Variabilidade Diurna dos Fluxos Turbulentos de Calor no

Variabilidade Diurna dos Fluxos Turbulentos de Calor no
Atlântico Equatorial
Noele F. Leonardo 12, Marcelo S. Dourado 1
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Centro de Estudos do Mar – CEM - Universidade Federal do Paraná - Av. Beira Mar, s/n Pontal do Paraná – PR - Telefone: (41)34551333.
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ABSTRACT: In this study ten years of data (1999-2009) from a PIRATA buoy were used
to investigate the diurnal variability of turbulent fluxes of sensible heat, latent and momentum
in the equatorial Atlantic. These fluxes were estimated by the Coare 3.0 scheme. The
turbulent sensible and latent heat fluxes shown a maximum associated to the maximum
difference between the sea surface and air temperature. The minimum of theses fluxes
coincide with the wind speed maximum. This seems indicated the difference of temperature
between drives the two heat fluxes. There are a correlation between the latent heat flux and
precipitation with a delay of two hours.
Palavra-Chave: Fluxos Turbulentos, Interação Oceano-Atmosfera, PIRATA
1 - INTRODUÇÃO
Os climas equatoriais diferem em muitos aspectos dos temperados. A diferença mais
importante é o balanço de energia, pois a quantidade de radiação solar recebida no equador é
mais elevada do que aquela recebida nas regiões temperadas. Sendo assim o Oceano
Equatorial possui características particulares quanto a sua termodinâmica e dinâmica.
Os cálculos de fluxos de calor latente e sensível na superfície dos oceanos são
parâmetros essenciais para estudar as interações atmosfera-oceano, pois são esses fluxos que
disponibilizam umidade e calor para atmosfera e são essenciais para o padrão da convecção e
das precipitações (TAO, 1991). O fluxo de calor na superfície do mar resulta em
modificações no balanço local de calor na interface oceano-atmosfera e sua determinação é
fundamental para a estimativa do balanço térmico do oceano. A descrição quantitativa da
troca de energia na interface também é importante para estudos de processos físicos e para o
desenvolvimento de modelos oceânicos e atmosféricos de diferentes escalas espaciais e
temporais (SOARES et al, 2008)
A variabilidade os fluxos de calor sensível, latente e momentum no oceano Atlântico
Equatorial é investigada utilizando-se os dados de uma única bóia PIRATA.
2 - MATERIAIS E MÉTODOS
O principal objetivo do programa PIRATA (Research Morred Array in the Tropical
Atlantic) é investigar as interações do oceano com a atmosfera no Atlântico Tropical, a fim de
entender a evolução espacial e temporal da temperatura da Superfície do Mar (TSM),
transferências de quantidade de movimento, calor e água doce, relacionando seus impactos na
variabilidade climática regional em escalas sazonais e inter-anuais.
Os dados médios utilizados neste estudo são provenientes da bóia 0ºS 23ºW (fig.1) e
estão disponíveis em http://www.pmel.noaa.gov/tao/data_deliv/deliv-pir.html, para um período de
10 anos (1999-2009).
Na superfície, os fluxos turbulentos de calor e momentum são estimados utilizando
dados meteorológicos médios através das equações de bulk, que são derivadas das equações
adimensionais do perfil vertical e da Teoria de Similaridade de Monin – Obukhov
(Gerrnaert,1990).
Figura. 1 – Mapa de localização das bóias do Projeto PIRATA
As expressões de bulk para fluxos de calor sensível(H), latente(LE) e momentum (T)
são, respectivamente:
onde Ch, Ce e Cd são os coeficientes de transferência para o calor sensível, calor latente e
momento, respectivamente. Tar é a temperatura do ar, q ar é a umidade específica do ar, (qs) a
umidade específica para a superfície do mar e U é a velocidade do vento. Estes fluxos serão
estimados utilizando o esquema coare3.0 proposto por Fairall et al. (2003).
3 - RESULTADOS E DISCUSSÕES
A figura 2a representa a variação horária da média da temperatura do ar e da TSM
para o período. Observa-se que a TSM (média de 26,73oC) é sempre maior que a temperatura
do ar (26,21oC), caracterizando uma atmosfera instável. A variação da TSM também é maior
do que a da temperatura do ar. A primeira apresenta um mínimo às 7 horas de 26,56 oC e um
máximo de 26,97oC as 16 horas, com uma amplitude de 0,41°C. A temperatura de ar, por sua
vez, mostra valores mínimos e máximos de 25,91oC e 26,49oC às 6h e 18h, respectivamente.
A amplitude é de 0,48°C. Uma defasagem de 2 horas existe entre os máximos e mínimos das
duas temperaturas. A Figura 2b mostra a evolução da umidade relativa média para o período.
O valor médio foi estimado em 85,88% para o período. Como esperado a umidade relativa
varia de maneira inversa a temperatura, com valores máximos às 4 horas e mínimos às 16
horas. A variação da velocidade media do vento é mostrada na figura 2c. Os valores
apresentam pouca variabilidade, com um mínimo de 5m/s às 1h e um máximo de 5,4 m/s às
11 horas.
A evolução dos fluxos de calor sensível, latente e momentum médio são mostrados
na figura 3. Valores positivos indicam fluxos de calor da atmosfera para o oceano. O contrário
ocorre para o momento. Como esperado para regiões oceânica equatoriais, o fluxo de calor
latente médio (55,2 W/m2) é uma ordem de grandeza maior que o fluxo de calor sensível (3
W/m2). Os valores mais altos de calor sensível são encontrados entre 5 e 7 horas, quando a
diferença entre as temperaturas do mar e do ar foram máximas, da ordem de 0,8oC. Um
máximo secundário pode ser observado às 16 horas.
Figura 2 – Médias Horárias (a) Temperatura da Superfície do Mar (TSM) e Temperatura do
ar (oC), (b) Umidade Relativa (%) e (c) Velocidade do vento (m/s).
É interessante observar que o mínimo do fluxo de calor de sensível de 1,7 W/m2
ocorre às 10 horas, quando a velocidade do vento tende a um máximo. Isto parece indicar que
o fluxo de calor sensível é dirigido pela diferença de temperatura. O fluxo de calor latente
apresenta um comportamento semelhante ao calor sensível, um mínimo de 51,6 W/m 2 a 1
hora, um máximo de 60,1 W/m2 às 16 horas, com um máximo secundário às 8 horas de 55
W/m2. Esta variação acompanha o ciclo diurno da temperatura da superfície do mar. Como no
caso do calor sensível, observa-se também uma diminuição do calor latente no período de
máxima velocidade do vento. O fluxo de momento segue o mesmo ciclo diurno da velocidade
do vento apresentando uma média de 0,038Nm-2, com valores máximos próximos a 0,05 Nm-2
as 11 horas e mínimo de 0,035Nm-2 a 1 hora.
Figura 3 – Fluxos turbulentos: (a)Fluxo de calor sensível (Wm-²) ( b) Fluxo de calor Latente
(Wm-²) (c) Fluxo de Momento (Nm-²).
A figura 4 mostra variabilidade da precipitação. Observa-se um duplo máximo de
0,5 mm/h as 10 e 18 horas. Estes, com uma defasagem de duas horas, parecem associadas ao
duplo máximo no fluxo de calor latente. Entretanto não há uma explicação do porque
diferentes valores de fluxo de calor latente implicam em mesma quantidade de precipitação.
Talvez isto esteja ligado à dinâmica local.
Figura 4 - Variabilidade diurna média da precipitação.
4 – CONCLUSÃO
Neste trabalho 10 anos de dados de uma bóia localizada no Equador, pertencente ao
Programa PIRATA, juntamente com o esquema Coare 3.0 foram utilizados para determinar a
variabilidade diária média dos fluxos turbulentos de calor sensível, calor latente e momentum.
Observou-se que a fluxo de calor sensível e latente apresentam um ciclo diurno com um
máximo principal e um secundário, embora estes não coincidam no tempo. Quando
comparados com a variação da velocidade do vento e da diferença de temperatura entre o ar e
o mar, observa-se que a diferença de temperatura é o principal mecanismo que dirige estes
fluxos. Associados aos fluxos de calor observa-se estão os máximos diários de precipitação.
5- AGRADECIMENTOS
Os autores gostariam de agradecer o projeto PIRATA pela disponibilidade dos dados
usados neste estudo e o auxilio do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e
Tecnológico (CNPq) Processo 475708/2007-5.
6 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
FAIRALL, C.W., Bradley, E.F.; Rogers, D.P.; Edson, J.B.; G.S. Young, Bulk
parameterization of air-sea fluxes for Tropical Ocean-Global Atmosphere Coupled- Ocean
Atmosphere Response Experiment. J. Geophys. Res., v. 101, 3747-3764, 1996.
GEERNAERT, G. L., Bulk parameterizations for the wind stress and heat fluxes in Surface
Waves and Fluxes,Volume 1--Current Theory, edited by G. L. Geernaert, and W. J. Plant, pp.
91-172, Kluwer Academic Publishers, 1990.
SOARES. J., A.P. Oliveira, J. Servain, S. A. Bacellar, 2004: Resultados preliminares do
balanço de energia sobre o oceano Atlântico tropical observado, em 2002, durante a
campanha de medidas do projeto FluTuA. XIII Congresso Brasileiro de Meteorologia, 29/8 a
03/9 em Fortaleza, Ceará. CD.
TAO, W. K., and J. Simpson, 1991: Numerical simulation of a subtropical squall line over
Taiwan Strait. Mon. Wea. Rev., 119, 2699-2723.