ESTUDOS DE CIRCULAÇÃO ATMOSFÉRICA SOBRE O ESTUÁRIO DA LAGOA DOS PATOS (RS,
BRASIL) ATRAVÉS DE ANÁLISE ESPECTRAL
Fernando Dantas Campello1 e Jaci Maria Bilhalva Saraiva2
1
Curso de Oceanologia - Bolsista PRH/ANP. e-mail: [email protected]
Laboratório de Meteorologia, Departamento de Geociências. e-mail: [email protected]
Fundação Universidade Federal do Rio Grande –Cx. Postal 474, CEP 96201-900 Rio Grande, RS, Brasil.
2
ABSTRACT
The atmospheric circulation on the region of the estuary of the Lagoa dos Patos had been studied through
spectral analysis techniques. Data-set of atmospheric pressure, temperature, relative humidity, insolation,
precipitation and intensity and direction of the wind measured in three meteorological stations (EMBRAPA, FURG
and Rio Grande´s Pilots Station), located in the cities of Pelotas and Rio Grande, had been analyzed. For
oscillations with a period longer than 180 days, the main cycle for pressure, temperature, relative humidity
insolation and x-wind component corresponded to the 365 days (annual), while the precipitation showed the main
cycle in 40 months. In oscillations with period lower than 180 days, the main cycles had been around 7, 11, 15 and
37 days. The first two ones seems to reflect the passage of frontal systems in the region, while the last one should
be related with the Madden-Julian oscillation.
INTRODUÇÃO
Ao longo de séculos a espécie humana tem demonstrado preocupação com os fenômenos atmosféricos.
Civilizações do Egito antigo já faziam observações meteorológicas com o objetivo de prever a chegada da época
das chuvas, quando ocorriam inundações nas margens do Rio Nilo, afetando a vida daqueles habitantes. Por volta
do ano 400 a.C. o filósofo grego Aristóteles escreveu a obra Meteorologia, uma coleção bastante completa do que o
homem havia conseguido aprender sobre a atmosfera até aquela época. Entretanto, a meteorologia tomou grande
importância a partir dos séculos XVI e XVII, época do Renascimento e das grandes navegações, quando foram
inventados os primeiros instrumentos meteorológicos (Wolfe, 1963). As condições do tempo têm influência direta
sobre o modo de vida das pessoas, sobre a produtividade, a economia e o lazer. Um melhor conhecimento dos
fenômenos meteorológicos foi de importância fundamental para o rumo tomado pela história da humanidade. O
conhecimento dos padrões de ventos sobre os oceanos permitiram que embarcações movidas à vela realizassem as
primeiras navegações transatlânticas, culminando com o descobrimento de novas terras. Posteriormente, em
meados do século XIX, grandes veleiros de três mastros denominados clíperes, dos quais o mais conhecido se
chamava Cutty Sark, alavancaram o comércio de mercadorias entre países, navegando em grandes velocidades
através de rotas oceânicas com ventos favoráveis.
Hoje em dia todas as empresas de navegação (entre elas as que transportam cargas perigosas, como
petróleo e seus derivados) demonstram grande interesse na meteorologia, pois através de técnicas modernas tornouse possível prever condições de tempo adversas, que possam provocar acidentes. Da mesma forma, conhecendo o
comportamento do tempo em uma certa região, podemos minimizar efeitos danosos provocados por acidentes com
embarcações e em operações de carga e descarga, ajudando no controle da poluição. Seguindo essa idéia, a Agência
Nacional do Petróleo (ANP), em conjunto com a Fundação Universidade Federal do Rio Grande (FURG) criaram o
programa “Estudos Ambientais nas Áreas de Atuação da Indústria do Petróleo na Região Sul do País", que engloba
diversas áreas do conhecimento, entre as quais a meteorologia, com o objetivo de estudar a poluição de recursos
hídricos por hidrocarbonetos do petróleo nessa região e, mais especificamente, no estuário da Lagoa dos Patos.
A região estuarina da Lagoa dos Patos, segundo Closs (1962), está situada entre a desembocadura dessa
laguna no Oceano Atlântico e uma linha imaginária traçada entre a Ponta da Feitoria e a Ponta dos Lençóis (figura
1) e corresponde a 10% da área da laguna. Essa região apresenta um intenso tráfego marítimo e lacustre, devido à
existência de portos comerciais e pesqueiros. É no estuário que ocorre a mistura entre a água doce proveniente dos
rios e a água salgada vinda do oceano. Em suas margens se encontram os municípios de Pelotas (ao norte), Rio
Grande (ao oeste) e São José do Norte (margem leste). O relevo observado é característico da região de planície
costeira, sedimentar, com baixa topografia. Apenas próximo a Pelotas podem ser vistas baixas elevações rochosas
pertencentes ao escudo cristalino gaúcho, que se estende para a direção oeste. O clima, como em toda a Região Sul
do Brasil, apresenta quatro estações bem definidas ao longo do ano. Segundo Möller Jr. et al. (1996), a circulação
hidrodinâmica na Lagoa dos Patos é dominada por eventos meteorológicos, como a passagem de sistemas frontais,
e pela descarga de água doce. Boa parte das trocas de água entre a laguna e o oceano costeiro se devem ao
gradiente de pressão resultante da combinação das forçantes do vento local e não local (o vento local age através de
cisalhamento sobre a lâmina de água, enquanto que o vento não local, provoca variação no nível do mar na costa,
induzindo circulação por gradiente de pressão) de NE e SW, provocando fluxos de enchente ou vazante. Os ventos
de NE são responsáveis por elevar o nível da laguna na parte sul, enquanto que ao mesmo tempo, devido ao efeito
de Ekman, baixam o nível do oceano junto à costa. Isso provoca um aumento no gradiente de pressão entre a
laguna e o oceano, facilitando a saída de água da laguna. Por outro lado, os ventos do quadrante sul agem de forma
inversa, diminuindo o nível da laguna na sua porção meridional e aumentando o nível do oceano na costa,
favorecendo a entrada de água costeira para o estuário. Os processos se tornam mais ou menos intensos
dependendo da combinação de ventos e descarga fluvial.
Figura 1: Área de estudo – estuário da Lagoa dos Patos.
Diversos sistemas de tempo têm influência sobre a Região Sul do Brasil e afetam diretamente a área de
estudo. A climatologia sinótica das regiões sul e sudeste do Brasil é caracterizada por (Climanálise, 1986):
passagem de sistemas frontais que se deslocam do Pacífico, passam pela Argentina e seguem para nordeste;
sistemas que se desenvolvem no sul e sudeste do Brasil associados a vórtices ciclônicos ou cavados em altos níveis
que chegam a costa oeste da América do Sul vindos do Pacífico; sistemas que se organizam no sul, sudeste do
Brasil, com intensa convecção associada a instabilidade causada pelo jato subtropical com propagação para leste
sobre o Oceano Atlântico; sistemas que se organizam no sul do Brasil resultantes de frontogênese ou ciclogênese.
Além disso, bloqueios atmosféricos formados sobre os oceanos Pacífico Sudeste e Atlântico Sudoeste interrompem
o deslocamento normal para leste dos sistemas migratórios de latitudes médias devido à formação de um
anticiclone quase-estacionário, proporcionando uma calma atmosférica (Marques e Rao, 1996). Em escala subsinótica são observados sistemas em forma de vírgula invertida, que se formam na retaguarda de sistemas frontais,
além de complexos convectivos de meso-escala, que normalmente se desenvolvem sobre o Paraguai e norte da
Argentina e se deslocam para leste, atingindo a região costeira do Rio Grande do Sul (Saraiva, 1996).
Segundo Nimer (1989), o padrão de ventos para a Região Sul do Brasil é determinado pela ação de dois
centros de alta pressão: Anticiclone do Tropical Atlântico Sul e Anticiclone Migratório Polar. Alguns autores
realizaram estudos sobre o padrão de ventos na cidade de Rio Grande (Tomazelli, 1993; Braga e Krusche, 2000;
Lopes, 2000), encontrando resultados bastante semelhantes. De uma maneira geral, a direção predominante do
vento durante todo o ano é a NE, devido à influência do Anticiclone Tropical do Atlântico Sul. Segundo Lopes
(2000), a velocidade média anual registrada em Rio Grande é de 3,7 m/s, com a maior média mensal para setembro
(4,4 m/s) e a menor média no mês em março (2,8 m/s). Análises sazonais têm mostrado uma queda na freqüência
dos ventos NE e E durante o inverno, aliada a um claro aumento na freqüência dos ventos de SW e W, associados à
passagem de frentes frias. Britto e Krusche (1996) estudaram tanto os ventos quanto os sistemas frontais entre 1993
e 1995. Segundo elas, o vento NE ocorre principalmente entre dezembro e março, enquanto que de maio a julho
observa-se um aumento na freqüência das componentes de SW e W, provocado por um maior avanço do
Anticiclone Migratório Polar sobre o Rio Grande do Sul. A maior freqüência de sistemas frontais ocorreu no
outono, inverno e primavera, com taxas de 12 a 13 frentes por estação. A menor freqüência foi no verão, com 10 a
11 frentes por estação. Concluiu-se que a média mensal de frentes frias em Rio Grande entre 1993 e 1995 foi de
quatro entradas por mês, sugerindo que a precipitação nessa região seja predominantemente de origem frontal.
Britto e Saraiva (1997) também estudaram os sistemas frontais durante o ano de 1996, relacionando as maiores
precipitações aos períodos de menor pressão atmosférica. A maior freqüência de frentes ocorreu em agosto e os
ventos predominantes eram nordeste durante o período pré-frontal e sul/ sudoeste no período pós-frontal. Outros
autores (Castro, 1985; Oliveira e Nobre, 1986; Stech e Lorenzzetti, 1992; Pinto et al., 1996), estudando as regiões
Sul e Sudeste do Brasil, citam períodos que variam de 5 a 11 dias entre a passagem de sistemas frontais
consecutivos. A brisa também tem importância na circulação atmosférica sobre o estuário da Lagoa dos Patos. As
brisas são um regime de ventos locais, resultantes da diferença de aquecimento entre as parcelas de ar sobre o
oceano e sobre o continente. A contribuição da brisa para a circulação atmosférica em Rio Grande foi estudada por
Braga (1997). Segundo a autora, a brisa marítima apresenta direção de sudeste e começa a soprar, em média, às
12:00, atingindo sua velocidade máxima entre 14:00 e 19:00. Já a brisa terrestre tem direção noroeste e entra entre
21:00 e 23:30, mostrando sua máxima intensidade entre 23:00 e 8:00. As maiores velocidades costumam ocorrer no
verão (3,6 Km/h marítima e 2,2 km/h terrestre), quando a brisa é mais intensa devido ao maior aquecimento
terrestre, enquanto que as menores acontecem no inverno.
Diversos trabalhos têm dado ênfase ao estudo de fenômenos atmosféricos periódicos. Parte desse interesse
vem do fato que perturbações que mostram periodicidade mais ou menos definida possuem melhores chances de
serem prognosticadas. Segundo Jones e Horel (1990), a atmosfera possui dois modos principais de flutuações em
baixas freqüências: variações interanuais, como o fenômeno El Niño/Oscilação Sul (ENOS) e variações
intrasazonais, como a Oscilação de 30-60 dias, ou Oscilação de Madden-Julian (OMJ). Kousky (Casarin e Kousky,
1986) sugere que as oscilações de 30 – 60 dias podem provocar mudanças substanciais na circulação de latitudes
médias no Hemisfério Sul. Para as freqüências mais altas, Sugahara et al. (1986) cita oscilações em torno de cinco
dias, observadas principalmente nas latitudes tropicais e sobre a região das Monções. Análises espectrais realizadas
com dados diários de pressão medidos em Rio Grande mostraram oscilações com período entre 6 e 10 dias,
atribuídas à passagem de sistemas frontais (Pinto et. al, 1996).
O objetivo desse estudo é detectar, através de análise espectral, quais são os principais fenômenos
atmosféricos periódicos com influência na região do estuário da Lagoa dos Patos e quais as periodicidades
características para cada um desses fenômenos. Assim, será possível oferecer um melhor suporte ao programa
“Estudos Ambientais nas Áreas de Atuação da Indústria do Petróleo na Região Sul do País", ajudando a reduzir o
risco ambiental provocado por acidentes com petróleo e seus derivados.
MATERIAL E MÉTODOS
Os dados utilizados no estudo são provenientes das estações meteorológicas da FURG, EMBRAPA e
Praticagem da Barra de Rio Grande (figura 2), todas localizadas na região estuarina da Lagoa dos Patos. As
características de cada estação são encontradas na tabela 1.
Tabela 1: Características das estações meteorológicas que forneceram os dados estudados.
N° INMET LATITUDE LONGITUDE INSTITUIÇÃO
LOCALIDADE
MUNICÍPIO
83995
32°02 S
052°06 W
FURG
Campus Carreiros
Rio Grande
-----------32°08,2 S
052°06,2 W
Práticos da Barra
Super Porto
Rio Grande
83985
31°48,1 S
052°24,4 W
EMBRAPA
Campus UFPEL
Capão do Leão
ALTITUDE
2,46 m
25 m
13,24 m
Os dados fornecidos pela FURG e EMBRAPA são valores médios diários (calculados de acordo com as
normas do INMET) e abrangem um período de dez anos (1991 a 2000). Já os dados da Praticagem da Barra foram
medidos, com periodicidade horária, por uma estação automática Weather Monitor II, fabricada pela Davis
Instruments, compreendendo um período de dois anos (janeiro de 1999 a dezembro de 2000). Essa estação está
localizada no alto de uma torre de 25 metros de altura. As variáveis analisadas foram pressão atmosférica,
temperatura média do ar seco, umidade relativa, taxa de precipitação pluviométrica, taxa de insolação (apenas para
as estações da FURG e EMBRAPA), intensidade do vento e direção do vento. Os dados foram submetidos a uma
análise para detecção de erros grosseiros, que consistiu na definição de um intervalo com os valores máximos e
mínimos que cada variável poderia assumir, além da visualização gráfica de cada uma das séries temporais.
Figura 2: Posições das estações meteorológicas
A análise espectral foi realizada através da Transformada Rápida de Fourier (FFT), desenvolvida por
Cooley e Tukey em 1965. A potencialidade da análise espectral está relacionada com a capacidade do método em
verificar a freqüência com que cada evento ocorre no espectro total do tempo e na energia do sistema. Entretanto, a
FFT apresenta algumas limitações que devem ser observadas. Primeiro, a série não pode apresentar dados faltantes.
Além disso, a freqüência de amostragem dos dados não pode mudar ao longo da série. Outra limitação importante
se refere à freqüência máxima que poderá ser observada nos espectros. Uma regra básica na análise de séries
temporais discretas é que são necessários ao menos dois dados por período (período mínimo de 2∆, sendo ∆ o
intervalo de tempo entre as medições) para a resolução de uma onda. Como freqüência é o inverso do período, a
freqüência máxima que pode ser observada é de 1/2∆, a chamada freqüência de Nyquist (Stull, 1988; Albuquerque
Jr. e Schuster, 2001). Ao ignorarmos essa regra e tentarmos analisar uma freqüência maior que 1/2∆, sofreremos o
efeito aliasing ou efeito de dobragem. Esse efeito não desejado explica que os sinais de freqüência maior que a
freqüência de Nyquist são reagrupados em freqüências mais baixas, distorcendo os resultados da análise de Fourier
(Stull, 1988). A densidade espectral foi obtida através do periodograma suavizado com uma janela do tipo Parzen.
Para representar o cruzamento entre os espectros de duas variáveis foi utilizado o espectro de amplitude ou
amplitude cruzada. Um grande valor no espectro de amplitude em uma determinada freqüência significa que as
duas variáveis estão fortemente correlacionadas naquela freqüência, independentemente das diferenças de fases
entre seus sinais (Stull, 1988). A amplitude cruzada pode ser interpretada como uma medida da covariância entre
componentes de respectivas freqüências nas duas séries.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Primeiramente apenas os ciclos com período maior que 180 dias (semi-anual) são apresentados para as
séries de 1991 a 2000 das estações da FURG e EMBRAPA. Posteriormente, foram abordados os resultados
referentes a períodos menores que 180 dias para estas duas estações e por fim, foram realizadas análises espectrais
com as séries de periodicidade horária da Praticagem da Barra para o ano de 1999.
As análises espectrais realizadas com as séries de valores médios diários obtidos nas estações da FURG e
EMBRAPA entre 1991 e 2000 mostram claramente a predominância do ciclo anual (período de 365,2 dias) para as
variáveis de pressão atmosférica, temperatura de bulbo seco, umidade relativa e insolação (Figura 3). O ciclo semianual é mais bem observado nos espectros de temperatura e pressão. Essas variáveis ainda revelam picos de energia
com periodicidade de 17 e 20 meses, respectivamente. Umidade relativa e insolação também mostram um ciclo bianual (730,4 dias).
Periodograma de temperatura
Estação FURG - 1991 a 2000
Estação EMBRAPA - 1991 a 2000
1e5
1e5
365,2
365,2
182,6
182,6
1000
Energia
1000
Energia
Periodograma de temperatura
521,7
521,7
10
10
0
180
360
540
720
900
1080 1260 1440 1620 1800 1980
0
200
400
600
Periodo (dias)
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Periodo (dias)
Periodograma de pressão atmosférica
Periodograma de pressão atmosférica
Estação EMBRAPA - 1991 a 2000
Estação FURG - período 1991 a 2000
1e5
1e5
365,2
182,6
365,2
608,6
182,6
1000
608,6
913
Energia
Energia
1000
10
10
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
0
2000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
1600
1800
2000
Periodo (dias)
Periodo (dias)
Periodograma de umidade relativa
Periodograma de umidade relativa
Estação EMBRAPA - 1991 a 2000
Estação FURG - 1991 a 2000
1e5
1e5
365,2
365,2
214,8
730,4
214,8
730,4
Energia
1000
Energia
1000
10
10
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
0
2000
200
400
600
800
1000
1200
1400
Periodo (dias)
Periodo (dias)
Periodograma de insolação
Periodograma insolação
Estação FURG - 1991 a 2000
Estação EMBRAPA - 1991 a 2000
365,2
365,2
1000
1000
1217,3
1217,3
730,4
Energia
Energia
730,4
10
10
0
200
400
600
800
1000
Periodo (dias)
1200
1400
1600
1800
2000
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Periodo (dias)
Figura 3: Espectros de pressão atmosférica, temperatura, umidade relativa e insolação para a FURG e EMBRAPA
entre 1991 e 2000.
A precipitação apresenta um comportamento diferenciado em relação às demais variáveis. O ciclo anual
não é evidente e existe um grande pico de energia associado ao período de 40 meses (figura 4). Esse ciclo é
particularmente forte na estação da FURG, embora seja bastante pronunciado em ambas as estações. Na estação da
EMBRAPA ainda podemos perceber um ciclo de 192,2 dias, possivelmente relacionado a uma oscilação semi-
anual. A ausência do ciclo anual nas séries de precipitação é reflexo do seu comportamento na Região Sul do
Brasil, que tende revelar uma taxa de precipitação relativamente bem distribuída ao longo do ano. O pico de
energia em 40 meses ocorre para a precipitação em maior escala, entretanto também está presente quando
analisamos o espectro de insolação. Sugahara et al. (1986) explicam que oscilações com período de 40 a 60 meses
são característicos do fenômeno El Niño/ Oscilação Sul (ENOS). No referido trabalho foram encontradas
oscilações de baixa freqüência, com período em torno de 60 meses, para os espectros das séries de médias mensais
de pressão, precipitação e insolação. O primeiro autor encontrou ainda uma oscilação de 40 – 60 meses para séries
de precipitação medidas no estado de São Paulo. Diversos estudos (Climanálise, 1986; Grimm et al. 1996)
demonstram a relação entre a presença do fenômeno ENOS e o aumento no índice pluviométrico no sul do Brasil.
Assim, é esperado que o ciclo de freqüência correspondente ao ENOS possa ser evidenciado nos espectros de
precipitação e insolação.
Periodograma precipitação
Periodograma precipitação
Estação FURG - 1991 a 2000
Estação Embrapa - 1991 a 2000
2000
2000
Energia
Energia
1000
1217,3
192,2
1500
1217,3
1500
1000
500
500
0
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
0
2000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Periodo (dias)
Periodo (dias)
Figura 4: Espectro de precipitação para a FURG e EMBRAPA entre 1991 e 2000.
A análise espectral das componentes zonal (U) e meridional (V) da intensidade do vento para períodos
maiores que 180 dias foi realizada apenas na estação da FURG. Os periodogramas (figura 5) mostram a
predominância do ciclo anual para a componente zonal, enquanto que a componente meridional apresenta maiores
energias em oscilações de menor período (214,8 e 332 dias). Entretanto, a maior energia observada para essa
componente ocorre em períodos bem menores que 180 dias, relacionada à passagem de sistemas frontais, que serão
analisados mais adiante.
Periodograma da componente zonal (U) do vento
Periodograma da componente meridional (V) do vento
estação da FURG - 1991 a 2000
estação da FURG - 1991 a 2000
365,2
1000
120
214,8
Energia
Energia
332
60
10
0
200
400
600
800
1000
Periodo (dias)
1200
1400
1600
1800
2000
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Periodo (dias)
Figura 5: Espectro das componentes zonal e meridional da velocidade do vento na estação da FURG.
As densidades espectrais da pressão e temperatura para períodos menores que 180 dias não apresentaram
diferenças significativas entre nas duas estações (a figura 6 mostra apenas os resultados para a EMBRAPA). Para a
pressão foram observados picos de energia em períodos de 7,8 – 11,6 –15 – 18 – 28 e 36,8 dias. Em ambas as
estações a oscilação de maior energia é a de 36,8 dias. Os espectros de temperatura mostraram-se relativamente
diferentes dos espectros de pressão atmosférica, já que maiores energias se relacionaram a freqüências mais baixas.
As principais oscilações compreenderam os períodos de 15,6 – 17 – 36,5 – 46,2 – 68,9 – 98,7 e 117,8 dias, sendo
essa última a de maior energia, provavelmente relacionada ao ciclo sazonal. Um ciclo de 59,8 dias, com menor
energia, pode ainda ser observado em ambas as estações.
Densidade espectral de pressão atmosférica
Densidade espectral de temperatura
Estação EMBRAPA - 1991 a 2000
Estação EMBRAPA - 1991 a 2000
500
200
36,8
150
28
7,8 15 18
Densidade espectral
Densidade espectral
400
300
200
100
15,6
36,5 46,2
98,7
68,9
100
117,8
50
0
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100 110 120 130 140 150
0
10
20
30
40
Periodo (dias)
50
60
70
80
90
100 110 120 130 140 150
Periodo (dias)
Figura 6: Densidade espectral para pressão e temperatura na EMBRAPA.
Os espectros de densidade para umidade relativa, insolação e precipitação, não mostraram tanta
semelhança entre as duas estações (embora haja ciclos coincidentes), sugerindo que suas séries apresentam uma
maior variabilidade local. Assim, com o objetivo de enfatizar fenômenos de maior escala espacial (que atuem em
ambas as estações), facilitando a interpretação dos resultados, realizou-se uma análise de amplitude cruzada entre
as estações para cada uma dessas variáveis. Segundo Stull (1988), a amplitude cruzada indica a quantidade de
variação em comum existente entre duas variáveis para uma determinada freqüência.
O espectro de amplitude cruzada entre as séries de umidade relativa das estações da FURG e EMBRAPA
mostra que a oscilação de maior importância em ambas estações é a de 15 dias (figura 7). Ciclos de 10,4 – 36,8 –
55,3 e 66,4 dias também apresentam grande energia. A amplitude cruzada para a insolação (Figura 6) também
revela a maior energia para o ciclo de 15 dias. São ainda visíveis as oscilações de 8,1 – 36,8 e 55,3 dias. O espectro
de amplitude para a precipitação apresenta a maior energia em 19,3 dias e picos menores em 11,6 – 41 – 57 e 65,2
dias. Entretanto, na análise de densidade espectral o ciclo de 19,3 dias foi evidente apenas para a estação da
EMBRAPA, indicando que este pode ser resultado de algum fenômeno de ação local. As demais oscilações estão
presentes em ambas estações e apresentam energias muito parecidas.
Amplitude cruzada de umidade relativa
Amplitude cruzada de insolação
Estações FURG e EMBRAPA
Estações da FURG e EMBRAPA
300
15
900
15
55,3
66,4
10,4
Amplitude cruzada
Amplitude cruzada
36,8
600
300
0
200
36,8
8,1
55,3
100
0
0
15
30
45
60
75
Periodo (dias)
90
105
120
135
150
0
15
30
45
60
75
90
105
120
135
150
Periodo (dias)
Figura 7: Amplitude cruzada para os espectros de umidade relativa e insolação das estações da FURG e
EMBRAPA.
A densidade espectral das componentes zonal e meridional do vento para períodos menores que 180 dias na
estação da FURG pode ser observada na figura 8. A componente zonal apresenta oscilações de maior energia em
10,6 – 23,7 – 55,3 e 125,9 dias. A primeira deve ser resultante dos ventos de quadrante oeste, que freqüentemente
acompanham os sistemas frontais. A oscilação de 55,3 dias também é intensa para os espectros de umidade relativa
e insolação e deve estar relacionada a algum fenômeno que altera os campos dessas três variáveis. Os ciclos mais
energéticos para a componente meridional apresentam períodos de 6,8 e 8,9 dias e estão relacionados à passagem
de sistemas frontais sobre a região. Britto e Saraiva (1997) demonstraram a predominância de ventos de direção
sul/ sudoeste no período pós-frontal.
Considerando o conjunto de variáveis, podemos dividir as principais oscilações em três grupos: de 7,8 a
11,6 dias, de 15 a 20 dias e de 28 a 69 dias. O primeiro grupo reflete as variações atmosféricas provocadas pela
passagem de sistemas frontais. Diversos autores (Castro, 1985; Oliveira e Nobre, 1986; Stech e Lorenzzetti, 1992;
Britto e Krusche, 1996; Moller et al., 1996; Britto e Saraiva, 1997) calcularam que o tempo entre a passagem de
dois sistemas frontais varia entre 6 e 11 dias para o sul e sudeste do Brasil. Britto e Saraiva (1997) descreveram as
variações nos campos de temperatura, pressão, umidade, precipitação e direção e intensidade do vento, provocadas
pela passagem de sistemas frontais sobre a cidade de Rio Grande. O segundo grupo merece atenção, especialmente
a oscilação de 15 dias, que apresenta grande energia e aparentemente é evidenciada para todas as variáveis
analisadas, com exceção da precipitação. Não foi possível determinar a sua causa através das referências
bibliográficas, visto que seu período está acima daqueles descritos para a passagem de sistemas frontais. Novos
estudos devem ser realizados com o objetivo de confirmar sua presença e tentar determinar sua causa. O terceiro
grupo é composto por variações intra-sazonais, provavelmente resultantes da Oscilação de 30-60 dias, ou oscilação
de Madden – Julian (OMJ). Essa oscilação, descrita no início dos anos 70 para a troposfera tropical, se propaga
para leste com velocidade de 3 a 6 m/s e ocorre num largo espectro de períodos que pode variar de 30 a 60 dias
(Cruchelli e Ambrizzi, 1996; Lima e Rao, 1996). Jones e Horel (1990), através de anomalias de radiação de ondas
longas (OLR) emitidas pelo sistema Terra – atmosfera, detectaram uma intensa variabilidade da atividade
convectiva, na escala das oscilações intra-sazonais, sobre a Zona de Convergência do Atlântico Sul (ZCAS).
Segundo Crucchelli e Ambrizzi (1996), a Oscilação Madden – Julian ocorre entre as latitudes 30°S e 30°N,
podendo provocar modificações nos campos da pressão em superfície, componente zonal do vento, temperatura e
umidade. Casarin e Kousky (1986) e Kousky e Cavalcanti (1988) também detectaram a Oscilação de Madden Julian através de OLR, notando variabilidade no campo da precipitação relacionada a essa oscilação. Kousky
sugere que as oscilações de 30 – 60 dias podem provocar mudanças substanciais na circulação de latitudes médias
no Hemisfério Sul. Gonzáles e Barros (1996), realizaram análise espectral para séries de precipitação em várias
estações do leste e nordeste da Argentina, encontrando oscilações de período variável entre 23 e 45 dias, às quais
sugeriram estar relacionadas com as oscilações de Madden – Julian.
Densidade espectral da componente zonal (U) do vento
Densidade espectral da componente meridional (V) do vento
estação da FURG - 1991 a 2000
estação da FURG - 1991 a 2000
100
60 6,8 8,9
125,9
10,6
60
23,7
55,3
40
20
0
Densidade espectral
Densidade espectral
80
40
20
0
0
15
30
45
60
75
90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240
Periodo (dias)
0
15
30
45
60
75
90
105
120
135
150
Periodo (dias)
Figura 8: Densidade espectral das componentes zonal e meridional da velocidade do vento na estação da FURG.
Visando reforçar as hipóteses acima descritas, novas análises de espectros cruzados foram realizadas, dessa
vez entre as variáveis de uma mesma estação. É sabido que a maioria dos fenômenos atmosféricos provoca
alterações nos campos de diversas variáveis ao mesmo tempo. Assim, o cruzamento entre os espectros dessas
variáveis pode ser uma ferramenta poderosa, auxiliando na interpretação dos resultados. Os principais picos de
energia encontrados através desses cruzamentos ficaram em 36,8 dias, 15 dias, 11,6 dias e 7,1 dias. Essas
oscilações quase sempre exercem mudanças substanciais nos campos da maioria das variáveis, alterando as
condições atmosféricas.
As séries da estação da Praticagem da Barra foram medidas nos anos de 1999 e 2000, apresentando
periodicidade de amostragem horária, entretanto o maior período sem dados faltantes, utilizado para as análises
espectrais, consistiu entre abril de 1999 e dezembro de 1999 (total de 5618 dados). Os resultados obtidos podem ser
vistos na figura 9. Os valores mostrados no eixo das abscissas estão em horas, entretanto os valores encontrados
sobre os picos de energia foram passados para dias, facilitando a comparação com as demais estações.
Os resultados mostram diferenças entre os principais picos de energia da estação da Praticagem da Barra
em relação às demais estações. Essas distinções são devido à diferença no período analisado nessa estação (apenas
o ano de 1999). A pressão mostra oscilações principais de 7,1 – 13 – 18 – 23,4 e 39,1 dias. Para a temperatura, o
ciclo principal reflete a variação diurna (ausente na pressão), não captado nas demais estações porque suas séries
eram de dados médios diários. Também são observados picos energéticos de 7,1 – 23,4 – 39 e 58,5 dias. Já no
campo da umidade relativa as oscilações mais significativas foram de 4,6 – 7,5 – 11,1 – 18 e 39 dias. A
precipitação mostrou maiores energias em 7,8 – 10,1 – 24 e 33,4 dias. Por fim, a componente zonal do vento
apresenta ciclos principais em 1 – 6,3 – 16,7 e 58,5 dias, enquanto que a componente meridional mostra os maiores
ciclos em 6,3 – 7 (devido a sistemas frontais) e 18 dias. A oscilação de um dia observada apenas na componente
zonal do vento é resultante da ação da brisa, que tem direção NW-SE, perpendicular à linha de costa. Com relação
às séries da Praticagem da Barra, mais uma vez vemos oscilações entre 7 e 11 dias, provocadas pela passagem de
sistemas frontais e ciclos entre 33 e 59 dias, possivelmente causadas pela Oscilação de 30-60 dias.
Periodograma de pressão atmosférica
Periodograma de temperatura
estação da Praticagem da Barra
estação da Praticagem da Barra
período - abril de 1999 a dezembro de 1999 (amostragem horária)
14000
39,1
6000 1,0
12000
18
7,1
10000
Energia
período - abril de 1999 a dezembro de 2000 (amostragem horária)
23,4
13
Energia
8000
6000
4000
58,5
2000
4000
23,4
7,1
39
2000
0
0
0
144
288
432
576
720
864
1008
1152
1296
1440
0
192
384
576
Periodo (horas)
1152
1344
1536
1728
1920
Periodograma de precipitação
estação da Praticagem de Barra
estação da Praticagem da Barra
período - abril de 1999 a dezembro de 1999 (amostragem horária)
período - abril de 1999 a dezembro de 1999 (amostragem horária)
10
1,2e5
1,0
80000
Energia
24
7,8
6
60000
33,4
10,1
8
1e5
Energia
960
Periodo (horas)
Periodograma de umidade relativa
4
40000
4,6 7,5 11,1
20000
39
18
2
0
0
0
144
288
432
576
720
864
1008
1152
1296
0
1440
144
288
432
576
720
864
1008
1152
1296
1440
1728
1920
Periodo (horas)
Periodo (horas)
Periodograma de componente meridional (V) do vento
Periodograma da componente zonal (U) do vento
estação da Praticagem da Barra
estação da Praticagem da Barra
período - abril de 1999 a dezembro de 1999 (amostragem horária)
período - abril de 1999 a dezembro de 1999 (amostragem horária)
7000
4000
16,7
18
6000
58,5
3000
6,3
5000
Energia
1,0 6,3
Energia
768
2000
7
4000
3000
2000
1000
1000
0
0
0
192
384
576
768
960
1152
Periodo (horas)
1344
1536
1728
1920
0
192
384
576
768
960
1152
1344
1536
Periodo (horas)
Figura 9: Periodogramas de pressão, temperatura, umidade, precipitação e componentes zonal e meridional da
velocidade do vento para a estação da Praticagem da Barra.
CONCLUSÕES
As técnicas de análise espectral permitiram a detecção das principais oscilações que afetam os campos das
variáveis atmosféricas na região do estuário da Lagoa dos Patos. Para oscilações com período maior que 180 dias, o
principal ciclo para pressão, temperatura, umidade relativa, insolação e componente zonal do vento correspondeu a
365 dias (anual), enquanto que a precipitação mostrou o maior ciclo em 40 meses. Em oscilações de período menor
que 180 dias, os principais ciclos foram em torno de 7, 11, 15 e 37 dias. Os dois primeiros parecem refletir a
passagem de sistemas frontais na região, enquanto que o último deve estar relacionado com a oscilação de MaddeJulian. As análises espectrais para o ano de 1999 realizadas com os dados da estação da Praticagem da Barra
mostraram diferenças em relação às outras estações devido à maior freqüência de amostragem e ao menor período
da série de dados. Ainda assim, detectou-se oscilações importantesem torno de 7 e 11 dias e 39 dias, além de outros
ciclos com variação entre 13 e 24 dias. Novos estudos devem ser feitos afim de relacionar os ciclos de 13 a 24 dias
com possíveis fenômenos atmosféricos, enfatizando o ciclo de 15 dias, que parece exercer maior influência sobre
todas as variáveis.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à Agencia Nacional do Petróleo pela bolsa para capacitação de recursos humanos.
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