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On the linear theory of the atmospheric response to sea surface temperature anomalies J.EGGER. Prof: Luciano P. Pezzi Aluna:Ana Carolina Vasques. Oceanografia Física.
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On the linear theory of the atmospheric response to sea surface temperature anomalies J.EGGER Prof: Luciano P. Pezzi Aluna:Ana Carolina Vasques Oceanografia Física
Quem aparece primeiro?Anomalias térmicas nos oceanos, que passam a forçar as anomalias na atmosferaOu o processo ocorre de maneira inversa? Seminário Oceanografia Física
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).
Modelo Utilizado • 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).
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: Ar frio Ar quente Na superfície e em 800mb A B Aquecimento 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/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 3 Resposta 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 Utilizadas • Egger, 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.