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segunda-feira, 18 de maio de 2015

Ciclones Extratropicais

CICLONES EXTRATROPICAIS

Organizado por: Fernanda Marcello de Oliveira
Revisado por: Raidiel Puig Beltrán



Definição: Ciclones Extratropicais ou "Ciclones de Médias-Latitudes" são ciclones  [sistemas meteorológicos com circulação em torno de um centro de baixa pressão] que se formam ao longo da fronteira de massas de ar polar fria e subtropical quente (fora dos trópicos - entre as Células de Ferrel e as Células Polares) - sendo que sua fonte de energia primária consiste no forte gradiente horizontal de temperatura.

ou

-->ciclones cuja fonte de energia primária é baroclínica – ou seja, resulta do forte gradiente de temperatura entre massas de ar quente e fria (Glossary of National Hurricane Center - NOAA).

  • Possuem núcleo frio e assimétrico
  • Estão associados a feições frontais (Fig. 1)
  • Possuem ciclo de vida particular (ciclogênese e ciclólise)

Figura 1: Esquema simples de um ciclone extratropical para o Hemisfério Sul. (Fonte: www.dca.iag.usp.br/www/material/.../Aula06_massas-frentes-ciclones.ppt)



Características e Identificação:


Teorias de formação e desenvolvimento: 


  Modelo pioneiro:


-->Teoria da Frente Polar [“the Norwegian Cyclone Model“ (NCM)] [BJERKNES (1919) e BJERKNES e SOLBERG (1922)]
       [desenvolvimento dos CET resultante da instabilidade da zona frontal que separa ar polar de ar tropical --> formação de onda --> formação de centro de Baixa Pressão --> fase de oclusão (estágio maduro)] – *não descreve a estrutura vertical (falta de dados da camada superior na época)



  Aperfeiçoamentos:


-->Teoria de Sutcliffe (SUTCLIFFE, 1947; SUTCLIFFE e FORSDYKE, 1950; PETTERSSEN, 1956)
       (introdução dos conceitos de advecção de vorticidade e de espessura/temperatura)

-->Teoria da Instabilidade Baroclínica (forte gradiente de temperatura através da Frente Polar consiste em reservatório de Energia Potencial pronta para ser convertida em Energia Cinética)




Processos envolvidos na Ciclogênese e Ciclólise:


-->Fortes gradientes horizontais de temperatura (hT) na Frente Polar (FP) causam uma Força do Gradiente de Pressão (FGPh) para norte (no Hemisfério Norte) gerando o Jato de Médias Latitudes - pela relação do Vento Térmico para leste (uma vez que os ventos acima da FP estão em balanço geostrófico), como mostra a Fig. 2.

Figura 2: FGP gerada pelo gradiente latitudinal de temperatura na FP. (Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=FtsPCPtbkQ8)

  • Jato de Médias Latitudes --> perturbação ondulatória (Fig. 3):


Figura 3: Localização média dos Jatos de Médias Latitudes(identificado em azul) e Subtropical (identificado em vermelho) (Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=FtsPCPtbkQ8).

-->Advecção de vorticidade ciclônica (advecção de vorticidade positiva - PVA, no Hemisfério Norte; advecção de vorticidade negativa - NVA no Hemisfério Sul) na região de transição entre cavados e cristas (Fig. 4).
-->E consequente divergência de altos níveis como mecanismo de diminuição da rotação para manter o trajeto meandrante do jato (Fig. 5)

Figuras 4 e 5: Esquemas mostrando a advecção de voriticidade positiva e negativa nas regiões de transição entre cavados e cristas (esquerda) e consequente divergência em altos níveis (direita). (Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=FtsPCPtbkQ8).


  • Divergência de altos níveis --> gera baixa pressão na superfície = CICLOGÊNESE ==> formação de centro de BP abaixo do jato (= ciclone extratropical) - Fig. 6

Figura 6: Esquema mostrando o centro de Baixa Pressão (BP) que é formado abaixo do Jato de Médias Latitudes. Este centro de BP representa o ciclone extratropical. (Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=FtsPCPtbkQ8).


Estágios de desenvolvimento (Fig. 7):

1) Inicial - em forma de frente estacionária (a)

2) Desenvolvimento (-->"onda frontal" (b) --> "onda aberta" (c) )

3) Maturação (d)

4) Oclusão (decaimento) - início da CICLÓLISE (e) e dissipação (f)


Figura 7: Estágios de desenvolvimento de um ciclone extratropical. (Fonte: http://www.atmo.arizona.edu/students/courselinks/spring08/atmo336s1/courses/fall10/nats101s13/Lectures/Lecture23_webpost.pdf)

        **[Conforme frente fria se move mais rápido que a frente quente, a região frontal se desenvolve em forma de onda, intensificando o centro de BP até a frente fria alcançar a frente quente e formar uma frente oclusa. Como não há gradiente de temperatura através da frente oclusa (ar frio de ambos os lados), não há mais suporte para o centro de BP --> ocorre dissipação (CICLÓLISE)]. 

**O sistema se move para leste ou noroeste (sudeste)  no Hemisfério Norte (Hemisfério Sul) - conduzido pelos ventos em altos níveis.




Estado do tempo associado às diferentes etapas:

a) frente estacionária - ar frio à norte e ar quente à sul (no HN) da frente fluem paralelamente em direções opostas

b) onda frontal - ocorre a formação de uma banda de nuvens e precipitação (área verde sombreada)

c) onda aberta - ocorre precipitação em uma banda larga na parte frontal da frente quente, e ao longo de uma banda estreita da frente fria; setor quente é caracterizado por nebulosidade e possíveis rajadas de chuva

d) maturação - ventos sopram mais vigorosamente

e) oclusão - tempestade atinge pico de intensidade;  nuvens e precipitação cobrem larga área.
*(área de clima mais severo geralmente se encontra à noroeste do centro da tempestade)

f) centro de tempestade intensa gradualmente se dissipa e desaparece


-->Sequência de eventos dura em geral de dias a 1 semana


ESTRUTURA VERTICAL

-->Atrito na superfície faz com que ventos soprem em direção à BP (p/ dentro) - de modo que a convergência desses ventos causa dissipação da BP (Fig. 8):
Figura 8: Demonstração de como o sistema se dissiparia rapidamente caso os centros de BP em altitude estivessem sempre posicionados exatamente acima dos centros de BP em superfície. (Fonte: Meteorology Today - An introduction to weather, climate and the environment, 10th ed. - C. D. Ahrens).


-->Portanto para que os ciclones se formem e se intensifiquem (Fig. 9): 
  • a divergência em altos  níveis deve ser maior que a convergência em superfície
  • e os sistemas de BP em superfície não devem estar alinhados com os sistemas de BP em altitude
(Meteorology Today - An introduction to weather, climate and the environment, 10th ed - C. D. Ahrens)
Figura 9: Modelo idealizado da estrutura vertical de ciclones (L) e anticiclones (H) extratropicais no Hemisfério Norte. (Fonte: Meteorology Today - An introduction to weather, climate and the environment, 10th ed. - C. D. Ahrens).




Áreas que favorecem a formação de CET's:

Pettersen e Smebye (1971) --> divisão dos CET's em 2 grupos, que se diferenciam apenas pelo mecanismo de desenvolvimento inicial:

A) desenvolvimento de onda em superfície frontal

B) gerados na parte abrigada das montanhas (região a sotavento das montanhas) - Fig. 10



Figura 10: Vento de oeste soprando sobre o topo de uma montanha; o fluxo de ar é defletido de modo que um cavado se forma na região a sotavento da montanha. [Esquema para o Hemisfério Norte](Fonte: Meteorology Today - An introduction to weather, climate and the environment, 10th ed. - C. D. Ahrens).

(Exemplo: Cordilheira dos Andes - com cavado direcionado para norte, no caso do Hemisfério Sul)




Identificação:

Para a identificação desses sistemas, além das imagens de satélite, pode-se contar com o suporte de dados do campo de pressão, advecção de temperatura, advecção de vorticidade, geopotencial e ventos (provenientes de dados observados ou reanálises, por exemplo); de modo a complementar o quadro sinótico associado à atuação dos CET's.


Métodos variados já utilizados para a identificação dos CET's:

  • Teoria --> Sutcliffe (1947) --> estabeleceu equações dinâmicas que descrevem o desenvolvimento de ciclones para sistema quasi-geostrófico, relacionando a divergência com a componente vertical da vorticidade absoluta --> possibilitando a obtenção de uma relação entre a variação de pressão de superfície e o campo de vorticidade em diversos níveis verticais.
-->Combinação de fatores:

- variação temporal da vorticidade absoluta no nível de 1000 mb (termo da tendência de Q0) com advecção de vorticidade em 500 mb (nível não divergente - NND)

- advecção de temperatura na camada entre 1000 mb e 500 mb (advecção de espessura);

- variação de temperatura por movimento vertical (compressão ou expansão adiabática - "termo da estabilidade");

- mudança de temperatura por aquecimento da coluna atmosférica (taxa de aquecimento médio na camada 1000-500 hPa - termo diabático)

De modo que --> valores negativos (no HS) desses termos indicam tendência a favorecer a ciclogênese

-->(vorticidade é mais adequada para a análise devido aos erros  nas medidas de vento para a estimativas de divergência)

-->(teoria aplicada ao nível de não divergência (NND) - afim de usar a equação do vento térmico, de modo que: vorticidade geostrófica = vorticidade real; vento térmico = cisalhamento vertical do vento real)



  • Métodos automáticos de detecção dos ciclones --> Murray e Simmonds (1991), Sinclair (1994), Blender et al. (1997) e Trigo et al. (1999) --> utilização de algoritmos que procuram o mínimo e/ou o máximo da Pressão ao Nível Médio do Mar (PNMM) ou a altura geopotencial à superfície.
  • Previsão de modelos numéricos




Identificação por Imagens de Satélite
Estágios de desenvolvimento (Fig. 11):

Figura 11 - Estágios de desenvolvimento de um vórtice visto através de imagens de satélite (Fonte: MASTER - Sinótica - aula 10 [http://master.iag.usp.br/pr/ensino/sinotica/aula10/])


W: estágio de onda, apresentando saliência na banda de nuvens;

A e B: estágio de formação do ciclone, apresentando forma de vírgula e gancho respectivamente;

C: estágio maduro, com a nuvem espiralada em torno de um centro definido;

Dx e Dy: estágios de dissipação, com nuvens concentradas no centro do vórtice que evoluem para bandas circulares menos organizadas.



Exemplos:


Figura 12: Imagem de satélite do Pacífico Norte com dois ciclones extratropicais em diferentes estágios de desenvolvimento durante fevereiro do ano de 2000). (Fonte: Meteorology Today - An introduction to weather, climate and the environment, 10th ed. - C. D. Ahrens).

-->O CE na fig. 12 à esquerda se encontra na fase de oclusão (em forma de vírgula no Hemisfério Norte); enquanto  o da direita está na transição do estágio de “onda frontal” para “onda aberta”.






Figuras 13 e 14: Imagens de satélite (canal infra-vermelho) de ciclones no dia 06/05/2008 (Entendendo o Tempo e Clima da América do Sul - Reboita et al., 2012) e no dia 28/11/1997 (INPE-DSA).

Estágios: maduro (C, Fig. 13) e de formação (A-B, Fig. 14), respectivamente.







ESTUDO DO AMBIENTE SINÓTICO ASSOCIADO A UM CICLONE EXTRATROPICAL QUE AFETOU O RIO GRANDE DO SUL
(Vanderlei R. de Vargas Jr., Mateus Dias  Nunes, Luciana Barros Pinto)


Ciclo de atuação do CET (Fig. 15) -> início às 12:00 UTC do dia 02/05/08, maturação às 12:00 UTC do dia 03/05/08 e dissipação às 12:00 UTC do dia 07/05/08. Sendo este, conforme registro da Defesa Civil do RS (2012), o que causou os maiores danos dentre os CET observados sobre o RS no período de 2003 a 2009.]

[   

Figura 15: Mapas correspondentes aos estágios de iniciação (a), maturação (b) e dissipação (c):

1) Imagens do satélite GOES-10 do  canal 4 (infravermelho termal);

+ Dados de reanálise (NCEP/NCAR), para os campos:

2) Pressão (hPa) e vento (m/s) no nível de 1000hPa;

3) Advecção de vorticidade relativa (m/s².10^8) e vento (m/s) no nível de 500 hPa;

4) Advecção de temperatura (K.m/s.10^4)  e vento (m/s) no nível de 500 hPa;

5) Geopotencial (m²/s².10^-3) e vento (m/s) no nível de 200 hPa.

(Considerou-se como início do sistema o dia em que foram registrados os primeiros índices de precipitação acumulada sobre o Estado do RS associados ao CE. A maturação foi considerada como sendo o dia em que foram registrados os maiores índices de precipitação acumulada, analogamente, considerou-se como sendo a dissipação do sistema o dia em que não houve mais registro de precipitação associada ao CE. Para fins de padronização, os campos foram gerados para as 12:00 UTC dos respectivos dias analisados.)



Características observadas:

1) Imagem de satélite --> aproximação e afastamento do CET devido à presença da banda de  nebulosidade em rotação no sentido horário, caracterizando um centro de baixa pressão na região.

2) Campos de pressão e vento no nível de 1000 hPa --> gradual aumento na confluência dos ventos gerando uma baixa pressão próximo ao litoral do RS (2a e 2b). Após esta intensificação do centro de baixa, houve um progressivo deslocamento para o oceano (2c) até o ponto em que não foi mais registrado precipitação associada ao CE.

3) Campo de advecção de vorticidade relativa e vento em níveis médios --> nota-se uma advecção negativa para a região de formação do CE (3a e 3b) com consequente divergência em níveis elevados, compatível com a convergência (baixa pressão) observada em baixos níveis. Em seguida (3c), a região de advecção de vorticidade negativa se desloca para leste levando o sistema a se deslocar em direção ao oceano.

4) Campo de advecção de temperatura e vento em  níveis médios --> enquanto o CET se desenvolvia havia uma advecção quente para a região (4a e 4b), ao atingir a maturação o CET começou a se deslocar para o oceano devido a uma advecção fria para o litoral Sul do Brasil (4c).

5) Campo  de geopotencial e vento no nível de 200 hPa  --> presença de um cavado (5a) e um centro de baixo geopotencial mais ao Sul do RS  sobre o Uruguai (5b) no horário de maturação do CET.







Exemplo adicional:


  • Entre os dias 22 e 23 de outubro de 2012 --> Processo de formação de ciclone extratropical na região ciclogenética entre o nordeste da Argentina, Uruguai e sul do RS que provocou condições de tempo severo, caracterizando o ciclone extratropical mais intenso dos últimos vinte anos antecedentes, nesta região.


Referência: http://www.cptec.inpe.br/~rupload/arquivo/caso_ciclone_22_10_12.pdf




ANÁLISE SINÓTICA:



Figura 16: Imagens de satélite GOES 12: (a) do dia 22/10 -12UTC – canal VIS; (b) do dia 22/10 - 18:15UTC – canal VIS; (c) do dia 23/10 - 00UTC – Canal IR realçada; (d) do dia 23/10 - 12UTC – canal VIS; (e) do dia 23/10 - 18UTC – canal IR realçada; e (f) do dia 24/10 - 00UTC – canal IR realçada.



--> Nota-se na sequência de imagens (Fig. 16) o processo de formação do sistema frontal, com a instabilidade mais aglomerada nas primeiras imagens e na sequência mais organizada, mostrando bem a circulação ciclônica com a nebulosidade em espiral. O ramo frontal deste sistema também provocou tempo severo em áreas de SC e PR, onde se notam células convectivas significativas. 



Figura 17: Carta do nível de 250 hPa – do dia 22/10 - 12UTC (a) e 18UTC (b); do dia 23/10 - 00UTC (c), 12UTC (d), e 18UTC (e); e do dia 24/10 - 00UTC (f). Áreas sombreadas indicam ventos acima de 70 nós representando os Jatos Subtropical (JST) em vermelho, ramos norte (em laranja) e sul (em branco) do Jato Polar (JPN e JPS). Linhas contínuas em branco representam a altura geopotencial. Linhas em azul continuas e finas representam as linhas de corrente.

-->Na sequência de cartas sinóticas de 250hPa (Fig. 17), observa-se a passagem de um cavado entre o norte da Argentina, RS e Uruguai entre as latitudes 20°S e 30°S, aproximadamente. Este cavado é contornado ao norte pelo Jato Subtropical (JST) e ramo norte do Jato Polar (JPN), principal sistema que dá suporte ao sistema frontal. A sequência das figuras mostra o deslocamento e o desenvolvimento do cavado, que a partir das 12Z do dia 23 evoluiu para um vórtice ciclônico de altos níveis, o que explica a intensificação do ciclone na baixa troposfera. Este sistema continuou seu deslocamento para sudeste e no último horário mostrado começa a se desintensificar.


Figura 18: Carta do nível de 500 hPa - do dia 22/10 - 12UTC (a) e 18UTC (b); do dia 23/10 - 00UTC (c), 12UTC (d), e 18UTC (e); e do dia 24/10 - 00UTC (f). Áreas sombreadas indicam ventos acima de 50 nós. Linhas contínuas em branco representam a altura geopotencial. Linhas em azul continuas e finas representam as linhas de corrente.

-->Na troposfera média (Fig. 18), observa-se o reflexo da circulação ciclônica ao sul de 20°S no continente e já desde às 12Z do dia 22 nota-se um vórtice ciclônico centrado em torno 37°S/64°W no valor de 5560 mgp, reflexo do ciclone extratropical em questão. Nota-se significativo gradiente de altura geopotencial e ventos fortes (sombreado verde) sobre este cavado, o que indica baroclinia associada ao sistema. À medida que este sistema se desloca para sudeste, nota-se sua intensificação tanto no valor do núcleo, quanto na intensidade dos ventos e do gradiente de altura geopotencial, o que favoreceu a intensificação do sistema em superfície.




Figura 19: Carta do nível de 850 hPa - do dia 22/10 - 12UTC (a) e 18UTC (b); do dia 23/10 - 00UTC (c), 12UTC (d), e 18UTC (e); e do dia 24/10 - 12UTC (f). Linhas contínuas em amarelo representam a altura geopotencial. Linhas em azul contínuas e finas representam as linhas de corrente. Ventos são representados pelas barbelas. Linhas em preto representam o limite de temperaturas positivas e negativas, sendo a contínua a isoterma de zero grau, a norte a isoterma de 2C e a sul a isoterma de -2C.


-->No campo de 850 hPa (Fig. 19), pode-se notar a intensa circulação ciclônica, com ventos bastante significativos na região afetada entre às 12Z do dia 22 até às 18Z do dia 23. Às 00Z do dia 24 os ventos intensos ficaram restritos apenas à costa do RS e parte do Uruguai, devido ao deslocamento do ciclone extratropical para o oceano que evoluiu nos horários subsequentes. Deslocamento este típico deste tipo de sistema, primeiramente para leste e posteriormente para sudeste. Além disso, a presença deste sistema reforçou o escoamento de norte, associado ao Jato de Baixos Níveis, o que favoreceu a advecção de ar mais quente e úmido, dando suporte termodinâmico significativo para a instabilidade observada.




Figura 20: Carta de superfície - do dia 22/10 - 12UTC (a) e 18UTC (b); do dia 23/10 - 00UTC (c), 12UTC (d), e 18UTC (e); e do dia 24/10 - 00UTC (f). Linhas contínuas em amarelo representam as isóbaras. Linhas tracejadas representam a altura geopotencial entre a superfície e 500 hPa. Símbolos de frentes frias em azul, frentes quentes em vermelho, frentes em oclusão em rosa. Linhas contínuas em laranja representam a ZCIT. Linhas tracejadas em amarelo representam cavados.



-->No campo de superfície (Fig. 20), nota-se o processo de formação da onda entre as 12 e 18Z do dia 22. Entre 00 e 12Z do dia 23 o sistema já estava bem formado, seu núcleo se encontra na costa entre o Uruguai e a Província de Buenos Aires, na Argentina, mas se estende para o leste da Argentina, Uruguai e boa parte do RS, onde se nota gradiente de pressão intenso e que gerou os ventos constantes e rajadas de vento significativas. Além disso, este sistema intenso também favoreceu os grandes volumes de chuva, uma vez que teoricamente o volume de chuva mais significativo se encontra no centro do sistema de baixa pressão. Quanto mais intenso este sistema, maior os ventos, a convergência de umidade e consequentemente a condição de tempo severo. Como este sistema se formou e se deslocou em parte do continente, o tempo foi bastante severo nos setores onde atuou. Nos dias subsequentes o sistema se deslocou em direção ao oceano, mas ainda com maior influência na costa do RS e do Uruguai, e continuou sua intensificação, atingindo seu valor mínimo de pressão no centro de 975 hPa às 18Z do dia 23.





Referências:
•Atmospheric Science - Wallace & Hobbs
•Meteorologia e Climatologia - M. A. Varejão-Silva
•Life Cycle of Cyclones and the Polar Front Theory of Atmospheric Circulation - J. Bjerknes and H. Solberg (1922)
•Practical Meteorology, Chapter 13: Extratropical Cyclones - Roland Stull (2014)
•Meteorology Today - An Introduction (C. Donald Ahrens) - 10 ed.
•Mid-Latitude Atmospheric Dynamics [Jonathan E. Martin]
MASTER - Sinótica - aula 10 (http://master.iag.usp.br/pr/ensino/sinotica/aula10/)
•XII Congresso Brasileiro de Meteorologia, Foz de Iguaçu-PR,2002
  CLIMATOLOGIA DE CICLOGÊNESES EXTRATROPICAIS NA REGIÃO DA AMÉRICA DO SUL
  Ronaldo Maia de Jesus Palmeira, Maria Gertrudes Alvarez Justi da Silva - Departamento de Meteorologia/GEPAC
  Universidade Federal do Rio de Janeiro - UFRJ
•Vídeos didáticos de John Schrage: https://www.youtube.com/watch?v=FtsPCPtbkQ8https://www.youtube.com/watch?v=oFjdvoTIZpw
•Murray, R.J., Simmonds, I., A numerical scheme for tracking cyclone centres from digital data. Part I: development and operation of the scheme. Aust. Met. Mag., v. 39, n. 2, p. 155-166, 1991.
•Sinclair, M.R. An objective cyclone climatology for the Southern Hemisphere. Mon. Wea. Rev. v. 122, n. 10, p. 2239-2256, 1994.
•Blender, R., Fraedrich, K., Lunkeit, F. Identification of cyclone-track regimes in the North Atlantic. Quart. J. Roy. Met. Soc., v. 123, n. p239, 727-741, 1997.
•Trigo, I. F., Davies T. D,. Bigg G. R, Objective climatology of cyclones in the Mediterranean region. J. Climate, v12, n. 10, p. 1685-1696, 1999.
•Sutcliffe, R. C., A Contribution to the problem of development. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., v. 73, n. 5, p. 370–383. 1947.
•Reboita, M. S., Krusche, N., Ambrizzi, T., & Rocha, R. P. D. (2012). Entendendo o Tempo e o Clima na América do  Sul. Terrae Didatica, 8(1), 34-50.
•Vanderlei R . de Vargas Jr - ESTUDO DO AMBIENTE SINÓTICO ASSOCIADO A UM CICLONE EXTRATROPICAL QUE AFETOU O RIO GRANDE DO SUL; 2012.
•Entendendo o Tempo e Clima da América do Sul (Reboita et al., 2012 - TERRÆ DIDATICA 8(1):34-50).




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