Análise termodinâmica da atmosfera e sua relação com a

Análise termodinâmica da atmosfera e sua relação com a precipitação
na Região Metropolitana de Belém, de agosto/2008 a julho/2009
Atmosphere’s thermodynamic analysis and its relation with
precipitation in the Belém Metropolitan Region, from August/2008 to
July/2009
Clara Teixeira Figueiredo¹; Maria Aurora Santos da Mota2
¹Bolsista PIBIC - Universidade Federal do Pará ([email protected]); 2Professora
Associada 2 – Universidade Federal do Pará ([email protected])
Resumo
Este estudo verificou a estrutura termodinâmica da atmosfera e sua relação com a
precipitação média da Região Metropolitana de Belém durante o período de um ano
(agosto/2008 a julho/2009). Observou-se que a temperatura potencial era menor quando havia
precipitação, enquanto a razão de mistura se manteve elevada durante todo o período. Dessa
forma, as forçantes dinâmicas foram muito importantes para a formação das chuvas, já que os
fatores termodinâmicos, em geral, se mostraram favoráveis a ocorrência destas.
Abstract
This study verified the atmosphere’s thermodynamic structure and its relation with
the average precipitation in the Belém Metropolitan Region along one year (August/2008 to
July/2009). It was observed that the potential temperature was lower when the precipitation
occurred, while the mixing ratio was elevated during the entire year. Therefore, the dynamic
factors were very important to the formation of rain, since the thermodynamic factors were, in
general, propitious to their occurrence.
Palavras chaves
Amazônia, Clima, Estrutura termodinâmica, Precipitação
Keywords
Amazon, Climate, Thermodynamic structure, Precipitation
1. Introdução
A cidade de Belém, capital do estado do Pará, está localizada às margens do Rio
Guamá, na Baía do Guajará. Suas coordenadas geográficas são 1o 23’ S de latitude e 048o 29’
W de longitude e sua altitude média é de 16 m. A região metropolitana de Belém é composta
por cinco municípios, Ananindeua, Belém, Benevides, Marituba e Santa Isabel. Essa região,
devido à sua localização na zona equatorial do globo, é caracterizada por apresentar altos
índices de precipitação, em média 2.784 mm (de acordo com a média de 1896 a 2007), que
estão relacionadas não só com as condições locais dos movimentos convectivos, mas também,
pela influência de sistemas de meso e grande escala que penetram na região, como El Niño,
Zona de Convergência Intertropical (ZCIT) e frentes, dentre outros, que agem, ora acelerando
os sistemas locais, ora enfraquecendo-os, diminuindo assim a quantidade de precipitação
(Mota et al, 1996; Souza et al, 1997).
As Linhas de Instabilidade são responsáveis pela maioria das precipitações, ocorridas
no período menos chuvoso. Elas se formam na parte costeira devido à circulação de brisa
marítima e se dirigem para o interior do continente como linhas de nuvens convectivas
(Cohen et al, 1995; Kousky, 1980). Durante o período chuvoso a precipitação é provocada
principalmente pela ZCIT, que resulta da convergência dos ventos alísios de nordeste e
sudeste e é caracterizada por precipitações intensas e ventos fracos (Vianello & Alves, 1991).
Ao tornar a atmosfera mais fria em dias de chuva do que em dias secos, a chuva
descaracteriza o ciclo diurno da estrutura termodinâmica da atmosfera, o qual está associado à
transferência de energia proveniente da radiação solar e a quantidade de água presente na
atmosfera (Betts, 1974). Por sua elevada precipitação, Belém, ao lado de vasta parte da
Amazônia, é uma grande fonte de calor e umidade não só para a América do Sul, mas também
para o balanço de energia da atmosfera global.
Estudos têm sido realizados no tocante a estrutura termodinâmica da atmosfera,
estes, porém, consideram apenas a precipitação registrada na estação meteorológica do
INMET localizada em Belém. Contudo, é sabido que na região equatorial a precipitação pode
variar em um raio de distância muito curto. Essa pesquisa, portanto, utiliza dados de
distribuição espacial da precipitação na região metropolitana de Belém.
2. Objetivos
O objetivo principal desse estudo é estabelecer uma tendência de temperatura e
precipitação, avaliando o contraste entre a época seca e chuvosa em termos dos parâmetros
termodinâmicos, como temperatura potencial e razão de mistura, verificando, assim, a
variação típica dessas estações do ano.
3. Materiais e Métodos
Os dados utilizados são de temperatura, pressão e umidade da estação automática do
Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) em Belém, durante o período de agosto de 2008
a julho de 2009. Já a precipitação é a média dos totais diários coletados em duas estações
meteorológicas convencionais localizadas no INMET e na UFPA, como também em casas de
alunos de ensino fundamental e médio da Região Metropolitana de Belém. Em Belém esses
dados foram coletados nos bairros Jurunas, Terra Firme e Marambaia, Conjunto Maguari e
Ilha de Mosqueiro. Além desses locais, foram estabelecidos mais três pontos de observação
nos municípios de Ananindeua, Marituba e Santa Bárbara do Pará.
Os dados de precipitação dos alunos foram obtidos utilizando-se pluviômetro
confeccionado artesanalmente, adaptando a técnica de Assunção e Assis (1997). Cada um
possui uma área de captação de 165 cm2, sendo construído com um tubo PVC de 35 cm de
comprimento e 14,5 cm de diâmetro, acoplado, na parte superior, a um tubo de conexão com
redução de 150 para 100 mm. A base do pluviômetro é composta por uma garrafa PET e um
registro plástico de esfera. Teoricamente, este instrumento possui precisão similar ao obtido
com o pluviômetro padrão “Ville de Paris”, que possui área de captação de 400 cm2.
Para a compreensão da estrutura termodinâmica da atmosfera, foram calculados os
parâmetros termodinâmicos temperatura potencial (θ) e razão de mistura (r), conforme as
equações abaixo:
1000 ,
=
e
=
( − )
sendo, ε a razão entre as massas moleculares do vapor d'água e do ar seco (0,622), P a pressão
atmosférica e e a pressão de vapor dada pelas equações:
,
∙
,
=
e
= 6,11 ∙ 10
100
onde, es é a pressão de vapor de saturação e T é a temperatura do ar (oC)
4. Resultados
A Figura 1 apresenta a variação horária média da temperatura potencial e razão de
mistura de agosto de 2008 a julho de 2009. A razão de mistura se manteve em valores
bastante altos, acima de 17g/Kg em todos os horários, o que coincide com os valores
encontrados por Oliveira et al (1998). Essa elevada razão de mistura é justificada por Belém
ser uma cidade banhada por dois rios e uma baía, além de possuir alta temperatura, fatores
esses que contribuem para uma elevada transferência de água para a atmosfera através da
evaporação. Observou-se também que das 12 às 19 horas UTC (9 às 16 horas local) a
temperatura potencial e a razão de mistura foram inversamente proporcionais. Isso porque
esse é o horário no qual o sol está mais exposto no céu, aumentando assim a diferença entre a
pressão de vapor real e saturada.
304.0
18.20
Temperatura Potencial
θ 302.0
(K)
18.00
Razão de Mistura
17.80
300.0
r
(g/Kg)
17.60
298.0
17.40
296.0
17.20
294.0
17.00
292.0
16.80
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Hora UTC
Figura 01 - Variação média horária da temperatura potencial e razão de mistura (agosto/2008
a julho/2009)
As Figuras 02 e 03 mostram a relação entre a precipitação acumulada média e a
variação da temperatura potencial em novembro e março, respectivamente. Março foi o mês
de maior precipitação média durante o período avaliado, enquanto novembro foi o de menor.
Desta maneira, o mês de novembro apresentou temperaturas potenciais diárias mais altas do
que março. Além disso, percebe-se que os dias mais chuvosos apresentaram temperaturas
potenciais menores do que os dias menos chuvosos. Essa, entretanto, não é uma resposta
automática, porém com “atraso” de aproximadamente um dia, como, por exemplo, no dia 5 de
novembro, quando a maior precipitação do mês foi seguida da menor temperatura. O mesmo
ocorreu em março, quando a temperatura potencial média foi menor que 297 K após os
eventos extremos dos dias 15 e 30. Isso demonstra que a temperatura na região é fortemente
influenciada pela presença da precipitação, conforme discutido por Betts (1974).
45
40
PRP
(mm) 35
304
Precipitação
303
Temperatura Potencial
302
30
301
25
300
20
299
15
298
10
297
5
296
0
θ
(K)
295
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Dias
Figura 02 - Distribuição diária de precipitação e temperatura potencial médias em
novembro/2008
Ressalta-se, porém, que março não foi o mês menos quente e sim fevereiro, o qual
não registrou valores tão elevados de precipitação. Esses, na verdade, decorreram da
localização da ZCIT sobre a região. Da mesma forma, setembro não é o mês menos chuvoso.
Isso demonstra, então, que a precipitação é também influenciada pelas forçantes dinâmicas
(ZCIT e alta do Atlântico), além dos fatores termodinâmicos, conforme havia sido concluído
por Mota et al (2006).
45
304
Precipitação
40
PRP
(mm) 35
303
Temperatura Potencial
302
30
301
25
300
20
299
15
298
10
297
5
296
0
θ
(K)
295
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
Dias
Figura 03 - Distribuição diária de precipitação e temperatura potencial médias em março/2009
A razão de mistura também foi relacionada com a precipitação média (Figuras 04 e
05). Maio foi o mês de que apresentou maiores valores dessa variável, em média 18,26 g/kg, e
julho apresentou os menores, 17,26 g/kg. Percebe-se que a maioria das precipitações ocorreu
em dias de maior quantidade de vapor d’água na atmosfera, como durante o mês de maio,
quando a razão de mistura se manteve sempre acima de 17 g/kg e choveu todos os dias,
apresentando um total mensal de 338,8 mm de precipitação. Já no mês de julho, a precipitação
média foi de 97,2 mm. Contudo, percebemos nas duas figuras que os dias de razão de mistura
mais elevados não são necessariamente os de maior quantidade de precipitação, pois esta
depende também das forçantes dinâmicas conforme dito anteriormente.
45
Precipitação
40
PRP
(mm) 35
18.80
Razão de Mistura
θ
(K)
18.30
30
17.80
25
20
17.30
15
16.80
10
16.30
5
0
15.80
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
Dias
Figura 04 - Distribuição diária de precipitação média e razão de mistura em maio/2009
45
Precipitação
40
PRP
(mm) 35
18.80
Razão de Mistura
θ
(K)
18.30
30
17.80
25
20
17.30
15
16.80
10
16.30
5
0
15.80
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
Dias
Figura 05 - Distribuição diária de precipitação média e razão de mistura em julho/2009
5. Conclusão
Belém apresenta valores elevados de razão de mistura e temperatura potencial,
caracterizando assim o seu clima quente e úmido. Durante o período de maior exposição do
sol, essas duas variáveis se comportam de forma inversamente proporcional. Além disso,
pôde-se comprovar que a precipitação é um importante fator termorregulador da região, já que
esta diminui a temperatura da atmosfera. Apesar do período menos chuvoso ser o mais
quente, o mês menos chuvoso não é na verdade o mais quente. Da mesma maneira, o mês
mais chuvoso não é o menos quente. Além disso, o mês de maior razão de mistura média,
apesar de chuvoso, não é o mais chuvoso, assim como o mês de menor razão de mistura, não
é o menos chuvoso. Isso prova que as forçantes dinâmicas também influenciam as chuvas da
região, dependendo, entretanto, dos fatores termodinâmicos estarem favoráveis a ocorrência
dessa precipitação.
6. Referências Bibliográficas
ASSUNÇÃO, H. F. da; ASSIS, I. C. de. Construção de uma mini-estação agroclimatológica
de baixo custo. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE AGROMETEREOLOGIA, 10., 1997,
Piracicaba-SP. Anais do X Congresso Brasileiro de Agrometeorologia, Piracicaba:
Sociedade Brasileira de Agrometeorologia / Escola superior de Agricultura Luiz de Queiroz /
USP, 1997. p.237-239.
BETTS, A. K. Thermodynamic classification of tropical convective sounding. Monthly
Weather Review, v. 102, n. 11, p. 760-764, Nov. 1974.
COHEN, J. C. P.; SILVA DIAS, M. A. F.; NOBRE, C. A. Environmental conditions
associated with Amazonian squall lines: A case study. Monthly Weather Reviews, v. 123, n.
11, p. 3163-3174, Nov. 1995
KOUSKY, V. E. Diurnal rainfall variation in the northeast Brazil. Monthly Weather
Reviews, v.108, n. 4 , p. 488-498, Apr. 1980
MOTA, M. A. S.; SOUZA JUNIOR, J. A.; COHEN, J. C. P. Análise termodinâmica da
atmosfera e sua relação com a precipitação em Belém: janeiro-julho/87. In: CONGRESSO
BRASILEIRO DE METEOROLOGIA, 14., 2006, Florianópolis-SC. Anais do XIV
Congresso Brasileiro de Meteorologia, Rio de Janeiro: Sociedade Brasileira de
Meteorologia, 2006. Disponível em: http://www.cbmet.com/cbm-files/1499921a6c97f1bc7c204cd35d1262fa9f.pdf. Acesso em 07/05/2010.
MOTA, M. A. S.; SOUZA, P. F. S. Influência da precipitação nas características
termodinâmicas da atmosfera durante um mês seco. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE
METEOROLOGIA, 9., 1996, Campos do Jordão-SP. Anais do IX Congresso Brasileiro de
Meteorologia, Campos do Jordão: 1996. p.1136-1138.
OLIVEIRA, M. C. F. et al. Influência da temperatura e umidade do ar na cidade de BelémPA. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE METEOROLOGIA, 10., 1998, Brasília-DF. Anais
do X Congresso Brasileiro de Meteorologia, 1998. Disponível em:
http://www.cbmet.com/cbm-files/13-32f3c0ce1f058419d0c7b2a3a7c53d0d.pdf. Acesso em:
07/05/2010.
SOUZA, P. F. S. et al. Indícios de possíveis variabilidade e alterações no clima de Belém-PA.
In: CONGRESSO BRASILEIRO DE METEOROLOGIA, 10., 1998, Brasília_DF. Anais do
X Congresso Brasileiro de Meteorologia, 1998. Disponível em:
http://www.cbmet.com/cbm-files/13-e65029e2d2087ac0af18b15ad77451be.pdf. Acesso em:
16/05/2010.
VIANELLO, R.L.; ALVES, A.R. Meteorologia e aplicações. Viçosa: UFV, 1991. p. 449