AULA 1 1 - Definição de tempo e clima

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AULA 1
1 - 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.
Notas de aula - Profa. Rosane Rodrigues Chaves
Curso de Especialização em Pesca, Aqüicultura e Ambiente IF - Fluminense
1
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 2007. 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.
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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 2007.
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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 2007.
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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 2007.
1.2 - Fatores que regulam o clima
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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?
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Figura 4 – Média da temperatura do ar na superfície para janeiro e julho no período de 1997 a 2007.
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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 1930. 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
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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).
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Figura 5 - Classificação de tipo de clima. Fonte: wikipedia.
1.4 - Composição da atmosfera
10
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
DIÓXIDO DE CARBONO (CO2)
383 PPMV (0.0383%)
OZÔNIO
0,00006 %
HÉLIO (HE)
5.24 PPMV
METANO (CH4)
1.745 PPMV
HIDROGENIO (H2)
0.55 PPMV
Vapor d’ agua
Entre 1 e 4%
(0.9340%)
11
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
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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.
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Figura 7 - Média da umidade específica em 1000hPa para janeiro e julho no período de 1997
a 2007.
Figura 8 – Média da umidade específica em 700hPa para janeiro e julho no período de 1997
a 2007.
Embora a concentração do CO2 na atmosfera seja de apenas 0,03%, este é o segundo
elemento da atmosfera mais importante para o clima. O CO2 é um eficiente absorvedor da
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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 CO2 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 CO2 na atmosfera estimadas para os
diversos cenários de mudanças climáticas são acima dos valores observados no período de
2000 a 2005.
Figura 9 – Taxa de crescimento da quantidade de CO2. Fonte: Wikipedia.
15
Figura 9A – Série temporal da concentração de CO2 entre 1958 a 2009.
Fonte: http://co2now.org/.
1.5 - Circulação geral da atmosfera
16
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
Figura 11. - Variação sazonal da energia solar na Terra em função do seu eixo de
inclinação em relação plano de rotação em relação ao Sol.
18
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.
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Fig. 12 - Circulação de Hadley e Ferrel.
20
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. 13 - Circulação
de Walker sobre o
Pacífico.
Fig. 14 - Circulação de
Walker
sobre
a
atmosfera tropical.
21
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
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.
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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
Figura 16 - Configuração esquemática da brisa terrestre.
25
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 2007.
26
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
Figura 19 - Imagem do satélite GOES em 01/05/2007 as 18GMT.
28
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.
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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
1.9 - Característica da precipitação sobre a América do Sul
A Figura 22 apresenta a climatologia (1980-2007) 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
Figura 22 - Distribuição sazonal da precipitação sobre a América do Sul.
32
Figura 23 - Média climatológica da precipitação na região do norte Fluminense.
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AULA 1 1 - Definição de tempo e clima

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