Ondas Atmosféricas e Estrutura Vertical dos Sistemas de Pressão

Lecture 11

Ondas Atmosféricas• O padrão de escoamento de ar superior, em qualquer dia nas

latitudes médias, tem características de ondas com comprimentos variáveis ao redor do globo.

• As ondas curtas são geralmente associadas com ciclones e anticiclones de superfície que em geral se movem na direção oeste-leste.

• As ondas mais longas se movem mais lentamente para leste ou, em alguns casos, podem ser quase estacionária ou mesmo se deslocam para o oeste.

• A progressão oeste das ondas é mais vista freqüentemente em

latitudes altas e latitudes baixas, onde o escoamento médio de oeste é relativamente fraco.

Padrão de altura em 500 hPa às 12 UTC 24 junho de 1994.

Escoamento de grande amplitude, com várias ondas localizadas na faixa de latitude 30-40S (linhas tracejadas indicam cavados associados com cada uma das ondas).

TT

Comprimento de onda de ~ 50 graus de longitude no sector da América do Sul

C

C

C

C

C

C

C

C

C

A

A

A

A

A

A A

A

CSistemas de baixa pressão (ciclones - C) são geralmente encontrados nas proximidades dos cavados de 500 hPa Sistemas de alta pressão (anticiclones - A) são encontrados nas proximidades das cristas de 500 hPa.

Deslocamento das Ondas• Ondas curtas geralmente se propagam na direção do

escoamento (de oeste para leste nas latitudes médias).

• Ondas longas em latitudes médias avançam lentamente para o leste, permanecem quase estacionária, ou se movem para o oeste com o tempo.

Deslocamento das Ondas

Às vezes, as ondas tornam-se quase estacionárias e o padrão de tempo persiste por vários dias. O padrão de ondas no hemisfério leste durante meados de junho (vermelho oval) tem um comprimento de onda de 70-80 graus de longitude.

Ondas curtas propagam-se para o leste.

TT

Ondas Curtas: Comprimento de onda de ~ 50 graus de longitude no sector da América do Sul

Fase das ondas de Rossby e Propagação de Energia

• Suponha uma atmosfera quase-geostrófica, barotrópica equivalente, sem atrito. Então, a velocidade de fase das ondas pode ser escrita como: c = U - β / (2π / L) 2

• Onde U é a média zonal do vento, β é ∂ f / ∂ y e L é o comprimento de onda.

• Para ondas muito longas (números de onda 1 a 4) o termo negativo domina e a velocidade de fase é negativa (ondas se propagam em direção ao oeste).

• Para ondas curtas (números de onda superior ou igual a 5) U domina o lado direito da equação e as ondas se propagam em direção ao leste.

• Para U ≈ 0 (por exemplo, no verão do subtropicos or em latitudes altas), ondas de Rossby propagam para oeste a uma velocidade de fase c = β / (2π / L) 2

Longitude

TempoS

N

• A velocidade de grupo de ondas écg = U + β / (2π / L) 2

• A velocidade de grupo é mais rápida que a velocidade de fase e o vento zonal médio.

• Os seguintes diagramas esquemáticos ilustram as velocidades de fase e de grupo para uma situação idealizada.

A latitude é fixa e a amplitude é plotado em função da longitude. Cristas (cavados) são indicados por linhas com pontos (linhas tracejada). As ondas estão propagando em direção ao leste com uma velocidade de fase ~ 6-8 graus de longitude por dia. A linha vermelha mostra a propagação para leste da amplitude máxima das ondas ou a velocidade de grupo (~ 18 graus de longitude por dia) 

O intervalo de tempo entre as figuras é de 2,5 dias.

Outra forma de visualizar a velocidade de fase e grupo é traçando uma secção tempo-longitude. .

A inclinação (mudança de longitude dividida pelo intervalo de tempo) da linha preta sólida representa a velocidade de fase.  A inclinação da linha vermelha (linha através da amplitude maxima) representa a velocidade de grupo.

Secção Tempo-longitude de anomalias da Altura Geopotencial em 500 hPa: Propagação de ondas de Rossby e dispersão de energia

Velocidade de Grupo ~38 deg. longitude/dia

Forte Friagem “Cold Air Outbreak” na América do Sul:

24-26 Junho 1994

Longitude

Time

Velocidade de fase ~ 8 deg. longitude/dia

Ondas e Vorticidade

• As equações da vorticidade e do vento térmico são aplicadas nas figuras seguintes para determinar a estrutura vertical dos sistemas de pressão.

Média Troposfera (HN) (~500 hPa) (ondas curtas)

d/dt (ζ+ f) = 0 (nível de não-divergência; vorticidade absoluta é conservada) (ζ+ f)/t = AQ ou, ζ/t = AQ

Crista

Cavado

CristaAQ < 0ζ/t < 0

AQ > 0ζ/t > 0

Deslocamento da Onda

Média Troposfera (HS) (~500 hPa) (ondas curtas)

CristaCavado

Crista

AQ > 0ζ/t > 0

AQ < 0ζ/t < 0

Deslocamento da Onda

d/dt (ζ+ f) = 0 (nível de não-divergência; vorticidade absoluta é conservada) (ζ+ f)/t = AQ ou, ζ/t = AQ

Média Troposfera (HN) (~500 hPa) (ondas longas ou planetárias)

d/dt (ζ+ f) = 0 (nível de não-divergência; vorticidade absoluta é conservada) (ζ+ f)/t = AQ Ou ζ/t = AQ , but AQ = - V (ζ+ f) = Aζ - v f/y

Crista

Cavado

CristaAζ < 0-vf/y > 0

f/y > 0

Aζ > 0-vf/y < 0

If │Aζ│> │-vf/y│, o padrão de onda se desloca para o leste com o tempo

If │Aζ│= │-vf/y│, o padrão de onda é estacionária

If │Aζ│< │-vf/y│, o padrão de onda se desloca para o oeste com o tempo

CristaCavado

Cavado

Aζ > 0-vf/y < 0

f/y > 0

Aζ < 0-vf/y > 0

If │Aζ│> │-vf/y│, o padrão de onda se move para o leste com o tempo

If │Aζ│= │-vf/y│, o padrão de onda é estacionária

If │Aζ│< │-vf/y│, o padrão de onda se move para o oeste com o tempo

Média Troposfera (HS) (~500 hPa) (ondas longas ou planetárias)

d/dt (ζ+ f) = 0 (nível de não-divergência; vorticidade absoluta é conservada) (ζ+ f)/t = AQ Ou ζ/t = AQ , but AQ = - V (ζ+ f) = Aζ - v f/y

Exemplos de Advecção de Vorticidade

AVC

AVA

• Em um determinado dia, as análises de superfície em latitudes médias em ambos hemisférios apresentam uma série de ciclones e anticiclones (sistemas de baixa e alta pressão), alguns dos quais são intensos, enquanto outros são relativamente fracos. Uma seqüência de análises de superficie mostrariam que alguns sistemas fracos se intensificam, enquanto outros mantem a sua intensidade ou enfraquecem com o tempo.

• Nesta seção, iremos nos concentrar no desenvolvimento de sistemas sinóticos, tomando em conta a intensificação e a dissipação.

• As necessárias, embora não suficientes, condições para a intensificação

dos ciclones em latitudes médias são: 1) a presença de uma zona baroclínica ou frontal e 2) a aproximação de um cavado de altos níveis.

• Inicialmente, vamos discutir a estrutura vertical dos sistemas de pressão e sua relação com o movimento vertical, de acordo com as considerações hidrostáticas discutidas anteriormente.

Estrutura Vertical dos Sistemas de Pressão• Como discutido anteriormente, os sistemas de baixa (alta) pressão inclinam-se

no sentido do ar frio (quente), com o aumento da altura na troposfera. Esta inclinação é necessária para que sistemas de pressão intensifiquem com o tempo (energia potencial é convertida em energia cinética).

• Contrastes em temperatura entre os trópicos e latitudes altas resultam em um aumento na velocidade dos ventos de oeste com o aumento da altura na troposfera.

• Como os sistemas de pressão à superfície se movem à cerca da velocidade do vento médio na troposfera, o cisalhamento vertical significa que o ar em baixos (altos) níveis da troposfera se move mais lento (mais rápido) do que os sistemas de pressão à superfície.

• As mudanças na posição relativa do ar em relação aos sistemas de pressão resulta em mudanças na vorticidade que estão relacionados com divergência ou convergência.

d/dt (ζ+ f) = -(ζ + f) p V

d/dt (ζ+ f) = −(ζ + f) p V Podemos expandir d/dt (ζ+ f) como d/dt (ζ+ f) = (ζ+ f)/t + V (ζ+ f) ou d/dt (ζ+ f) = (ζ+ f)/t − AQ  onde AQ é a advecção de vorticidade.Na baixa troposfera, a advecção de vorticidade é menor em magnitude do que o termo de mudança local. Na alta troposfera, advecção de vorticidade domina o termo de mudança local. Baixa Troposfera: (ζ+ f)/t ~ −(ζ + f) p V Alta Troposfera: AQ ~ (ζ + f) p V

Mudanças na Vorticidade

Vorticidade ciclônica aumenta seguindo o movimento do ard/dt (ζ+ f) ~ (ζ+ f)/t > 0

Vorticidade ciclônica diminui seguindo o movimento do ard/dt (ζ+ f) ~ (ζ+ f)/t < 0

d/dt (ζ+ f) = −(ζ + f) p V (ζ+ f)/t ~ −(ζ + f) p V (baixa troposfera)

Convergência

Divergência

Baixa Troposfera (HS)

N

L

CONV

DIV

Vorticidade anticiclônica aumenta seguindo o movimento do ard/dt (ζ+ f) ~ (ζ+ f)/t < 0

Vorticidade anticiclônica diminui seguindo o movimento do ard/dt (ζ+ f) ~ (ζ+ f)/t > 0

Divergência

Convergência

N

CONV

DIVH

d/dt (ζ+ f) = −(ζ + f) p V (ζ+ f)/t ~ −(ζ + f) p V (baixa troposfera)

Baixa Troposfera (HS)

d/dt (ζ+ f) = −(ζ + f) p V AQ ~ (ζ + f) p V (alta troposfera, velocidade do ar é muito maior do que a fase da velocidade das ondas curtas) AQ < 0 Advecção de vorticidade ciclônica - AVC AQ > 0 Advecção de vorticidade anticiclônica AVA

Vorticidade ciclônica diminue seguindo o movimento do ard/dt (ζ+ f) ~ − AQ > 0, AQ< 0 (CVA)AQ< 0, (ζ + f) < 0, p V > 0

Vorticidade ciclônica aumenta seguindo o movimento do ard/dt (ζ+ f) ~ − AQ< 0, AQ> 0 (AVA)AQ> 0, (ζ + f) < 0, p V < 0

DivergênciaConvergência

CONVDIV

CristaCavado

Crista

Alta Troposfera (HS) (ondas curtas)

N

AQ> 0

AQ< 0

• Nos níveis medios da troposfera (500 - 600 hPa) o termo de mudança local, (ζ+ f )/t, é aproximadamente igual ao termo de advecção, − V (ζ + f). Nesses níveis, a convergência / divergência é pequena, então temos:

d/dt (ζ + f) 0

• O nível em que a equação acima é válida é chamado o nível de não divergência (NND). Em geral, o NND é uma função do espaço e do tempo. No entanto, para fins de discussão, vamos supor que o nível de 500 hPa, é aproximadamente o NND.

• Considere uma secção altura-longitude em latitudes médias, com

cavados e cristas inclinando em direção ao oeste com o aumento da altura, de acordo com as considerações hidrostática discutidas anteriormente.

• Ao leste da baixa na superfície há convergência, enquanto que ao leste da alta na superfície, existe divergência. Na alta troposfera há divergência ao leste do cavado e convergência ao leste da crista. Aplicando a equação da continuidade, /p = − p V, na figura acima podemos determinar o padrão de movimento vertical.

WarmCold

CavadoAxis

BA A

Crista AxisCrista

Axis

200 hPa

1000 hPa

Leste

Conv

Conv Div

Div

500 hPa (NND)p

/p = − p V

QuenteFrio

/p < 0 /p > 0

CavadoAxis

BA A

Crista AxisCrista

Axis

200 hPa

1000 hPa

Leste

Conv

Conv Div

Div

500 hPa (NND)

/p < 0/p > 0

p

• Nas regiões de convergência horizontal /p 0, e nas regiões de divergência horizontal /p 0. Se assumirmos que é próximo de zero na superfície da Terra e perto da tropopausa ( 200 hPa), obtemos os seguintes perfis verticais de .

Surface

Tropopause

− ω + − ω +

Conv. baixo nível

div. alto nível. conv. alto nível

div. baixo nível

Mov. ascendente Mov. descendente

Na frente de um sistema de superfície de baixa pressão

Na frente de um sistema de superfície de alta pressão

Na frente de uma baixa pressão na superfície, convergência nos baixos níveis e divergência no altos níveis resultam em movimento ascendente ( 0) na média-troposfera (500hPa). Da mesma forma, na frente de uma superfície de alta pressão, divergência nos baixos níveis e convergência nos alto níveis resultam em movimento descendente ( 0) na média-troposfera (500hPa).

LND

Esta é uma configuração necessária para que os sistemas de superfície intensifiquem com o tempo.

Energia potencial diminui (ar frio desce e ar quente sobe) e energia cinética (circulação) aumenta com o tempo.

.

A A

200 hPa

QuenteFrio

CavadoAxis

B

Crista AxisCrista

Axis

1000 hPa

Leste

Conv

Conv Div

Div

500 hPa (NND)

/p < 0

/p < 0

/p > 0

/p > 0

<0>0

• Na figura anterior, a divergência de nível superior se localiza sobre a baixa na superfície, e a convergência de nível superior se localiza sobre a alta na superfície. Assim, essa configuração leva à diminuição de pressão no sistema de baixa e um aumento na pressão do sistema de alta, ou a intensificação dos sistemas de pressão à superfície.

• Se considerarmos agora os efeitos do atrito na camada limite, o ar converge (diverge) em direção aos (dos) sistemas de baixa (alta) pressão.

L

H

Sistema de baixa pressão - convergência devido ao atrito

Sistema de alta pressão - divergência devido ao atrito

• Em geral, a convergência ou divergência devido ao atrito age em oposição aos efeitos da divergência e convergência de níveis superior. Assim, o atrito age para retardar ou limitar o crescimento (desenvolvimento) de sistemas de pressão à superfície.

• Para ondas baroclínicas de latitudes médias, o movimento vertical ocorre quando a advecção da vorticidade aumenta ou diminui com a altitude

- Movimento ascendente (ω <0) ocorre quando a advecção

da vorticidade ciclônica (AVC) aumenta com a altura.

- Movimento descendente (ω> 0) ocorre quando a advecção da vorticidade anticiclônica (AVA) aumenta com a altura.

• Estes resultados surgem devido à existência de um vento

térmico (ventos intensificam com a altura), o que é típico em latitudes médias.

Secção Altura-Longitude:00Z 25 June 1994 (T, v)

Eixo do Cavado

Secção Altura-Longitude:00Z 25 June 1994 (Div, v)

Eixo do Cavado

Convergência Divergência

ConvergênciaDivergência

Análises ao Nível de Pressão

Análises ao Nível de Pressão

Análises ao Nível de Pressão

Análises ao Nível de Pressão

Considere o caso no dia 24 de junho de 1994 (00UTC). O cavado de superfície em 35S estava localizado perto de 48W, enquanto que em 700-hPa e 500-hPa o cavado estava localizado perto de 53W e 57W, respectivamente. Assim, o cavado se inclina para o oeste com a aumento da altura

Longitude

35S

Estrutura Vertical dos Sistemas de Pressão

Corte esquemático altura-longitude, ilustrando a inclinação para oeste com a altura dos cavados e cristas na troposfera. 

QuenteFrio

CavadoAxis

Frente Fria

BA A

Crista AxisCrista

Axis

500 hPa

1000 hPa

Zona Frontal

Leste

z

• Lembre-se da expressão do vento térmicoVT = (R/f) ln(p1/p2) k x pTm

Se definimos C = (R/f) ln(p1/p2), onde C>0 no HN (f>0) e C<0 no HS (f<0), thenVT = C k x pTm

euT = – C Tm/y and vT = C Tm/x

• Avaliando a equação para vT na região a oeste da superfície do sistema de baixa pressão, temos Tm/x 0 e vT < 0 no HS. Assim, vg2 – vg1 < 0 e vg1 > vg2. Observe que, imediatamente ao oeste do sistema de baixa pressão na superfície que o vento é geralmente do sul no HS (vg1 > 0) (Para que vg2 – vg1 > 0, os ventos de sul se enfraquecem com a altura no HS e ventos de norte (vg2<0) aparecem em níveis mais altos (por exemplo, 500 hPa). Portanto, o cavado em 500 hPa está localizado a oeste do sistema de baixa pressão na superfície.

WarmCold

Cavado Axis

Frente Fria

LH H

Crista Axis

CristaAxis

500 hPa

1000 hPa

Zona FrontalLeste

Tm/x >0, vg2 – vg1 > 0

v > 0

v < 0

z

HS

Corrente de Jato• A corrente de jato é uma corrente de ar de alta velocidade normalmente

encontrada perto da tropopausa (topo da troposfera) entre as latitudes 30 º e 60 º. Para compreender a formação de uma corrente de jato, vamos usar a equação do vento térmico e características observadas na atmosfera, tais como

• Dentro da troposfera, a temperatura é mais alta perto do equador, e a temperatura diminui em direção aos pólos e com o aumento da altura. A diminuição vertical da temperatura é chamado de taxa vertical de temperatura ou “lapse rate” que é definida como = – T/z.

• A tropopausa é mais elevada nas regiões das massas de ar quente e mais baixa nas regiões de massas de ar frio. Uma vez que a temperatura diminui mais rapidamente na vertical do que na horizontal, a tropopausa é mais fria quando está mais elevada e mais quente quando está mais baixa.

• • Como a altura da tropopausa varia com a latitude e a taxa vertical de temperatura

na baixa estratosfera é perto de zero, o gradiente horizontal (norte-sul) de temperatura na baixa estratosfera é contrário do observado na troposfera, com ar quente em latitudes altas (regiões polares) e ar mais frio em latitudes baixas (trópicos).

• Essas características são ilustradas nos seguintes diagramas esquemáticos.

Perfis Verticais de Temperatura

Polar

(km)

20

15

10

5

-80 -60 -40 -20 0 20

Tropical

Tropopausa

T (ºC)

Características da Troposfera e Baixa Estratosfera

Frio

Frio

PS PN60S 30S EQ 30N 60N

Quente Frio

Tropopausa8-10 km (–50ºC)

16 km (–75ºC)

Quente Quente

y

T/y>0pequeno

T/y>0grande

T/y>0pequeno

T/y<0grande

T/y<0grande

T/y<0pequeno

z

T/y<0pequeno

T/y<0grande

T/y<0pequeno

8-10 km (–50ºC)

T/y>0pequeno

T/y>0grande

T/y>0pequeno

Diagrama Esquemático do Vento Zonal na Troposfera e na Baixa Estratosfera

B–10

WesterliesB A A–10

B

SP NP60S 30S EQ 60N30N

Easterlies EasterliesEasterlies Easterlies Westerlies

0 0

JJ Tropopausa50

50

4040

30 30

2020

10 10

Corrente de Jatos

z

Média Zonal de Temperatura e Vento Zonal -

Janeiro

Tropopausa

JJ

Média Zonal de Temperatura e Vento Zonal -

Janeiro

Tropopausa

JJJ J

Média Zonal de Temperatura e Vento Zonal -

Janeiro