AULA 1. - O tempo de determinada localidade, que esta sempre mudando, é compreendido dos elementos:

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1 AULA Definição de tempo e clima - Quando falamos de tempo meteorológico estamos falando sobre as condições da atmosfera em um determinado local e um tempo específico. - O tempo de determinada localidade, que esta sempre mudando, é compreendido dos elementos: Temperatura do ar, pressão atmosférica, umidade, nebulosidade, precipitação, visibilidade e intensidade e direção do vento. - Medindo e/ou observando esses elementos do tempo em determinado intervalo de tempo, vários anos, obtém-se a média do tempo meteorológico ou o clima de uma região especifica. - Consequentemente o clima de uma determinada região representa a soma dos eventos diários de tempo dessa região em grande período. - Assim, enquanto o clima é determinado pelo estado médio da atmosfera, o tempo meteorológico está associado à variabilidade diária. - Ainda, conceito de clima inclui o conceito de eventos extremos de tempo, como por exemplo, as ondas de calor no Hemisfério Norte. A freqüência de eventos extremos nos ajuda a distingui entre climas que tem a médias similares e a variabilidade de determinado clima. Resumindo, o clima de determinada região é caracterizado pelo estado médio da atmosfera ou pela média das condições de tempo meteorológico (temperatura, pressão e ventos, umidade e precipitação) em determinados números de anos, bem como, com desvio padrão associado a essa média. 1

2 Elementos do clima: temperatura, pressão, intensidade e direção do vento, umidade, precipitação, nebulosidade e visibilidade. Nas Figuras 1, 2 e 3 encontramos campos de umidade relativa, precipitação e temperatura dos dias 10 de janeiro de 2006 e 2007 e a média destas variáveis para o período de 1997 a Nessas figuras podemos observar a configuração destas variáveis para um determinado dia, representando o tempo deste dia, e a média destas variáveis para um longo período. Pode-se perceber que a configuração destas variáveis para um determinado dia é bem mais perturbada que a média para um longo período. Isto acontece devido à filtragem das flutuações ou perturbações que se verifica no dia a dia, ou do tempo de determinada região. 2

3 Figura 1 - Campos de umidade relativa dos dias 10 de janeiro de 2006 e 2007 e a média desta variável para o período de 1997 a

4 Figura 2 - Campos de precipitação dos dias 10 de janeiro de 2006 e 2007 e a média desta variável para o período de 1997 a

5 Figura 3 - Campos de temperatura dos dias 10 de janeiro de 2006 e 2007 e a média desta variável para o período de 1997 a Fatores que regulam o clima 5

6 1) A intensidade da radiação solar incidente na superfície. 2) Latitude 3) A distribuição de continente e oceano 4) As correntes oceânicas 5) O relevo/altitude Questões Onde é observado maior aquecimento, sobre as áreas continentais ou sobre os oceanos adjacentes? Onde é observado maior variabilidade da temperatura entre o inverno e o verão, nos oceanos ou sobre os continentes? Quais são as principais diferenças climáticas no campo de temperatura entre o HS e HN? As diferenças climáticas tendem a ser maiores entre os HS e HN em janeiro ou julho e por que? A que fatores estão associados aos lugares mais quentes e frios do planeta? 6

7 Figura 4 Média da temperatura do ar na superfície para janeiro e julho no período de 1997 a

8 1.3 Tipos de Clima - Classificação de Köppen Os fatores climáticos interagem e produzem diferentes climas sobre o planeta. A similaridade entre o clima de determinadas regiões permite a divisão da Terra em regiões climáticas. A classificação de Köppen foi estabelecida em 1900, com modificações em 1918 e Esta classificação é baseada nas médias mensais e anuais de temperatura e precipitação e também na sazonalidade da precipitação. Köppen considera cinco tipos climáticos principais, designados por uma letra maiúscula: A - Clima tropical chuvoso Todos os meses têm temperatura média acima de 18ºC, assim essas regiões não apresentam estações sazonais bem definidas. B - Clima seco Baixa precipitação em maior parte do ano, com precipitação média anual abaixo de 500 mm. C - Clima temperado quente Com verões quentes e invernos amenos; A temperatura média do mês mais frio é menor que 18ºC e acima de -3ºC. D - Clima temperado frio A temperatura média dos meses mais quente excede 10ºC e a dos meses mais frios está abaixo de 3ºC, ocorre no interior dos continentes. E - Climas polares Invernos e verões extremamente frios; a temperatura média do mês mais quente é inferior a 10ºC. - Os subtipos de clima segundo Koppen 8

9 2ª letra minúscula para os climas A, C e D, representa as características do regime de chuva: f: sempre úmido (mês menos chuvoso com precipitação superior a 60mm). m: chuvas de monção e predominantemente úmido. s: chuvas de inverno (mês menos chuvoso com precipitação inferior a 60mm). w: chuvas de verão (mês menos chuvoso com precipitação inferior a 60mm). 2ª letra - maiúscula apenas para o clima B: S: clima semi-árido (chuvas anuais entre 250 e 500mm). W: clima árido ou desértico (chuvas anuais menores que 250mm). 2ª letra - maiúscula, apenas para o clima E: T: clima de tundra (pelo menos um mês com temperaturas médias entre 0ºC e 10ºC). F: clima de calota de gelo (todos os meses do ano com médias de temperatura inferiores a 0ºC). 3ª letra - minúscula, representa a temperatura característica de uma região apenas para os climas C e D: a: verões quentes (mês mais quente com média igual ou superior a 22ºC). b: verões brandos (mês mais quente com média inferior a 22ºC e no máximo três meses com médias acima de 10ºC). c: frio o ano todo (a temperatura média do mês mais quente é inferior a 22ºC e no máximo três meses com médias acima de 10ºC, com o mês mais frios com temperatura média superior a 38ºC). 3ª letra - minúscula, apenas para o clima B: h: quente (temperatura anual média igual ou superior a 18ºC). k: frio (temperatura anual média inferior a 18ºC). 9

10 Figura 5 - Classificação de tipo de clima. Fonte: wikipedia Composição da atmosfera 10

11 A atmosfera é uma camada relativamente fina de gases e material particulado (aerossóis) que envolve a Terra. Para efeito de comparação, o raio da Terra é de aproximadamente 6500km e a espessura da atmosfera é de aproximadamente 100km, ou seja, a espessura da atmosfera corresponde apenas a 1,5% do raio da terra. Ainda, praticamente toda a massa da atmosfera está contida nos primeiros 32 km. Composição da atmosfera por volume e porcentagem GÁS VOLUME NITROGÊNIO (N2) 780,840 PPMV (78.084%) OXIGÊNIO (O2) 209,460 PPMV (20.946%) ARGÔNIO (AR) 9,340 PPMV (0.9340%) DIÓXIDO DE CARBONO (CO2) 383 PPMV (0.0383%) OZÔNIO 0,00006 % HÉLIO (HE) METANO (CH4) HIDROGENIO (H2) 5.24 PPMV PPMV 0.55 PPMV Vapor d agua Entre 1 e 4% 11

12 Figura 6 - Composição da atmosfera. Apesar do nitrogênio e o oxigênio ocupar aproximadamente 99% do volume da atmosfera, estes gases têm pouca influência sobre o clima. Embora o dióxido 12

13 de carbono, o vapor d'água e o ozônio apresentem baixa concentração na atmosfera, estes são importantes para os fenômenos meteorológicos, devido às suas interações com a radiação solar e terrestre. O vapor d'água é um dos mais variáveis gases na atmosfera e apresenta baixa concentração na atmosfera (Figura 7). Sua concentração é aproximadamente 4% do volume atmosfera. Sobre os desertos e regiões polares esta concentração pode ser menor que 1% e nas regiões tropicais em tono de 15%. A importância do vapor d'água no clima esta associada à sua grande capacidade de absorção da radiação terrestre ou radiação de onda longa. Assim, o vapor d'água contribui para a retenção de calor na baixa atmosfera. A água é a única substância que pode existir nos três estados (sólido, líquido e gasoso) nas temperaturas e pressões existentes normalmente sobre a Terra e a passagem de um estado para outro, está associado à liberação e absorção de calor latente. Calor absorvido em uma região pode ser transportado para outros locais e aí então liberado, aquecendo a atmosfera local e contribuindo para a formação de nuvens e/ou modificações na circulação atmosférica. A Figura 7 mostra a distribuição espacial da climatologia umidade específica nos meses de janeiro e fevereiro entre os anos de 1997 e 2007 no nível de pressão de 1000hPa. Nesta Figura podemos perceber que maior parte do vapor d água encontra-se nas regiões oceânicas tropicais do planeta, onde existe maior disponibilidade de água e as temperatura são mais altas. Sobre os continentes nota-se que haverá maior disponibilidade de água nos meses de verão, quando a temperatura ai encontra-se mais alta. 13

14 Figura 7 - Média da umidade específica em 1000hPa para janeiro e julho no período de 1997 a Figura 8 Média da umidade específica em 700hPa para janeiro e julho no período de 1997 a Embora a concentração do CO 2 na atmosfera seja de apenas 0,03%, este é o segundo elemento da atmosfera mais importante para o clima. O CO 2 é um eficiente absorvedor da 14

15 energia emitida pela Terra (onda longa), assim este elemento tem grande influência sobre o fluxo de energia através da atmosfera. A queima de combustíveis fósseis, tais como o carvão, petróleo e gás natural, tem aumentado a concentração deste gás na atmosfera. O dióxido de carbono é absorvido pelas águas dos oceanos ou usado pelas plantas para a fotossíntese, mas mesmo assim, uma grande quantidade permanece na atmosfera. Assim, este é o principal gás responsável pelas mudanças climáticas observadas no planeta. A Figura 9 mostra a série temporal da taxa de crescimento da concentração de CO 2 na atmosfera. Observa-se que entre 1850 e 1955 essa taxa era menor que 1 ppm/ano. Já entre 1965 e 2005 observou-se aumento dessa taxa com valores entre 1 ppm/ano a 2 ppm/ano no final deste período. As taxas de crescimento de CO 2 na atmosfera estimadas para os diversos cenários de mudanças climáticas são acima dos valores observados no período de 2000 a Figura 9 Taxa de crescimento da quantidade de CO2. Fonte: Wikipedia. 15

16 Figura 9 A Série temporal da concentração de CO2 entre 1958 a Fonte: Circulação geral da atmosfera 16

17 A primeira causa para os movimentos do ar (vento) é a energia solar, num processo de conversão de energia térmica em energia cinética. As diferenças de absorção da energia solar nas várias regiões da Terra determinam o movimento do ar. Essas diferenças são provocadas principalmente pelas diferenças de latitude (Figura 10 e 11) e como também por diferentes capacidades térmicas da superfície. Figura 10 - Variação da energia solar na Terra em função do seu eixo de inclinação em relação plano de rotação em relação ao Sol. 17

18 Figura Variação sazonal da energia solar na Terra em função do seu eixo de inclinação em relação plano de rotação em relação ao Sol. 18

19 Circulação de Hadley e Ferrel O aquecimento da atmosfera pela energia solar é feito principalmente de maneira indireta, ou seja, a superfície da Terra absorve a energia solar, se aquece e transfere calor para atmosfera. Este calor é transportado para as regiões mais altas da atmosfera através das circulações de grande escala. Entre o equador e aproximadamente 30 de latitude a circulação se dirige para o equador na superfície e para os pólos em altos níveis, formando a chamada célula de Hadley. A convecção na região equatorial libera calor latente em altos níveis gerando uma região de baixa pressão, assim forma-se um gradiente de pressão meridional. Essa diferença de pressão entre o Equador e os trópicos causa o movimento desta célula de Hadley em direção ao pólo. A circulação de Ferrel está situada aproximadamente entre 30 e 60 de latitude e é oposta à da célula de Hadley. Em baixos níveis esta circulação se dirige ao pólo. Em altos níveis a circulação é para o equador. A terceira célula é a circulação polar. Com escoamento em direção pólo em altos níveis e em direção ao equador em superfície. 19

20 Fig Circulação de Hadley e Ferrel. 20

21 Circulação de Walker Nos altos níveis da região tropical observa-se uma circulação zonal, denominada de Circulação de Walker por Bjerknes em 1969, em homenagem a Sir Gilbert Walker, um cientista inglês que estudou diversos aspectos da circulação atmosférica e oceânica da atmosfera, principalmente às relacionadas as do Oceano Pacífico Tropical nos anos 20 do século XX. A Circulação de Walker (Fig.13 e 14) é causada pela forca de gradiente de pressão que resulta do sistema de alta pressão sobre o leste do Pacifico e do sistema de baixa pressão sobre a Indonésia, como também esta associada aos padrões de convecção sobre a região tropical. Esta apresenta ramo ascendente sobre a Indonésia e América do Sul e ramo descendente sobre o Pacifico leste. Fig Circulação de Walker sobre o Pacífico. Fig Circulação de Walker sobre a atmosfera tropical. 21

22 Brisa marítima A brisa marítima é conseqüência do aquecimento desigual da superfície. Assim, o vento observado nas áreas litorâneas ocorre em resposta à diferença de temperatura entre a superfície d água e a superfície terrestre. As brisas marítimas ocorrem mais freqüentemente, ou com maior intensidade, em dias quentes do verão e primavera, quando a temperatura da superfície continental é normalmente maior que a temperatura do oceano (Figura 15). No início da manhã as duas superfícies apresentam pequena diferença de temperatura. Assim, a pressão sobre as duas superfícies é aproximadamente a mesma. Algumas horas depois, a superfície continental estará mais aquecida que a superfície marítima. Isto ocorre devido às características térmicas da água. Esta substância, em grande volume, é capaz de absorver grande quantidade de energia. A temperatura da água permanece relativamente constante através do dia, assim, o ar sobre a água não é tão aquecido como sobre a superfície continental. Uma vez que o ar quente é menos denso que o ar frio, o ar sobre o continente se expande em resposta ao aquecimento. Esta expansão do ar leva a um incremento da distância entre as superfícies de pressão constante, ou isóbaras. Sobre a superfície marinha, onde o ar é aquecido vagarosamente, tal expansão não ocorre, ou ocorre com uma intensidade menor, Assim, a distância entre as isóbaras, permanece pouco alterada. Em resposta ao aquecimento, uma área de alta pressão se desenvolve sobre o continente, enquanto que uma área de baixa pressão se desenvolve sobre o oceano em altos níveis. A forca de gradiente de pressão resultante irá ocasionar o surgimento de um fluxo da região de alta para baixa pressão, ou do continente em direção ao oceano. 22

23 Uma vez que a pressão em qualquer área é determinada pelo peso da coluna acima desta, a acumulação de ar em mais altos níveis causa um decréscimo da pressão em baixos níveis e vice-versa. Através da continuidade de massa, movimentos verticais são induzidos, com movimentos ascendentes sobre o continente e descendente sobre o oceano. Desta forma, estabelece-se também um gradiente de pressão também em baixos níveis, que gera escoamento do oceano para o continente em baixos níveis. Figura 15 - Configuração esquemática da brisa marinha. 23

24 Brisa terrestre Em noites claras a diferença de temperatura entre o mar e o continente produz escoamento do continente para o oceano. Este escoamento é chamado de brisa terrestre (Figura 16). As brisas terrestres ocorrem em qualquer época do ano. No entanto são mais comuns durante o outono e o inverno, quando a água do mar é mais aquecida que a superfície continental. No período da noite a superfície continental se resfria rapidamente, resultando em um resfriamento do ar acima dessa superfície. Uma vez que o ar sobre o continente se resfria mais rapidamente que o ar sobre a água, a diferença de temperatura é estabelecida, com o ar mais frio sobre o continente e mais aquecido sobre o oceano. Em resposta ao resfriamento do continente, uma área de baixa pressão se desenvolve em altos níveis, enquanto que sobre o oceano se desenvolve uma região de alta pressão. Esta configuração resulta em uma força de gradiente de pressão, com escoamento do oceano para o continente em altos níveis. Através da continuidade massa, sobre a superfície continental é gerado um centro de alta pressão e sobre o oceano é gerado um centro de baixa. Desta forma, estabelece-se também um gradiente de pressão, que gera escoamento do continente para o oceano em baixos níveis. 24

25 Figura 16 - Configuração esquemática da brisa terrestre. 25

26 1.6 - Circulação atmosférica em baixos níveis sobre a América do Sul O escoamento observado a leste dos Andes em baixos níveis é chamado de jato de baixos níveis (JBN; Figura 17). O JBN tem um importante papel no transporte de umidade da região tropical para as regiões subtropicais da América do Sul. Assim, esse sistema tem forte influência sobre os padrões de precipitação sobre a América do Sul. Com a intensificação deste jato observa-se chuva mais intensa na região subtropical e diminuição da precipitação sobre as regiões mais ao norte. Figura 17 - Média da velocidade e direção do vento em 850hPa para DJF de 1990 a

27 1.8 - Sistemas convectivos sobre a América do Sul Zona de Convergência do Atlântico Sul A Zona de Convergência do Atlântico Sul (ZCAS) é caracterizada por uma faixa de nebulosidade convectiva que se estende da região Amazônica até o Atlântico subtropical (Figura 18), nos meses de primavera e verão. Esta nebulosidade é resultado da interação da convecção tropical com sistemas extratropicais, como as zonas frontais (Figura 19). A ZCAS tem papel importante na precipitação da América do Sul durante os meses de primavera e verão e está associada diretamente com a precipitação sobre a região Amazônica, Sudeste e Nordeste do Brasil. Figura 18 - Imagem do satélite GOES em 01/01/2007 as 18GMT. 27

28 Figura 19 - Imagem do satélite GOES em 01/05/2007 as 18GMT. 28

29 Zona de Convergência Intertropical A nebulosidade observada na região equatorial em torno do globo é a característica mais evidente da Zona de Convergência Intertropical (ZCIT; Fig. 20). A ZCIT também esta associada à zona de confluência dos ventos alísios e máxima convergência de umidade, zona de máxima temperatura da superfície do mar. A ZCIT possui um deslocamento nortesul ao longo do ano. Alcançando sua posição mais ao norte durante o verão do Hemisfério Norte e a sua posição mais ao sul durante o mês de abril. A precipitação nas regiões norte e nordeste do Brasil está associada ao deslocamento meridional da ZCIT. A ZCIT também está envolvida na manutenção do balanço térmico global. Este sistema localizado no ramo ascendente da célula de Hadley, transfere calor e umidade da região tropical para as latitudes subtropicais. Figura 20 - Imagem do satélite GOES em 17/04/2007 as 21GMT. 29

30 Frentes frias Uma frente fria consiste no avanço do ar frio sobre o ar quente (Fig. 21). O ar frio, por ser mais denso, passa por baixo do ar quente, fazendo este subir, dando origem a nuvens de grande desenvolvimento vertical, os Cumulus Nimbus (Cb). Essa faixa de nebulosidade pode se estende por centenas a milhares de quilômetros de largura e milhares de quilômetros de comprimento. Observa-se a ocorrência de chuvas intensas com a passagem destas frentes e acentuado gradiente de temperatura após a passagem de uma frente fria, é comum observar queda de temperatura da ordem de 5 a 10 C. Os sistemas frontais atuam durante todo o ano sobre a América do Sul, com maior freqüências sobre as latitudes mais altas. Observa-se maior passagem destes sistemas nos mês de inverno, com grande influência sobre a temperatura do ar nas regiões subtropicais da América do Sul. No entanto, no verão esses sistemas têm grande influência na convecção sobre a América do Sul e através da interação entre a atmosfera tropical e estes sistemas observa-se a formação da ZCAS. Figura 21 - Representação esquemática de uma frente fria. Fonte: Wikipedia. 30

31 1.9 - Característica da precipitação sobre a América do Sul A Figura 22 apresenta a climatologia ( ) da precipitação sobre a América do Sul e oceanos adjacentes para o período de dezembro a fevereiro (DJF), marco a maio (MAM), junho a agosto (JJA) e de setembro a novembro (SON). Para a maior parte da América do Sul a estação chuvosa acontece entre os meses de DJF e o período mais seco acontece em JJA. Assim como também para a região do norte Fluminense (Figura 23). Nessa Figura encontra-se a precipitação média mensal da região do Norte Fluminense. Observa-se que nos meses de verão a precipitação mensal nessa região é acima de 100 mm. Nos meses de DJF observa-se duas bandas de precipitação bem definidas, uma estendendo-se da região tropical em direção a região sudeste da América do Sul associada à Zona de Convergência do Atlântico Sul (ZCAS) e outra se estendendo do Atlântico equatorial em direção a Amazônia associada à ZCIT. Em MAM observa-se uma faixa de precipitação intensa associada à ZCIT mais ao sul e uma região com precipitação menos intensa associada a passagens dos sistemas frontais. Nesse período ocorre o principal período chuvoso sobre o norte do Nordeste, associado ao deslocamento da ZCIT para sul. Em JJA a precipitação associada à ZCIT enfraquece e observa-se uma diminuição acentuada da precipitação sobre quase toda a América do Sul, exceto sobre o norte da Amazônia, leste do Nordeste e sul do Brasil. Em SON tem-se o início da pré-estação chuvosa sobre maior parte do Brasil, observando-se a ocorrência da alguns eventos de ZCAS. 31

32 Figura 22 - Distribuição sazonal da precipitação sobre a América do Sul. 32

33 Figura 23 - Média climatológica da precipitação na região do norte Fluminense. 33