Massas de Ar e Frentes

Lecture 8

Massas de Ar• As massas de ar resultam das variações na intensidade do

aquecimento, que ocorre próximo à superfície da Terra, assim como da disponibilidade de água. A classificação das massas de ar é baseada nas diferenças de temperatura e umidade. As distribuições verticais de temperatura e de umidade também são importantes para indicar a maneira pela qual as massas de ar formam-se.

• Aqui as massas de ar serão classificadas de acordo com a temperatura (polar ou tropical) e com a umidade (marítima ou continental). Os tipos são:– polar continental – cP– polar marítima – mP– tropical marítima – mT– tropical continental – cT

Polar Continental (cP)and Continental Arctic/ Antarctic (cA, CAA)

A massa de ar polar/arctica continental é :– fria,– seca,– estável,– geralmente rasa (de 3 a 4 Km de profundidade).

• A densidade da massa de ar cP/cA cria pressão alta na superfície e um cavado no ar superior, especialmente quando cP/cA desloca-se para latitudes mais baixas.

• Precipitação em associação com a massa de ar cP/cA ar é geralmente fraca devido a baixa umidade.

• A precipitação é mais comum nas "bordas" da cP/cA, especialmente quando essa massa avanca e substitue mT.

• Precipitação ocorrendo dentro de uma massa de ar cP/cA é elevada e dinamicamente induzida. Os mecanismos dinâmicos de movimento ascendente incluem “jet streaks” (vento maximo local no ar superior – nivel do corrente de jato), efeitos isentrópicos e advecção de vorticidade ciclônica.

• Temperaturas baixas na superficie e uma camada de limite seco inibe a convecção termodinâmica.

• Esta massa de ar origina-se nas regiões polares dos continentes, tais como a Sibéria, o norte do Canadá e a Antártica. É formada pelo processo de resfriamento radiativo e é particularmente fria no inverno. A superfície terrestre perde radiação infravermelha para o espaço e, em virtude da radiação solar incidente, se houver alguma, chegar em ângulo oblíquo na superfície, esta resfria-se. Pelo processo de condução, o ar em contato com a superfície também se resfria. Isto rapidamente estabelece uma taxa de variação vertical de temperatura bastante estável e, eventualmente, uma inversão é criada.

• Simultaneamente, no topo da inversão ocorre um resfriamento radiativo devido à divergência do fluxo radiativo, enquanto o resfriamento radiativo prossegue na superfície. Isto resulta num aprofundamento da camada de inversão e, portanto, num aprofundamento de massa de ar. A Figura abaixo ilustra o aprofundamento bem como o resfriamento da massa de ar em função do tempo. O céu deve estar limpo para que o resfriamento radiativo seja significativo.

z

T

} Inversão

} Topo da inversão

• Quando uma massa de ar é deslocada de sua regão de origem, suas características são modificadas pela superfície subjacente.

• Considere-se agora o que acontece quando uma massa de ar polar continental, desloca-se em direção ao equador. Em geral, a superfície da Terra é mais quente em latitudes mais baixas, então ocorre aquecimento por baixo.

• Isto atua para instabilizar a porção inferior da massa de ar. Se o aquecimento for muito intenso, como pode ser o caso durante o outono, o verão e a primavera ou quando a massa de ar passa sobre regiões constituídas por águas mais quentes, pode ocorrer convecção.

• Se houver suprimento de água para o ar, seja por uma superfície úmida ou por um oceano ou lago descongelado, a convecção pode-se fazer visível através das nuvens cumuliformes que se desenvolvem, geralmente do tipo de bom tempo.

• Como essa massa de ar é seca e a mistura ocorre à medida que a massa de ar desloca-se em direção ao equador, as visibilidades tornam-se excelentes e o céu de um azul brilhante.

Ar FrioGrandes Lagos

Abaixo está uma imagem do GOES-E em 15 de fevereiro de 2007. Observe as bandas de nuvens sobre os Grandes Lagos dos EUA, bem como o desenvolvimento de nuvens fora da Costa Leste, à medida que o ar frio do Canadá, atravessa os Grandes Lagos e, em seguida, sobre o Atlântico ocidental. Muitas destas bandas de nuvens provavelmente produziram neve que aumentou à cobertura de neve já existente resultante de uma tempestade de uma escala sinótica dois dias antes.

Polar Marítima (mP)• Em geral, a massa de ar polar marítima forma-se sobre áreas oceânicas em latitudes

altas e médias. As características gerais desta massa de ar na sua região de origem são:– fria,– úmida,– instável,– profunda (estende-se através da troposfera).

• Quando esta massa de ar atinge a costa oeste de um continente ela começa a perder umidade. No caso das Américas do Norte e do Sul, o ar é forçado a subir extensas cadeias de montanhas. À medida que o ar sobe e se resfria, ocorre condensação que resulta em precipitação abundante. A influência que as características do terreno exercem na formação dos fenômenos meteorológicos locais é chamada efeito orográfico.

• No lado leste ou a sotavento das montanhas o ar sofre subsidência e é aquecido por um processo próximo do adiabático seco. Em geral, o ar chega na base das montanhas mais quente e mais seco do que estaria no mesmo nível a balarvento das montanhas. A diferença na temperatura estaria aproximadamente equivalente à quantidade de calor liberado pelo vapor d’água que se condensa à medida que o ar sobe no lado oeste das encostas.

Efeito Orográfico

Liberação de calor latente

Aquecimento Adiabático

Seco}

Precipitação máxima

Sombra da chuva

Tropical Marítima (mT)• A massa de ar tropical marítima forma-se sobre águas quentes tropicais ou subtropicais. Uma vez que o calor e a

umidade são supridos por baixo, esta massa de ar é caracterizada frequentamente por convecção. Na sua região de origem ela é:

– quente,– úmida,– instável,– profunda.

• A massa de ar tropical marítima é, geralmente, condicionalmente instável, isto é, a partir do levantamento do ar esta torna-se instável convectivamente e nuvens cumulus crescem rapidamente.

• Considere-se uma situação de inverno quando os continentes em latitudes médias e altas são bastante frios. À medida que a massa de ar tropical marítima avança em direção ao pólo sobre o continente mais frio ocorre resfriamento por baixo que resulta em uma mass d ar mais estável e, eventualmente, formação de nevoeiro com baixa visibilidade. Este processo também ocorre em áreas oceânicas. Quando a massa de ar mT move-se sobre águas mais frias, nevoeiros muito densos desenvolvem-se. A Inglaterra é famosa pela sua atmosfera enevoada, principalmente devido a esse mecanismo.

• Durante o verão as situações diurnas e noturnas devem ser consideradas separadamente. À noite, a massa de ar é resfriada por baixo e a formação de nevoeiro é comum. Em geral, os nevoeiros de verão tendem a ser menos persistentes e mais rasos que os nevoeiros de inverno. Durante o dia, ocorre forte aquecimento que rapidamente dissipa qualquer nevoeiro presente e serve para aumentar a instabilidade dessa massa de ar instável. Isto resulta em numerosas pancadas e tempestades. O tempo no verão na maior parte do Brasil, particularmente na Região Amazônica, é bastante influenciado por esse tipo de atividade.

Tropical Continental (cT)• A massa de ar tropical continental forma-se em regiões

desérticas. Suas carcterísticas são:– quente,– seca,– instável,– profunda.

• É frequentemente encontrada no Saara, na região oeste dos Estados Unidos e, em algum grau, embora numa forma modificada, sobre o interior do Brasil, Bolívia e Paraguai durante o fim do inverno, antes do início da estação chuvosa.

FrentesAs massas de ar deixam as suas regiões de origem em resposta às configurações do escoamento em níveis altos e baixos. Tem-se como exemplo o esquema ilustrado na Figura abaixo. As massas de ar frio movem-se em direção ao equador a oeste de um cavado de ar superior.

Crista

CavadoFrio

Quente

HN

CavadoCrista

Frio

Quente HS

• Quando duas massas de regiões diferentes de origem, e portanto com características diferentes, aproximam-se, uma zona de transição desenvolve-se. Em alguns casos esta zona, chamada zona frontal, é bastante abrupta enquanto em outros casos ela pode ser bastante gradual.

• Quando o ar frio está avançando e substituindo o ar quente, a borda anterior da zona frontal é marcada por uma frente fria

• Na borda posterior de uma zona frontal, quando o ar quente está avançando e substituindo o ar frio, define-se uma frente quente.

• Quando nenhuma das massas de ar está avançando, a frente é chamada frente estacionária

Quente

Frio

Zona Frontal

Frente QuenteZona Frontal

QuenteFrio

Frente Fria

Zona Frontal

Frente Estacionária

Quente

Frio

HN

Quente

Frio

Zona Frontal

Frente Quente

Zona Frontal

QuenteFrio

Frente Fria

Zona Frontal

Frente Estacionária

Quente

Frio

HS

QuenteFria

Fria

B

Oclusão

Frente Oclusa

T1

T2

T3

T4

T5

T6

T6 > T1

Advecção Térmica ≡ –VT

T

VT T

V

Advecção Fria

Advecção Quente

T

LFrio

Quente

HN

T1

T2

T3

T4

T5

T6

T6 > T1

Advecção Térmica ≡ –VT

T

V

T

T

V

Advecção Fria

Advecção Quente

T

L

Frio

Quente

HS

aa

b

b

• Dados de superfície, tais como os de vento, pressão, tendência de pressão, tempo e temperatura são úteis para localizar frentes numa carta de superfície.

• Estes parâmetros são indicadores melhores das frentes durante a tarde e nas primeiras horas da noite, ou seja, quando o aquecimento da Terra pelo Sol “misturou” quaisquer das inversões radiativas existentes no final da noite anterior.

• Durante as útimas horas da noite e primeiras horas da manhã, em algumas estações (possivelmente em virtude da topografia), os ventos podem ser calmos e, portanto, as temperaturas serem mais baixas do que se os ventos continuassem a soprar.

• Este efeito pode distorcer o campo de temperatura à superfície, dificultando a detecção de frentes fracas.

• Neste caso, a equação da espessura torna-se útil. Uma vez que a espessura é dependente da temperatura média da camada, escolhendo-se uma camada suficientemente espessa, as variações à superfície, tais como as descritas acima, não distorcerão o valor de Tm de modo apreciável. Assim sendo, a análise de espessura às 12 UTC é muito útil na análise de frentes à superfície.

Características Frontais• Frente Fria – o vento muda de norte/noroeste para

sudoeste, sudeste ou sul, acompanhado por um aumento de pressão e queda na temperatura e no ponto de orvalho. Precipitação convectiva pode ocorrer na vizinhança da frente.

• Frente Quente - ventos mudam de leste-sudeste, leste ou leste/nordeste para o norte or noroeste, geralmente acompanhado por um aumento na temperatura e umidade. Precipitação constante e neblina as vezes ocorrem antes da passagem de uma frente quente.

Frente Fria Climatologia para a América do Sul

• Durante o outono e inverno as frentes frias podem resultar em geadas em latitudes subtropicais.

• Frentes frias que se deslocam lentamente podem estar associada com chuvas fortes durante o ano

• Incursões de frentes frias em regiões subtropicais ocorrem durante todo o ano.

Critérios objectivos para passagens de Frente Frias

• Diminuicao na Temperatura em 925-hPa de pelo menos 2C

• Aumento na pressão do nível do mar de pelo menos 2 hPa

• 925-hPa vento ao sul de pelo menos 2 m/s

Climatologia de Frentes Frias: Número Médio Anual

Climatologia de Frentes Frias: Número

Médio Sazonal

Climatologia de Frentes Frias : Mensal

Climatologia de Frentes Frias : Mensal

Climatologia de Frentes Frias

Friagens “Cold-Air Outbreaks” – JFM 1979

Frentes Frias, baseado nos critérios objectivos (linhas pontilhadas)

Friagens “Cold-Air Outbreaks”– AMJ 1979

Frentes Frias, baseado nos critérios objectivos (linhas pontilhadas)

Friagens “Cold-Air Outbreaks”– JAS 1979

Frentes Frias, baseado nos critérios objectivos (linhas pontilhadas)

Friagens “Cold-Air Outbreaks”– OND 1979

Frentes Frias, baseado nos critérios objectivos (linhas pontilhadas)

Friagens “Cold-Air Outbreaks” - 1982

Friagens “Cold-Air Outbreaks” - 1985

Friagens “Cold-Air Outbreaks” - 1986

Friagens “Cold-Air Outbreaks” - 1991

Friagens “Cold-Air Outbreaks” - 1996

Eventos de Geada Subtropicais

• América do Sul e Sul da África• Maio a agosto• Condições necessárias• Evolução Sinótica• Impactos

Critérios para casos de geada no Brasil

• NCEP/NCAR Reanalysis Temperatura minima em 2 m (Tmin) < 3C

Região: 22.5-27.5S, 50-55W (inclui áreas agrícolas em partes

do sul e sudeste do Brasil)

Tmin para março a

setembro de 2000, 2001 e

2002

Geada Possível

Geada forte em muitas áreas

Nota: Precisa validar os dados de reanálise

1958 -------------

1959 15 Aug.

1960 21-23 May; 25 June

1961 15-17 June

1962 29-31 May; 17-18 July

1963 17-22 June; 5-6 Aug.

1964 29-30 June; 28 July

1965 11-12 July; 21-22 Aug.

1966 6-7 Aug.

1967 7-9 June; 23 July

1968 17 May

1969 10-11 July

1970 24 June; 9-10 Aug.

1971 13-14 June

1972 9-11 July

1973 -------------

1974 13 June; 17 Aug.

1975 8 June; 17-19 July

1976 15 Aug.

1977 17-18 May

1978 31 May-2 June; 13-15 Aug.

1979 31 May-1 June; 17-18 July

1980 26 June

1981 18-20 June; 19-21 July

1982 --------------

1983 --------------

1984 28 June; 26-27 Aug.

1985 7-8 June

1986 1 June

1987 17-19 June; 24 June

Possíveis casos de Geada (casos com Tmin < 0C estão em italica)

1988 1-2 June; 5-6 June; 25-26 July

1989 6-7 July

1990 22-23 May; 21-22 July; 28-31 July

1991 24 July; 2-4 Aug.

1992 20 July; 23-24 July

1993 8 July; 14-16 July; 31 July-2 Aug.

1994 25-28 June; 9-11 July; 4 Aug.

1995 ---------------

1996 29-30 June

1997 ---------------

1998 ---------------

1999 14-16 Aug.

2000 12-14 July; 17-21 July, 23 July

2001 20-22 June; 28 July; 17 Sep.

2002 1-3 Sep.

Possíveis casos de Geada (cont.)

Situação Sinótica - América do Sul

SLP (hPa) • Amplificado padrão de onda, com uma crista sobre o leste do Pacífico e um cavado sobre o Atlântico e sul do Brasil.

• Alta intensa na superfície atravessa as montanhas dos Andes e move-se para o norte na região subtropical da América do Sul.

Crista Cavado

Evolução

Forte impulso de ar frio para o norte ao longo das encostas leste dos Andes, as vezes cruza o equador.

Situação Sinótica – Sul da Africa

SLP (hPa)

CristaCavado

• Amplificado padrão de onda, com a crista sobre o leste do Atlântico e o cavado sobre o sul da África.

• Uma alta na superficie entra o sul da África e move-se para o norte sobre o continente.

Evolução

Evolução das características de grande escala no ar superior que levam a grandes friagens (cold air outbreaks) na América do Sul

• A amplificação de um padrão de onda longa sobre o Pacífico até 5 dias antes do evento

• Uma crista amplifica sobre o Pacífico leste e um cavado se intensifica sobre a América do Sul 2-3 dias antes do evento

• A crista atinge intensidade máxima sobre a ponta sul da América do Sul pouco antes do evento

• O gradiente de pressao entre a crista e o cavado rio abaixo sobre o Atlântico ocidental favorece o avanço norte do ar frio para latitudes subtropicais

Pontos de Referência para os Compostos

Reference PointPontos de Referência

Compostos baseados numa passagem frontal em 25S,

52.5W

Compostos para Julho: Anomalias de Altura

Geopotencial em 500-hPa (1979-2002, 62

casos)

Compostos para Julho: Anomalias de PNM

(1979-2002, 62 casos)

Compostos para Julho: Anomalias de T em

925 hPa(1979-2002, 62 casos)

Compostos para Julho: Anomalias de T em

925-hPa(1979-2002, 62 casos)

Compostos para Julho: Anomalias de PNM

(1979-2002, 62 casos)

SLP Anomalies

: 1-15 January

1994

Exemplo: janeiro de 1994

Precipitation: 1-15 January

1994

Exemplo: janeiro de 1994

Comp. para Julho Características em 30S, 52.5W

Lead Lag

Passagem frontal, indicada pela seta vermelha.

Características incluem:

• aumento em PNM

• queda de T925

• Vento de Sul

• queda da altura geopotencial em 500 hPa

• aumento em precip

Resfriamento começa antes da passagem frontal, provavelmente devido ao aumento de nebulosidade e precipitação.

Comp. Para Julho Características em 25S, 52.5W

Lead Lag

Passagem frontal, indicada pela seta vermelha.

Características incluem:

• aumento de PNM

• diminuição em T925

• Vento de Sul

• caindo 500-hPa geopotential

• aumento em precip

Julho Comp. Características em 20S, 52.5W

Lead Lag

Passagem frontal, indicada pela seta vermelha.

Características incluem:

• aumento de PNM

• queda de T925

• Vento de Sul

Julho Comp. Características em 15S, 52.5W

Lead Lag

Passagem frontal, indicada pela seta vermelha.

Características incluem:

• aumento de PNM

• queda de T925

• Vento de Sul

Evolução das características de grande escala no nível de superfície que levam a grandes friagens (cold air outbreaks) na América do Sul

• Sistema de alta pressão de superfície se intensifica no Pacífico leste próximo a 90W 3-5 dias antes do evento

• Ciclogênese de superfície ocorre sobre ou ao longo da costa leste da América do Sul 2-3 dias antes do evento

• A baixa na superficie se desloca para sudeste sobre o Atlântico e a alta se desloca para o norte sobre a América do Sul 1 dia antes do evento

• Pressão anomalamente alta ocorre entre 20S e 30S sobre o continente no momento do evento

Abril

Maio

Junho

Julho

Agosto

Setembro

Períodos Chuvosos no Sul do Brasil

Características de circulação composta para os casos de chuvas intensas no Sul do Brasil (SSBR, 28-31S, 51-54W e NSBR, 23-26S, 48-51W) incluem:

1. PNM anomalamente baixa na região2. Baroclinicidade reforçada sobre a região, indicando a

presença de uma zona frontal, e3. Circulação ciclônica anômala em baixas niveis sobre a região

As características são mais fortes durante o inverno e mais fracas durante o verão.

Compostos para Períodos Chuvosos: Janeiro

NSBR

SSBR

Compostos para Períodos Chuvosos: Fevereiro

NSBR

SSBR

Compostos para Períodos Chuvosos: Março

NSBR

SSBR

Compostos para Períodos Chuvosos: Abril

NSBR

SSBR

Compostos para Períodos Chuvosos: Maio

NSBR

SSBR

Compostos para Períodos Chuvosos: Junho

NSBR

SSBR

Compostos para Períodos Chuvosos: Julho

NSBR

SSBR

Compostos para Períodos Chuvosos: Agosto

NSBR

SSBR

Compostos para Períodos Chuvosos: Setembro

NSBR

SSBR

Compostos para Períodos Chuvosos: Outubro

NSBR

SSBR

Compostos para Períodos Chuvosos: Novembro

NSBR

SSBR

Compostos para Períodos Chuvosos: Dezembro

NSBR

SSBR

Compostos para Períodos Chuvosos: Janeiro

Alto Níveis

Baixo Níveis

SSBRSSBR

Compostos para Períodos Chuvosos: Fevereiro

SSBRSSBR

Alto Níveis

Baixo Níveis

Compostos para Períodos Chuvosos: Março

SSBRSSBR

Alto Níveis

Baixo Níveis

Compositos para Períodos Chuvosos: Abril

SSBRSSBR

Alto Níveis

Baixo Níveis

Compositos para Períodos Chuvosos: Maio

SSBRSSBR

Alto Níveis

Baixo Níveis

Compositos para Períodos Chuvosos: Junho

SSBRSSBR

Alto Níveis

Baixo Níveis

Compostos para Períodos Chuvosos: Julho

SSBRSSBR

Alto Níveis

Baixo Níveis

Compostos para Períodos Chuvosos: Agosto

SSBRSSBR

Alto Níveis

Baixo Níveis

Compostos para Períodos Chuvosos: Setembro

SSBRSSBR

Alto Níveis

Baixo Níveis

Compostos para Períodos Chuvosos: Novembro

SSBRSSBR

Alto Níveis

Baixo Níveis

Compostos para Períodos Chuvosos: Dezembro

SSBRSSBR

Alto Níveis

Baixo Níveis

Períodos Chuvosos no Sul do Brasil

• Características da circulação média para os casos de chuvas intensas no Sul do Brasil (SSBR, 28-31S, 51-54W e NSBR, 23-26S, 48-51W) incluem:

– Distúrbios baroclínicos em latitudes médias (sistemas de baixa pressão na superficie, frentes frias, etc.) são as principais causas da precipitação de inverno na região.

– Esses distúrbios também são mecanismos importantes para a produção de chuvas durante o verão.

JJA Fronts 30S, 52.5W: JJA 1979, 1980

JJA Fronts 30S, 52.5W: JJA 1981, 1982

JJA Fronts 30S, 52.5W: JJA 1983, 1984

JJA Fronts 30S, 52.5W: JJA 1985, 1986

JJA Fronts 30S, 52.5W: JJA 1987, 1988

JJA Fronts 30S, 52.5W: JJA 1989, 1990

JJA Fronts 30S, 52.5W: JJA 1991, 1992

JJA Fronts 30S, 52.5W: JJA 1993, 1994

JJA Fronts 30S, 52.5W: JJA 1995, 1996

JJA Fronts 30S, 52.5W: JJA 1997,

1998