Nota técnica sobre a estiagem na região norte do Brasil

Nota técnica sobre a estiagem na região norte do Brasil
durante o período Julho-Agosto-Setembro/2010
Grupo de Previsão Climática (GPC)
e
Grupo de Modelagem da Atmosfera e Interfaces (GMAI)
Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos (CPTEC)
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
Pesquisadores responsáveis: Caio Augusto dos Santos Coelho e Saulo Ribeiro de Freitas
Resumo: Esta nota apresenta uma análise das condições climáticas observadas durante o
período Julho-Agosto-Setembro de 2010 (JAS 2010), com destaque para a condição de
estiagem estabelecida na Região Norte do Brasil. As análises sugerem que o aquecimento
das águas do Oceano Atlântico tropical ao norte da América do Sul contribuiu para o
estabelecimento de uma célula local de Hadley, com movimentos verticais ascendentes
sobre a região norte da América do Sul e movimentos verticais descendentes sobre a região
do Brasil central. Este padrão de circulação meridional mostrou-se consistente com as
anomalias positivas de precipitação observadas na região norte da América do Sul e com as
anomalias negativas de precipitação observadas na região do Brasil central, incluindo parte
da Região Norte do Brasil, sendo este o principal mecanismo dinâmico envolvendo
interação oceano-atmosfera identificado em associação ao padrão de precipitação
observado sobre a porção tropical do continente Sul Americano. Um fator adicional que
pode ter contribuído com a condição de estiagem observada na Região Norte foi o aumento
da concentração de aerossóis provenientes das queimadas na região do Brasil central,
através do efeito de diminuição da eficiência do processo de formação de precipitação e de
estabilização termodinâmica da coluna atmosférica. A nota também apresenta uma análise
sucinta da previsão climática sazonal de precipitação para a área castigada pela estiagem,
produzida no mês de junho de 2010 e válida para o trimestre JAS 2010.
Análise das condições climáticas observadas em JAS 2010
A Região Norte do Brasil em quase toda sua totalidade registrou anomalias negativas de
precipitação durante o período JAS 2010. As anomalias mais expressivas (da ordem de 300
milímetros abaixo do normal) foram observadas no noroeste do Estado do Amazonas, como
ilustra a Figura 1a. Essa situação de estiagem prejudicou e continua prejudicando o
abastecimento e transporte fluvial na Região.
Durante JAS foi observado o estabelecimento do fenômeno climático La Niña,
caracterizado pelo resfriamento das águas da região do Oceano Pacífico equatorial. A
Figura 2 ilustra que algumas regiões do Oceano Pacífico equatorial registraram temperatura
da superfície do mar da ordem de 2°C a 3oC abaixo do normal. Destaca-se também a região
do Oceano Atlântico tropical ao norte da América do Sul, onde persiste um padrão de
aquecimento da temperatura da superfície do mar, com anomalias da ordem de 2oC acima
do normal.
O fenômeno La Niña tem como característica o aumento dos volumes
pluviométricos sobre a região norte da América do Sul, incluindo os Estados do Amapá e
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Roraima e o norte dos Estados do Amazonas e Pará. A persistência de águas anomalamente
quentes nas proximidades da costa norte da América do Sul também favorece o aumento
dos volumes pluviométricos sobre a região norte da América do Sul. Assim como ilustrado
na Figura 1b, esse padrão de aumento dos volumes pluviométricos foi previsto para o
período JAS 2010, e foi parcialmente observado sobre o norte da Região Norte do Brasil
(Figura 1a).
(a)
(b)
Figura 1: a) Anomalia de precipitação (em milímetros) observada sobre a América do Sul
durante o período JAS 2010. b) Previsão climática sazonal de precipitação para o Brasil
elaborada e disseminada em junho de 2010, válida para o trimestre JAS 2010.
Em consistência com o padrão de chuva observado (Figura 1a), o campo de
velocidade vertical (Figura 3a) na média troposfera (500 hPa) ilustra que durante o período
JAS 2010 houve predomínio de movimentos verticais ascendentes (valores negativos
destacados em azul) sobre o Oceano Atlântico tropical norte, onde foram observadas
anomalias positivas de temperatura da superfície do mar, bem como sobre a região
continental adjacente no norte da América do Sul, onde foram observadas anomalias
positivas de precipitação (Figura 1a). Ao sul dessa região, sobre o Brasil central, ao longo
do paralelo de 10oS, houve predomínio de movimentos verticais descendentes (valores
positivos destacados em laranja), que são desfavoráveis ao desenvolvimento de nuvens e
ocorrência de chuva, em consistência com o padrão anômalo de chuvas abaixo do normal
observado sobre essa região (Figura 1a). Este padrão de circulação meridional, com
movimentos ascendentes sobre a região tropical e movimentos descendentes sobre a
América do Sul, define uma célula local de Hadley, assim como ilustra a Figura 4a para a
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média da velocidade vertical entre os paralelos de 73oW e 58oW sobre o Estado do
Amazonas. A célula meridional de Hadley é identificada na Figura 4a pelos movimentos
verticais ascendentes (valores negativos de velocidade vertical em azul) ao longo de toda a
troposfera, desde a superfície até o topo da atmosfera, com núcleo máximo na média
troposfera (entre 500 hPa e 600 hPa) em aproximadamente 5oN, e movimentos verticais
descendentes restritos aos níveis altos da troposfera (entre 600 hPa e 200 hPa) em
aproximadamente 12oS. Sobre as regiões sudoeste, central e sul do Estado do Amazonas,
onde houve registro de anomalias negativas expressivas de precipitação (Figura 1a)
observaram-se valores de velocidade vertical (Figura 3a e 4a) próximos a zero,
representando uma região de transição entre a circulação com predominância de
movimentos ascendentes ao norte e movimentos descendentes ao sul. As Figuras 3b e 4b
ilustram que durante os primeiros dias de outubro de 2010, houve uma mudança no padrão
de velocidade vertical sobre a América do Sul, em particular sobre o Brasil central, com o
predomínio de movimentos verticais ascendentes (valores negativos indicados em azul).
Este padrão consiste com as características da estação chuvosa do Brasil central que
climatologicamente tem seu início em meados de outubro.
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 2: Anomalia de temperatura da superfície do mar (oC) observada durante os meses
de a) julho, b) agosto, c) setembro, e d) última semana de outubro de 2010.
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(a)
(b)
Figura 3: Velocidade vertical (Omega) no nível de pressão de 500 hPa (unidade: Pa/s): a)
para o período JAS 2010; b) para os primeiros dias de outubro de 2010. Valores negativos
(em tons de azul) indicam movimentos verticais ascendentes, normalmente associados à
atividade convectiva e formação de nuvens e ocorrência de chuva. Valores positivos (em
tons de laranja) indicam movimentos verticais descendentes, normalmente associados a um
padrão de inibição de formação nuvens.
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(a)
(b)
Figura 4: Corte vertical da velocidade vertical (Pa/s) desde a superfície (1000 hPa) até o
topo da atmosfera (100 hPa) ao longo da faixa de longitudes entre 73°W e 58oW, e entre as
latitudes de 30oN e 40oS; a) para o período JAS 2010; b) para os primeiros dias de outubro
de 2010.
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(a)
(b)
Figura 5: a) Potencial de velocidade (106m2s) e componente divergente do vento em 200
hPa para o trimestre JAS 2010. b) Anomalia de potencial de velocidade e componente
divergente do vento em 200 hPa para o trimestre JAS 2010.
A Figura 5a mostra o campo de potencial de velocidade e a componente divergente
do vento em 200 hPa para o trimestre JAS 2010. Observam-se regiões onde há divergência
ou convergência de ar nos altos níveis da troposfera. As regiões com valores negativos de
potencial de velocidade (destacadas em azul) são caracterizadas por um padrão de
divergência de ar nos altos níveis da troposfera em associação à ocorrência de atividade
convectiva (formação de nuvens) ao longo da coluna atmosférica, como, por exemplo,
pode-se notar sobre a região da Indonésia e norte da América do Sul onde foram
observadas anomalias positivas de precipitação. Regiões com valores positivos de potencial
de velocidade (destacadas em laranja e vermelho) são caracterizadas por um padrão de
convergência de ar nos altos níveis da troposfera em associação a movimentos verticais
descendentes (ou seja, subsidência de ar inibindo o processo de formação de nuvens) ao
longo da coluna atmosférica, como, por exemplo, pode-se notar sobre as regiões da alta
subtropical do Pacífico e do Atlântico Sul, assim como sobre o Brasil central onde foram
observadas anomalias negativas de precipitação. Este padrão de divergência de ar nos altos
níveis da troposfera ao norte da América do Sul e convergência na região do Brasil central
é consistente com a célula local de Hadley descrita anteriormente através da análise de
velocidade vertical (Figuras 3a e 4a). A Figura 5b mostra o campo de anomalia de
potencial de velocidade e componente divergente do vento em 200 hPa para o trimestre
JAS 2010. Destaca-se o padrão anômalo de divergência (valores negativos destacados em
azul) na região do Oceano Atlântico tropical norte onde predominam anomalias positivas
de temperatura da superfície do mar e precipitação (incluindo o norte da América do Sul) e
o padrão anômalo de convergência (valores positivos destacados em laranja e vermelho) na
região do Pacífico equatorial onde predominam anomalias negativas de temperatura da
superfície do mar e precipitação em associação ao atual fenômeno La Niña.
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A Figura 6 mostra o campo de divergência do fluxo de umidade (g/Kg/s) e vento em
850 hPa para o trimestre JAS 2010. Regiões em laranja e vermelho apresentam
características de divergência do fluxo de umidade nos baixos níveis da atmosfera,
desfavorecendo os processos de formação de nuvens, como pode ser notado na região
central-norte do Brasil incluindo o centro-sul do Estado do Pará e oeste do Estado do Mato
Grosso onde foram observadas anomalias negativas de precipitação (Figura 1a). Nota-se
através dos vetores vento que essa área de divergência do fluxo de umidade foi delineada
pela atuação da circulação de nordeste sobre o Estado do Pará, adquirindo componente de
norte ao atingir o oeste do Estado do Mato Grosso. Regiões em azul apresentam
características de convergência do fluxo de umidade nos baixos níveis da atmosfera,
favorecendo os processos de formação de nuvens. mbora o oeste do Estado do Amazonas
tenha apresentado condições favoráveis de convergência do fluxo de umidade para a
formação de nuvens, essa região foi desfavorecida pelas condições dinâmicas com ausência
de movimentos ascendentes de ar para a formação de nuvens.
Figura 6: Divergência do fluxo de umidade (g/Kg/s) e vento em 850 hPa para o trimestre
JAS 2010.
Efeito dos aerossóis na formação de nuvens
Além dos fatores dinâmicos de grande escala associados ao aquecimento do Oceano
Atlântico tropical norte, e a manifestação da circulação da célula local de Hadley sobre a
Região Norte do Brasil, estudos do Grupo de Modelagem da Atmosfera e Interfaces
(GMAI) do Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos (CPTEC) sugerem que o
aumento da concentração de aerossóis provenientes das queimadas na região do Brasil
central pode ter contribuído como um fator adicional para as condições de estiagem
observadas na Região Norte. Assim como ilustrado na Figura 7, observou-se durante o mês
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de setembro de 2010 uma maior espessura óptica dos aerossóis do que em setembro de
2009, indicando que o ano de 2010 foi marcado por uma excessiva quantidade de aerossóis
provenientes de queimadas. Com o expressivo aumento da quantidade de aerossóis, que
atuam como núcleos de condensação para a formação de gotículas de nuvens, diminui a
eficiência do processo de formação de precipitação, uma vez que mesmo com umidade
disponível no ar, devido à grande abundância de aerossóis, as gotículas formadas acabam
não atingindo tamanho suficiente para precipitar na forma de chuva. Como resultado, pode
ocorrer a formação de nuvens com gotas de tamanhos reduzidos, sem a ocorrência de
precipitação na forma de chuva.
Figura 7: Espessura óptica do aerossol de queimadas em Setembro de 2009 (esquerda) e
2010 (direita). Produto do sensor MODIS a bordo do satélite Terra (dados e figuras
produzidos com o sistema Giovanni desenvolvido e mantido pela NASA GES DISC).
Além deste efeito, os aerossóis de queimadas são eficientes na absorção e
espalhamento da radiação solar. Desta forma, as camadas mais altas de fumaça absorvem e
aquecem a atmosfera nestes níveis, reduzindo a quantidade disponível de radiação solar em
superfície. O resultado líquido deste processo é um aumento na estabilização
termodinâmica da atmosfera. Estando a atmosfera mais estável, o desenvolvimento vertical
das massas de ar úmidas próximas à superfície é inibido e, assim, há a redução da formação
de nuvens.
Análise da previsão climática sazonal para JAS 2010
A previsão climática sazonal é realizada baseada no fato de que a variabilidade
atmosférica na escala de tempo sazonal é modulada por condições de contorno que
apresentam variação lenta. O fenômeno El Niño-Oscilação Sul (ENOS) em suas fases
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quente (El Niño) e fria (La Niña), caracterizado pelo aquecimento ou resfriamento anômalo
do Pacífico equatorial - dependendo de sua fase, é atualmente o exemplo mais evidente
dessa modulação. A manutenção de anomalias de temperatura da superfície do mar por
períodos da ordem de 6 a 12 meses na região do Oceano Pacífico equatorial durante a
manifestação do fenômeno ENOS gera padrões globais de circulação atmosférica capazes
de produzir condições climáticas anômalas em regiões remotas, como, por exemplo, sobre a
América do Norte, América do Sul, África, Indonésia e Austrália. Essa modulação
climática produzida por condições de contorno de variação lenta não é perceptível em
condições de tempo do dia-a-dia. Porém, quando examinadas médias sazonais (por
exemplo, de 3 meses), esta característica torna-se evidente. A ciência dos estudos de
previsão climática sazonal usa informações referentes ao estado observado das condições
globais de contorno (por exemplo, temperatura da superfície do mar, cobertura de neve e
umidade do solo) para produzir previsões climáticas para os próximos 3 a 6 meses. Essa
ciência vem apresentando progressos consideráveis nas últimas décadas. Entretanto, a
região tropical permanece como a região onde as previsões climáticas sazonais apresentam
melhor desempenho devido principalmente à habilidade dos modelos de previsão climática
em reproduzir os padrões de circulação (teleconexões) associados ao fenômeno ENOS.
A Figura 8 mostra o mapa de destreza das previsões do modelo climático
atmosférico do CPTEC produzidas em junho, válida para o trimestre JAS para o período
1979-2001, para o evento precipitação no tercil inferior da distribuição climatológica
(precipitação na categoria abaixo do normal). Essas previsões e avaliações de destreza
foram produzidas como parte do processo de reconhecimento do CPTEC/INPE como um
Centro Mundial de Previsão de Longo-Prazo (GPC na sigla em inglês) da Organização
Meteorológica Mundial (OMM). Essas previsões, juntamente com as previsões climáticas
produzidas com o modelo acoplado oceano-atmosfera do CPTEC/INPE, com as previsões
climáticas produzidas pelo Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) utilizando
modelos estatísticos, assim como as previsões climáticas produzidas por centros Europeus e
Norte Americanos de previsão climática, são analisadas no processo de elaboração da
previsão climática sazonal por consenso para o Brasil, por meio de um esforço de
colaboração entre o CPTEC/INPE, o INMET e os núcleos regionais de meteorologia.
Regiões em laranja na Figura 8 indicam áreas onde historicamente o modelo climático do
CPTEC apresenta boa habilidade em detectar o evento precipitação na categoria abaixo do
normal. Nota-se que a região tropical apresenta melhor destreza comparada com as demais
regiões do globo. Em particular, a América do Sul destaca-se como uma das regiões que
apresenta melhor destreza, principalmente sobre o norte e sudeste da América do Sul, onde
tipicamente manifestam-se as teleconexões atmosféricas associadas ao fenômeno ENOS.
Por outro lado, a região do Brasil central, incluindo parte do Estado do Amazonas,
apresenta pobre destreza, indicando que para essa região, as previsões climáticas de
precipitação produzidas pelo modelo climático atmosférico do CPTEC possuem um maior
grau de incerteza. Ressalta-se que os modelos climáticos de outros centros também
apresentam características similares às descritas cima para o modelo do CPTEC.
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Figura 8: Mapa de destreza das previsões do modelo climático atmosférico do CPTEC
produzidas em junho, válida para o trimestre JAS para o período 1979-2001, para o evento
precipitação no tercil inferior da distribuição climatológica (precipitação na categoria
abaixo do normal).
Em reconhecimento ao maior grau de incerteza nas previsões produzidas para a
porção central e sul da Região Norte do Brasil, a previsão climática por consenso produzida
em junho de 2010, e válida para o trimestre JAS 2010 (Figura 1b) indicava 40% de
probabilidade de chuvas dentro da categoria normal, 30% de probabilidade de chuvas
dentro da categoria abaixo do normal e 30% de probabilidade de chuvas dentro da categoria
acima do normal. Ou seja, a previsão indicava probabilidade superior para a categoria
normal quando comparada às demais categorias. Entretanto, a probabilidade de chuvas nas
demais categorias (acima e abaixo do normal) somava um total de 60%, ou seja, 20% a
mais do que a probabilidade prevista para a categoria normal. A simetria das probabilidades
previstas para as categorias acima e abaixo do normal reflete o grau de incerteza associado
à previsão. A Figura 1a ilustra que, para essa região, foram registradas anomalias negativas
expressivas de precipitação, configurando um panorama de chuvas na categoria abaixo do
normal. Eventos anômalos extremos como este ilustram a magnitude do desafio científico
que estamos enfrentando para o aprimoramento das ferramentas de previsão climática
sazonal.
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Conclusões
Durante o período JAS 2010, grande parte da Região Norte do Brasil apresentou
condição de estiagem, destacando-se o noroeste do Estado do Amazonas, com anomalias
expressivas de precipitação, da ordem de 300 milímetros abaixo do normal. As análises
apresentadas nesta nota técnica sugerem que o aquecimento das águas do Oceano Atlântico
tropical norte contribuiu para o estabelecimento de uma célula local de Hadley, com
movimentos verticais ascendentes sobre o norte da América do Sul e movimentos verticais
descendentes sobre o Brasil central. Este padrão de circulação meridional destacou-se como
o principal mecanismo dinâmico envolvendo interação oceano-atmosfera em associação ao
padrão de precipitação observado sobre a porção tropical do continente Sul-Americano
(anomalias positivas de precipitação no norte da América do Sul e anomalias negativas no
Brasil central, incluindo grande parte da Região Norte do Brasil). Um fator adicional que
pode ter contribuído com a condição de estiagem observada na Região Norte do Brasil foi o
aumento da concentração de aerossóis provenientes das queimadas no Brasil central,
através do efeito de diminuição da eficiência do processo de formação de precipitação e de
estabilização termodinâmica da coluna atmosférica. A análise da previsão climática sazonal
de precipitação produzida no mês de junho de 2010 e válida para o trimestre JAS 2010,
enfatiza o desafio da comunicação das incertezas envolvidas na previsão para a região onde
a estiagem foi observada, assim como o desafio científico para a melhoria da qualidade das
previsões produzidas com as ferramentas de previsão climática sazonal atualmente
disponíveis.
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