On the linear theory of the atmospheric response to sea surface temperature anomalies

J.EGGER

Prof: Luciano P. PezziAluna:Ana Carolina Vasques

Oceanografia Física

Oceanografia Física

Quem aparece primeiro?

Anomalias térmicas nos oceanos, que passam a forçar as anomalias na atmosfera

Ou o processo ocorre de maneira inversa?

Seminário

Visão geral Descrição do Artigo

Introdução Objetivo

Modelo Utilizado

Principais Descobertas/Resultados Resultados 1 - ATSM no Atlântico em latitudes médias Resultados 2 - ATSM no Pacífico nos trópicos Resultados 3 - ATSM no Atlântico nos trópicos

Conclusão Referências Utilizadas

OBS: Anomalia de Temperatura da Superfície do Mar : ATSM

Descrição do Artigo

Introdução

ATSM – influência na circulação geral

Duração: vários meses

Ratcliffe and Murray (1970) - ATSM no Atlântico e anomalias mensais na circulação sobre o extremo nordeste do Atlântico e oeste europeu.

Rowntree (1972) - nos trópicos o aquecimento anormal do Pacífico equatorial central e leste está associado com precipitação grandemente acentuada e relativa baixa pressão em superfície.

Descrição do Artigo

Introdução

Explicação teórica satisfatória das anomalias de circulação causadas pelas ATSM – não está disponível.

Influência das ATSM precisa ser considerada para a previsão de longo prazo – uso dos Modelos de Circulação Geral (MCG):

Houghton et al. (1974) - ATSM longe da costa de Newfoundland no MCG do NCAR

Spar (1973) - ATSM persistente no Pacífico no MCG de 2 níveis de Mintz-Arakawa

Dificuldade: nível de ruído nas estatísticas produzidas pelo MCG (não é baixo) – Chervin et al. (1976) – climatologia do ruído.

Região de Newfoundland

Fonte: http://iz.carnegiemnh.org/crayfish/country_pages/newfoundland.htm

Descrição do Artigo

Objetivos

Demonstrar que a teoria linear das ondas estacionárias planetárias termalmente forçadas pode promover nosso entendimento dos efeitos das ATSM na atmosfera.

Para este fim - um modelo linear hemisférico de estado básico, baseado nas equações primitivas - aplicado a casos de ATSM observadas no Atlântico e no Pacífico.

Modelo Utilizado

Modelo baseado nas equações primitivas Estado básico (independente da longitude e tempo) Representação de dois níveis da atmosfera entre o equador

e o pólo. Direção zonal: séries de Fourier Direção meridional: ponto de grade (7.5º)

Capaz de simular os principais aspectos das ondas estacionárias observadas em 400 e 800 mb para condições médias de Janeiro (Egger, 1976).

Representação de dois níveis – suficiente?

Não existem soluções das equações primitivas linearizadas com alta resolução vertical para casos de forçantes de calor em grande escala - em contraste com que o modelo de dois níveis verificou.

Smagorinsk (1953), Döös (1962), Saltzman (1965) – solucionaram analiticamente a equação linearizada da vorticidade potencial quase geostrófica no plano β com forçante de calor.

Influência da resolução vertical – compara-se as soluções obtidas por esses autores com a resposta de uma representação em dois níveis das equações quase geostróficas para a mesma forçante.

Modelo Utilizado

O modelo de dois níveis permite determinar com razoável acurácia a posição das ondas estacionárias induzidas pelas fontes de calor.

O skill do modelo de dois níveis não deve ser superestimado. A resposta é bastante sensível a distribuição vertical durante o aquecimento - no modelo o aquecimento é prescrito em 1 nível somente.

Soluções analíticas algumas vezes mostram aspectos com uma escala vertical que não pode ser aproximada com o auxílio do modelo de dois níveis - Smagorinsk (1953).

Modelo Utilizado

Resposta do modelo a uma idealizada fonte de calor TSM 1K acima do normal em um retângulo (2000 x 1700 km)

centrado em 15ºW, 45ºN – escala: ATSM no Atlântico em latitudes médias.

Primeira aproximação – limite superior de Sawyer (1965) – ATSM +1º leva a um aquecimento de 1k/dia da coluna atmosférica sobreposta.

Fonte de calor retangular – inserida nas equações quase geostróficas e no modelo de equação primitiva.

Para 800mb – a mudança do plano β para as equações primitivas na esfera não causa mudanças fundamentais

O impacto no nível superior (400mb) é mais forte

Resposta do modelo a uma idealizada fonte de calor Para o perfil do vento observado em janeiro

Perfil de vento, a geometria esférica e, talvez, o uso de equações primitivas tenham um efeito visível.

Resposta básica quase a mesma:

Aquecimento BA

Ar quenteAr frioNa superfície e em 800mb

Trópicos: campos de perturbação muito diferentes – baixa pressão acima e para noroeste da fonte. A fase muda completamente entre 400 e 800 mb.

Resposta do modelo a uma idealizada fonte de calor Relação em fase entre a distribuição de ATSM e o aquecimento? Qualquer perturbação T* da temperatura do ar na terra induz um fluxo

de calor sensível qs* que pode ser parametrizado por:

U – velocidade do vento no nível do anemômetro

cp – calor específico a pressão constante

ρ – densidade do ar

cq – coeficiente de troca

Em geral, o aquecimento fornecido por qs* não estará em fase com a

distribuição da anomalia de temperatura da água.

Döös (1962) – amortecimento considerável da resposta e mudança de fase na direção oeste de cerca de 60º.Modelo quase geostrófico de dois níveis – mudança de fase de somente 15º para oeste.Modelo de equação primitiva é mais sensível a esta incorporação do que o quase geostrófico, mas não reproduz as mudanças de fase encontradas por Döös.

Principais Descobertas/Resultados 1 Ratcliffe e Murray (1970) – padrão de ATSM no Atlântico em um

mês e as anomalias de pressão em superfície do mês seguinte.

Casos de ATSM negativas ao sul de Newfoundland (piscinas frias - PF) e casos com ATSM positivas na mesma área (piscinas quentes - PQ).

Padrão médio de ATSM usado como entrada para o modelo de estado básico – comparação entre a perturbação calculada de pressão em superfície com as anomalias médias de pressão em superfície no mês seguinte a ATSM como apresentado em RM.

Anomalias médias de pressão em superfície seguindo uma ATSM negativa se mostraram como uma imagem refletida daquelas para uma ATSM positiva.

Principais Descobertas/Resultados 1 RM – caso de setembro-outubro – sobre a maior parte do Atlântico e noroeste

da Europa o padrão de anomalia de pressão é invertido entre casos de PF e PQ. Em outros meses essa inversão é menos notável. PQ – invariavelmente ligada a

baixa pressão a jusante no extremo nordeste do Atlântico e sobre o noroeste da Europa. Alta pressão na mesma área para PF.

Principais Descobertas/Resultados 1

Principais Descobertas/Resultado 2

Bjerknes (1966/1969) – forte ATSM positiva no Pacífico tropical fornece calor ao braço ascendente da circulação atmosférica de Hadley local, intensificando-a, proporcionando um transporte maior de momentum angular para o cinturão de latitudes médias dos ventos de oeste e, consequentemente, uma corrente de jato subtropical mais forte que o normal.

Rowntree (1972) – Pacífico tropical - versão hemisférica do MCG GDFL, anomalia na banda 0≤φ≤15ºN, 900W<λ<1800W com uma ATSM máxima de 3.5 K em 1350W e comparou os resultados a observações.

Rowntree (1976) – Atlântico tropical - impacto de uma ATSM positiva observada entre o equador e 300N com um máximo de 2.5 K fora da África.

Resposta do modelo linear com as observações e com os experimentos numéricos de Rowntree.

Principais Descobertas/Resultado 2

Influência da ATSM tropical no padrão de pressão em latitudes médias é negligenciavelmente pequeno no modelo.

Bjerknes (1966/1969)

Rowntree (1972) obteve um fluxo para fora na direção norte a oeste do aquecimento mais intenso (~10 m/s) e uma notável intensificação do jato em seu modelo.

Aquecimento de 4-6K/dia de modo a obter uma intensificação do jato de 10 m/s.

Principais Descobertas/Resultado 2

Fluxo para fora restrito a uma camada rasa justamente centrada em 190 mb.

Motivo da falha: Resolução vertical do modelo grosseira

Bjerknes (1966) – baseou sua hipótese em argumentos que dependem de mecanismos não lineares. A intensificação do transporte das propriedades de eddies devido a intensificação do jato é um processo não linear.

Resposta do modelo a ATSM é razoavelmente realística no cinturão tropical.

Principais Descobertas/Resultado 3Resposta linear no cinturão equatorial é razoavelmente similar aquela no caso do Pacífico tropical – concordância com Rowntree (1976).

Fora do cinturão equatorial - modelo linear desenvolveu uma baixa em superfície para o nordeste do máximo aquecimento e baixa pressão sobre a maior parte do Atlântico.

Principais Descobertas/Resultado 3

Rowntree (1976) - ascendências tropicais e descendências em latitudes médias no oceano próximas a longitude de aquecimento, em todos os seus experimentos. 

Coincidência dos campos - teoria linear pode simular a resposta em latitudes médias (Rowntree (1976)).

Contraste - experimento do Pacífico tropical.

Aquecimento se estende a latitudes subtropicais no caso do Atlântico – espera-se uma resposta em latitudes médias para esta forçante.

Linha crítica - mudanças de sinal no campo de vento básico, foram a norte da forçante no caso do Pacífico, mas cortando a área de aquecimento do Atlântico.

Conclusão

ATSM no Atlântico: a teoria linear se verificou favoravelmente a jusante da ATSM de Newfoundland. A montante – fraca resposta predita pelo modelo não pode ser verificada.

ATSM nos trópicos: anomalias de vento e pressão realísticas no cinturão equatorial.

De acordo com o modelo linear, a anomalia tropical teve um impacto no fluxo em latitudes médias somente quando a forçante se estendia além dos ventos de leste (easterlies) tropical.

Conclusão

Davis (1976) - registros de ATSM de 28 anos em latitudes médias no Pacífico: conexões observadas entre ATSM e as anomalias de pressão em superfície em escalas de tempo de um mês a um ano são o resultado da atmosfera dirigindo o oceano e não o contrário.

Quando a atmosfera dirige a ATSM, PQ são sumidouros de calor para a atmosfera e não fontes como tinha sido assumido desde então. PF são fontes e não sumidouros.

ATSM não são forçadas por ondas estacionárias atmosféricas anômalas.

Uma classificação parcial dessas questões pode ser esperada a partir do desenvolvimento de um modelo linear acoplado oceano-atmosfera.

Discussão

Siqueira (2005):

'' Mecanismos termodinâmicos induzidos pelo vento tais como trocas de calor, entranhamento, mistura vertical e outros forçados por tensão do vento, tem sido freqüentemente propostos como meios em que a atmosfera força as anomalias superficiais de temperatura no oceano (Wallace et al., 1990 ; Miller e Delgenio, 1994 e Battisti, 1995). Outros estudos, no entanto, têm sugerido que o oceano poderia induzir anomalias na circulação atmosférica através de mudanças de grande escala nos padrões de TSM na escala interanual e na circulação termohalina em escala interdecadal ou até maiores. Alguns pesquisadores também propuseram processos de realimentação positivos entre a TSM e a circulação atmosférica na escala interdecadal (Deser e Blackmon, 1993; Latif e Barnett, 1996). Tem sido aceito em geral que a variabilidade interanual de diversas variáveis climáticas é determinada principalmente pela atmosfera, enquanto a variabilidade de escalas maiores está associada com mudanças no oceano (Deser e Blackmon 1993; Kushnir, 1994)''

Referências UtilizadasEgger, J. On the linear theory of the atmospheric response to sea surface temperature anomalies. Journal of Atmospheric Sciences, v.34, p.603-614, 1977.

Hoskins, J.B., and D.J.Karoly. The steady linear response of a spherical atmosphere to thermal and orographic forcing. Journal of Atmospheric Sciences, v.38, p.1179-1196, 1981.

Houghton, D.D., J.E. Kutzbach, M. McClintock and D. Suchman. Response of a general circulation model to a sea temperature perturbation. Journal of Atmospheric Sciences, v.31, p.857-868, 1974.

Nobre, P. Fontes de calor nos trópicos e escoamentos anômalos de larga escala associados com anomalias de precipitação no nordeste do Brasil. Dissertação de Mestrado em Meteorologia. Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais. São José dos Campos. 1984. Opsteegh, J.D., and H.M. van den Dool. Seasonal differences in the stationary response of a linearized primitive equation model: Prospects for long range weather forecasting? Journal of Atmospheric Sciences, v.37, p.2169-2185, 1980.

Siqueira, P.S.L. Validação dos fluxos de calor sobre o Atlântico tropical: modelo acoplado oceano-atmosfera do CPTEC e observações. Dissertação de Mestrado em Meteorologia. Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais. 2005.

Vernekar, D.A. Response of a steady-state model for quasi-stationary perturbations to simulated anomalies at the earth’s surface. Journal of Atmospheric Sciences, v.38, p.531-543, 1981.

OBRIGADO!!!!