas previsões. Foram
estudadas as ondas de leste que ocorreram entre 22 de junho e 12 de setembro de 2006. Os
reservatórios de energia e os termos de conversão foram calculados para os instantes em que o eixo do
cavado atingiu o meridiano que passa em 30ºW, para cada evento de ondas de leste. Os resultados
sugerem uma relação entre o número de ondas observadas e o prazo de previsão, apresentando maior
quantidade de ondas nas análises e decrescendo nos casos de 2 e 3 dias de previsão. A análise dos
termos da energética mostra que o aumento no tempo de previsão não causa uma mudança sistemática
em Ke. Os perfis verticais dos termos de energia revelam que nas ondas das previsões Ke diminui em
baixos níveis, e que sua estrutura é devida basicamente pelo termo de conversão barotrópica, Ck.
ABSTRACT – The aim of this work was to explore the energy cycle of the easterly wave in the
equatorial Atlantic for 3 datasets: 1) analysis; 2) 2nd day weather forecast; 3) 3rd day weather forecast.
The Lorenz energetic cycle was computed in order to identify the main energy conversion mechanism
for the analysis and the weather forecasts. Easterly waves from Jun/22/2006 to Sep/12/2006 were
analyzed. The energy reservoirs and the conversion terms were calculated when the trough reaches
30ºW for each easterly wave. The results suggest a relationship between the number of observed
waves and the forecast time. More waves were observed in the analysis dataset than in the 2nd and 3rd
day forecast.. The analysis of the energetic of the easterly waves shows that the forecast time does not
systematically change the Ke term. The vertical profile of the energy terms shows that Ke decreases in
the low levels (in the analysis dataset), and its structure is basically due by the barotropic conversion.
Palavras-chave – Meteorologia tropical, ondas de leste, ciclo de energia.
Introdução – A região do globo entre as altas subtropicais e a ZCIT (Zona de Convergência Intertropical) é dominada por fortes e constantes correntes de ar próximo à superfície, chamadas de Ventos
Alísios. Na camada mais baixa dos alísios o ar é geralmente úmido e a temperatura é governada pelas
trocas de calor entre a interface oceano-atmosfera. Acima desta camada é encontrada a Camada de
Inversão dos ventos alísios, onde a temperatura aumenta com a altura. Apesar dos alísios estarem
relacionados com condições de tempo estável, em algumas regiões dos trópicos estas situações
tranqüilas são interrompidas por distúrbios que, por se moverem para oeste e apresentarem
configurações ondulatórias nos campos de vento e pressão, são chamados Ondas de Leste. Ondas de
leste na região tropical do Atlântico e do Pacifico são perturbações de escala sinótica com período
1
Departamento de Ciências Atmosféricas – Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas - USP
Rua do Matão, 1226 – Cidade Universitária – São Paulo – SP, CEP 05508-090. 1Email: [email protected] .
2
Email: [email protected] - 3Email: [email protected] - 4Email: [email protected]
entre 3 a 6 dias que modulam a convecção na ZCIT (Reed and Recker, 1971; Reed et al., 1977;
Molinari et al. 1997; Molinari et al. 2000; Serra and Houze 2002; Petersen et al. 2003; Kiladis and
Wheller, 1995). Em geral as ondas de leste são resultados de instabilidades governadas por uma
mistura de instabilidade barotrópica e baroclínica com acoplamento convectivo via CISK (Norquist et
al. 1977; Thorncroft and Hoskins 1994 a,b).
Este trabalho tem como objetivo investigar o comportamento das ondas de leste em previsões
de tempo, buscando identificar quais os processos de conversão de energia diferem entre as análises e
as previsões.
Metodologia - Para identificar a dispersão da energética das ondas de leste foram utilizados três
grupos de dados: 1) análises; 2) segundo dia de previsão; 3) terceiro dia de previsão, para o período de
21 de junho até 12 de setembro de 2006. Os dados utilizados foram as análises e previsões
operacionais do AVN. As ondas de leste foram identificadas através de diagramas de Hovmöller da
componente meridional do vento no equador em 700 hPa. Estas foram estudadas no instante em que o
eixo do cavado cruza o meridiano de 30ºW, determinando suas características como velocidade de
fase, período e comprimento.
Tendo o instante de tempo da passagem do cavado de cada onda pelo meridiano de 30ºW,
foram calculados os termos do ciclo de energia em um elemento de volume, cujas dimensões são dadas
pela área envolvendo a região entre 5ºS e 5ºN, centrada em 30ºW com comprimento igual à extensão
da onda e, variando entre os níveis verticais de 1000hPa até 100hPa. Os perfis verticais dos termos de
energia também são analisados, para os casos onde as ondas são observadas na análise e também na
previsão, e também para o caso onde a onda é observada apenas na análise. Neste último caso,
utilizou-se o instante de tempo e as dimensões do elemento de volume para o cálculo da energética
aplicada às previsões iguais às encontradas na análise. O conjunto de equações para estes cálculos é
descrito em Krishmanurt (1996), baseado no ciclo de energia da atmosfera (Lorenz, 1955).
Resultados – A determinação das ondas de leste pelo diagrama de Hovmöller mostra a degradação na
estrutura das ondas e a diminuição no número de ondas observadas. A tabela 1 mostra os valores de
velocidade de fase, comprimento de onda e período, para os três grupos de dados. Nos dados de
análise, foram encontradas 12 ondas, enquanto que na previsão de dois e três dias foram encontradas 7
e 4 ondas, respectivamente. Foram observadas em ambas as previsões que o modelo mantém as ondas
que estavam inicialmente bem representadas nos diagramas de Hovmöller, com bandas negativas e
positivas da componente meridional do vento bem definidas, e para as ondas com uma estrutura mais
perturbada, o modelo em geral altera o padrão de oscilação, descaracterizando a estrutura de onda de
leste.
Os resultados da energética para as ondas encontradas na análise, segundo e terceiro dia de
previsão são mostrados na figura 1. Não é observado um padrão evidente na mudança de Ke, C(Ae,Ke)
e C(Ke,Kz) e CISK com o aumento do prazo de previsão.
Tabela 1: Velocidade de fase, período e comprimento de onda para as ondas de leste encontradas na análise, segundo
dia de previsão e terceiro dia de previsão.
Onda
Análise
Previsão 2 dias
Previsão 3 dias
Vel. de Fase Comp. Onda Período Vel. De Fase Comp. Onda Periodo Vel. de Fase Comp. Onda Periodo
[graus/dia]
[graus]
[dias]
[graus/dia]
[graus]
[graus]
[dias]
1
5,1
35
6,9
4,6
38
[dias] [graus/dia]
8,3
5,3
36
6,8
2
11,1
27
2,4
5,3
28
5,3
4,9
37
7,6
3
10,3
43
4,2
8,8
42
4,8
7,0
52
7,4
4
9,9
40
4,0
3,9
34
8,7
--
--
--
5
5,5
30
5,5
--
--
--
--
--
--
6
6,0
36
6,0
--
--
--
--
--
--
7
6,8
32
4,7
--
--
--
--
--
--
8
6,6
48
7,3
5,3
48
9,1
6,5
32
4,9
9
8,0
32
4,0
5,7
34
6,0
--
--
--
10
4,9
40
8,2
--
--
--
--
--
--
11
6,6
29
4,4
--
--
--
--
--
--
12
5,2
53
10,1
6,4
53
8,3
--
--
--
A figura 2 mostra a comparação do perfil vertical dos termos de energia para as ondas
observadas na análise e no segundo dia (a) e terceiro dia (b) de previsão. Observa-se a diminuição da
energia cinética da perturbação (Ke) em baixos níveis, sobretudo no terceiro dia de previsão. É
observado uma forte coerência entre a variação do termo de conversão baroclinico seco (Ce(Ae,Ke)) e
a variação do aquecimento convectivo (CISK), onde valores máximos de Ce(Ae,Ke) correspondem à
valores mínimos de aquecimento convectivo. O mesmo padrão de correlação acontece nos termos Ke e
no termo de conversão barotrópica (Ck(Ke,Kz)), sugerindo que Ck é o principal mecanismo na
manutenção das ondas de leste nessa região. Na análise das ondas que não foram observadas nas
previsões, como mostra a figura 3, vê-se que Ke não sofre alterações significativas entre análise e
previsão, e o padrão de coerência na variação dos termos é mantido. Do ponto de vista de Ke, com a
diminuição do número de ondas observadas com o aumento do tempo de previsão, espera-se
inicialmente a diminuição de Ke, porém, como mostra a figura 3, isso não ocorre. Isso é possível, pois,
a diminuição no número de ondas observadas não implica necessariamente na diminuição de Ke, uma
vez que as perturbações podem ainda estar presentes, mas com estrutura diferente das ondas de leste
típicas.
Conversão entre AE e KE
0,8
0,60
0,6
0,40
0,4
0,2
0
-0,2
0
2
4
6
8
10
12
14
0
2
4
6
8
-0,4
10
12
14
0,20
0,00
-0,20
(d)
0
2
4
6
8
10
12
14
-0,40
-0,60
Onda
Onda
(b)
Onda
(c)
Figura 1: Cálculo do ciclo de energia de Lorenz para: a)energia cin
Estabilidade Condicional do Segundo Tipo
C I S K [W . K ]
Conversão entre KE e KZ
K E -K Z [J /m ²]
A E -K E [J /m ²]
K E [J / m ²] x 1 0 5
Energia Cinética da Perturbação
1,8
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
300
da perturbação, (b) conversão de Ae para Ke, (c) Ke para Kz e o term
200
instabilidade condicional do segundo tipo, CISK, em (i). Os pontos p
100
são os valores da análise, em azul o segundo dia de previsão e
0
0
2
4
6
8
-100
10
12
14
vermelho o terceiro dia de previsão.
-200
Onda
(f)
(a)
(b)
Figura 2: Perfil vertical médio de Ke, Ck, Ce e CISK, para as ondas encontradas na análise e no segundo dia de previsão
(a), e para as ondas encontradas na análise e no terceiro dia de previsão.
(a)
(b)
Figura 2: Perfil vertical médio de Ke, Ck, Ce e CISK, para os instantes de tempo das ondas obserbadas apenas na análise.
Conclusões – Este trabalho mostra, através de diagramas de Hovmöller da componente
meridional do vento, que existe uma mudança significativa na estrutura das ondas de leste preditas
pelo modelo operacional do AVN com relação à análise. Os resultados mostram que algumas ondas
observadas na análise, com estruturas de ondas de leste bem definidas, não são observadas nas
previsões. Contudo, são observadas perturbações no campo de vento com características distintas
daquelas observadas nas ondas de leste, resultando em decréscimo do número destas ondas nas
previsões com relação à análise, segundo a métrica de identificação usada neste trabalho.
Do ponto de vista da energética, não fica evidente a relação entre os termos de energia e o
tempo de previsão. O perfil vertical dos termos de energia sugere que o termo de conversão
barotrópica é o principal responsável pela estrutura de Ke. È observado, em geral, uma dificuldade
maior no modelo em reproduzir o termo de aquecimento convectivo e o termo de conversão
baroclínica. Entretanto, para obter um resultado mais robusto, é necessário analisar um período maior
de dados, proporcionando um número maior de eventos de ondas de leste. Além disso, a determinação
objetiva dos eventos de ondas de leste poderia ser utilizado com o objetivo de reduzir as incertezas na
caracterização desses eventos.
Referências
Hodges, K. I., B. J. Hoskins, J. Boyle, and C. Thorncroft, 2003: A comparison of recent
reanalysis datasets using objective feature tracking: storm tracks and tropical easterly waves.
Mon. Wea. Rev., 131, 2012-2037.
Kiladis, G. N., and M. Wheeler, 1995: Horizontal and vertical structure of observed tropospheric
equatorial Rossby waves, J. Geophys. Res., 100 (D11), 22981-22997.
Krishnamurti, T. N., 1996: An introduction to numerical weather prediction techniques. Boca
Raton, Fla. CRC Press, 293 pp.
Lorenz, E. N., 1955: Available potential energy and the maintenance of the general circulation.
Tellus, vol. 7, p. 157-167.
Molinari, J., D. Knight, M. Dickinson, D. Vollaro, and S. Skubis, 1997: Potential vorticity,
easterly waves, and eastern Pacific tropical cyclogenesis. Mon. Wea. Rev., 125, 2699-2708.
Molinari, J., D. Vollaro, S. Skubis, and M. Dickinson, 2000: Origins and Mechanisms of eastern
Pacific tropical cyclogenesis: A case study. Mon. Wea. Rev., 128, 125-139.
Norquist, D. C., E. E. Recker, and R. J. Reed, 1977: The energetics of African wave disturbances
as observed during Phase III of GATE. Mon. Wea. Rev., 105, 334-342.
Petersen, W. A., R. Cifelli, D. J. Boccippio, S. A. Rutledge, and C. Fairall, 2003: Convection and
easterly wave structures observed in the eastern Pacific warm pool during EPIC-2001. J. Atmos.
Sci., 60, 1754-1773.
Reed, R. J., and E. E. Recker, 1971: Structure and properties of synoptic-scale wave disturbances
in the equatorial western Pacific. J. Atmos. Sci., 28, 1117-1133.
Reed, R. J., D. C. Norquist, and E. E. Recker, 1977: The structure and properties of African
wave disturbances as observed during Phase III of GATE. Mon. Wea. Rev., 105, 317-333.
Serra, Y. L., and R. A. Houze, 2002: Observations of variability on synoptic time scales in the
east Pacific ITCZ. J. Atmos. Sci., 59, 1723-1743.
Thorncroft, C., and B. Hoskins, 1994a: An idealized study of African easterly waves, I: A linear
view. Q. J. R. Meteorol. Soc., 120, 953-982.
Thorncroft, C., and B. Hoskins, 1994b: An idealized study of African easterly waves, II: A
nonlinear
view. Q. J. R. Meteorol. Soc., 120, 983-1015.
Wheeler, M., and G. Kiladis, 1999: Convectively coupled equatorial waves: Analysis of clouds
and temperature in the wavenumber-frequency domain. J. Atmos. Sci., 56, 374-399.
Wheeler, M., G. Kiladis, and P. Webster, 2000: Large-scale dynamical fields associated with
convectively coupled equatorial waves. J. Atmos. Sci., 57, 613-640.