Variabilidade Intrasazonal no Verão: Modulação pela Variabilidade Interdecadal



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Variabilidade Intrasazonal no Verão: Modulação pela Variabilidade Interdecadal
Simone Erotildes Teleginski Ferraz 1
Alice Marlene Grimm 2
Abstract: The study of the intraseasonal variability of the summer precipitation of summer in Brazil and South America is of great utility because this is the rainy season over most of this region. Characterizing this variability is important for several applications, spanning from availability of water and hydroelectric energy to agriculture, and can indicate procedures that allow its prognostic. In this way, the objective of this work is to analyze the intraseasonal variability of the precipitation of summer in Brazil and South America, and its modulation by interdecadal variability. An observational study was carried out to detect the main variability patterns of the summer precipitation in three distinct periods (1965 - 1998, 1965 - 1975 and 1975 - 1998).


Resumo: O estudo da variabilidade intrasazonal da precipitação de verão no Brasil e Sul da América do Sul, é de grande utilidade porque essa é a estação chuvosa na maior parte desta região. A caracterização desta variabilidade é importante para várias aplicações, da disponibilidade de água e energia hidroelétrica à agricultura, e pode indicar procedimentos que permitam seu prognóstico. Deste modo, o objetivo deste trabalho é analisar a variabilidade intrasazonal da precipitação de verão no Brasil e Sul da América do Sul e também a sua modulação pela variabilidade interdecadal. Para tal, foi realizado um estudo observacional para detectar os principais padrões que regem a precipitação de verão em três períodos distintos (1965 – 1998, 1965 – 1975 e 1975 – 1998).



Palavras chave: variabilidade intrasazonal, variabilidade interdecadal, verão, América do Sul.

INTRODUÇÃO

Em grande parte da América do Sul a estação chuvosa ocorre no verão. Durante esta estação, contudo, a precipitação pode sofrer significativas oscilações, passando por fases secas e úmidas. Tais oscilações tem impacto sobre a agricultura, a disponibilidade de recursos hídricos e a geração de energia elétrica, entre outros setores. Muito importante também, é o impacto que fases úmidas extremas podem ter sobre os grandes centros urbanos, causando enchentes e deslizamentos.



A mais conhecida oscilação na banda intrasazonal é a Oscilação de Madden e Julian (OMJ). A oscilação de 40-50 dias foi assim denominada por Madden e Julian (1971). Este tipo de oscilação, consiste de células de circulação de grande escala, orientadas no plano equatorial, que se movem para leste, do Oceano Índico para o Pacífico Central. Segundo Madden e Julian (1994), o limite de 40-50 dias para a oscilação é apenas uma aproximação para os períodos em que os processos físicos ocorrem.

Vários estudos revelaram aspectos interessantes relacionados à variabilidade intrasazonal das chuvas de verão no Brasil (especialmente no Sul e Sudeste) e sul da América do Sul. Casarin e Kousky (1986) mostraram que a oscilação das anomalias de radiação de onda longa emergente (ROLE) entre Sul e Sudeste/Nordeste do Brasil está associada ao deslocamento para leste de anomalias negativas de ROLE nos subtrópicos do Hemisfério Sul e a uma relação entre a Zona de Convergência do Pacífico Sul (ZCPS) e da Zona de Convergência do Atlântico Sul (ZCAS), sugerindo uma defasagem de 15 dias entre causa e efeito. Ghill e Mo (1991) examinaram a sistemática dos modos oscilatórios na atmosfera global no Hemisfério Sul. No Hemisfério Sul o modo dominante tem um período de 23 dias, e tem a estrutura do número de onda zonal 4. O modo de 40 dias é secundário e dominado pelos números de onda 3 e 4. Eles concluíram que a dinâmica da oscilação intrasazonal no Hemisfério Sul é mais complexa e dominada por grandes números de onda comparando com o Hemisfério Norte. Paegle e Mo (1997) e Paegle et al. (2000) mostraram um modo de variabilidade intrasazonal que apresenta alternância de condições secas e úmidas sobre a América do Sul tropical e subtropical. Esse modo apresenta picos espectrais de 22/28 dias e 36/40 dias. Tanto Casarin e Kousky (1986) como Paegle e Mo (1997) sugerem que o dipolo oscilante de precipitação Sul-Sudeste seja relacionado a OMJ. Vincent et al. (1998) mostraram que nos Oceanos Índico e Pacífico (até a linha de data) os picos significativos de ROLE na banda 30-60 dias estão confinados a uma faixa latitudinal de 20º centrada no equador. Por outro lado, sinais significativos na banda 6-30 dias distribuem-se em torno dos paralelos 20º em cada hemisfério e se estendem para sul nas proximidades da ZCPS. A máxima atividade ocorre durante o verão austral, quando a atividade de ondas de latitudes médias penetra na região da SPCZ (Schrage e Vincent, 1996). Um comportamento semelhante tende a ocorrer sobre a América do Sul. Freitas (1998) identificou a periodicidade nas séries de precipitação para os períodos de inverno e verão. Picos significativos de 2,7 e 3,0 meses apareceram no período do verão. Este resultado é concordante com o encontrado por Lau e Chan (1983) que, utilizando dados de ROLE, encontraram oscilações com períodos de 2-3 meses associados à transição entre períodos secos e úmidos decorrentes da oscilação quase estacionária na circulação de Walker. Kidson (1999) analisou os principais modos de variabilidade de baixa freqüência no Hemisfério Sul e observou que cobrem um período típico de 10/50 dias. Os modos preferenciais de variação são estacionários ou são trens de onda que se propagam para leste, confinados entre 40S - 60S, onde o jato polar atua como um guia de onda durante o verão. Liebmann et al. (1999) calcularam o espectro de ROLE na ZCAS e encontraram picos espectrais na banda intrasazonal. Ferraz (2000) analisou as oscilações intrasazonais no Sudeste do Brasil e Sul da América do Sul, e encontrou um maior número de picos significativos na banda 7/20 dias no Sul da América do Sul, e predominância de picos nas bandas 21/35 dias e 36/70 dias no Sudeste e Nordeste do Brasil. Vitorino (2002) utilizando transformada em ondeleta mostrou que as características atmosféricas associadas as oscilações intrasazonais, apresentam uma grande variedade em todo o Brasil. Mostrou que na região da ZCAS as oscilações de ROLE são intensas nas bandas de 20-30, 10-20, 30-90 e 2-10 dias, por ordem de magnitude de energia de ROLE. No Nordeste Brasileiro, a banda de 10-20 dias é a principal banda de ROLE e que está relacionada com os Vórtices Ciclônicos de Altos Níveis. Na Amazônia aparece com maior destaque períodos de 3 a 5 dias. No Sul do Brasil a banda dominante de ROLE e de pressão ao nível do mar (PNM) é a de alta freqüência (2-10 dias) que aparece durante quase o ano todo, surgindo também um sinal de 30-90 dias na ROLE (fraco e ocorre no verão) e na PNM (intenso no inverno).

O objetivo deste trabalho é analisar a variabilidade intrasazonal da precipitação de verão no Brasil e Sul da América do Sul e também a sua modulação pela variabilidade interdecadal. Para tal, será realizado um estudo observacional que permita detectar os principais padrões que regem a precipitação de verão em três períodos distintos (1965 – 1998, 1965 – 1975 e 1975 – 1998).




DADOS

Estudos prévios sobre variabilidade intrasazonal da precipitação na América do Sul utilizaram a variabilidade da ROLE para representar a variabilidade da precipitação, o que é um recurso satisfatório na faixa tropical, mas pode ser impreciso em regiões extratropicais. A utilização de dados observados de precipitação permite uma avaliação mais realista das oscilações da precipitação. Há alguns estudos (por exemplo, Paegle et al. (2000), Liebmann et al., 1999, e outros) que utilizaram dados de ROLE para este fim. Porém há algumas limitações no uso de dados de ROLE para se estimar a precipitação. Por exemplo, nuvens do tipo cirrus, não precipitantes, por serem muito altas também podem indicar baixo valor de ROLE e podem levar a uma superestimativa da precipitação (Silva Dias e Marengo, 1999). Portanto, nesse trabalho, serão utilizados dados medidos de chuva para as análises.



Dados utilizados

Os dados de precipitação utilizados compreendem todos os Estados do Brasil, e dos países vizinhos Argentina, Paraguai e Uruguai, no período máximo de 1965 a 1998. Esses dados foram cedidos pela Agência Nacional de Águas (ANA), pelo Departamento de Energia Elétrica do Estado de São Paulo (DAEE) e pelos Serviços Nacionais do Paraguai, Uruguai e Argentina.

Para se evitar a influência da grande heterogeneidade da distribuição espacial dos dados de precipitação (figura 1), séries médias foram calculadas em regiões de 1,25° x 1,25° (figura 2).






FIGURA 1: Dados diários de precipitação.

FIGURA 2: regiões médias de precipitação diária.

Além disso, muitas das estações utilizadas nas composições das regiões médias apresentaram lacunas nos dados, que necessitariam preenchimento prévio. Os dados faltantes das estações não foram substituídos pelos valores climatológicos, pois isso alteraria as características das oscilações em torno da média. O preenchimento utilizado foi baseado nas regiões vizinhas e está descrito em Ferraz (2000).


METODOLOGIA

Densidade Espectral de Potências

A função densidade espectral de potências é útil para detectar periodicidades numa série temporal, ou seja, a presença de ciclos ou oscilações e suas freqüências. Uma das maneiras de se calcular a densidade espectral de potências consiste em usar o Teorema de Wiener Khinchin, do qual resulta que a função densidade espectral é a transformada de Fourier da função de autocovariância:



(1)

(2)

Para N dados discretos, obtidos em intervalos t, o estimador da função de autocovariância é:



(3)

sendo r = 0,1,..., m, sendo m

O estimador da densidade espectral é dado por:

(4)

com k = 0,1, ..., m

A grande variância deste estimador pode ser reduzida pela introdução de uma janela temporal. O deslocamento máximo (“lag”) m no cálculo da autocovariância influencia a resolução da densidade espectral. Quanto menor for m, menor será a largura da base da janela temporal (e maior a largura da base da correspondente janela espectral) e menor será a variância do estimador. No entanto, o estreitamento da base da janela temporal provoca uma distorção sempre maior entre o valor estimado da densidade espectral e o valor verdadeiro. É necessário buscar um equilíbrio entre variância e poder de resolução, (Jenkins e Watts, 1968).

Nível de significância estatística

A estatística associada com cada estimativa da densidade espectral, que será usada no cálculo da significância estatística da diferença em relação à hipótese nula, é a razão entre a estimativa espectral e o correspondente valor da função teórica da hipótese nula. Esta razão tem distribuição 2 (qui-quadrado) dividida pelo número de graus de liberdade () (Michell et al., 1971; Jenkins et al., 1968). Sendo assim, pode-se determinar os limites de confiança da diferença de cada estimativa do espectro obtido em relação a hipótese nula, através da utilização de uma tabela da distribuição 2, dividindo os valores correspondentes aos limites de significância desejados por  e multiplicando esses valores pelos valores da função da hipótese nula. O número de graus de liberdade  é obtido através da expressão:



(5)

sendo N é o número de dados da série e m é o “lag” utilizado.

Neste caso, foi escolhido o espectro de ruído vermelho para representar a hipótese nula.

Filtro de Lanczos

A fim de se reter apenas a variabilidade intrasazonal, as séries foram filtradas utilizando-se o filtro de Lanczos (Duchon, 1979) para a banda de 2/100.

A função do filtro de Lanczos é transformar uma seqüência de dados de entrada em uma seqüência de dados de saída usando uma relação linear.

(6)

A relação entre a entrada (X(f)) e a (Y(f)), é obtida se calcularmos a transformada de Fourier de (6):



(7)

sendo R(f) a função resposta de freqüência.

A função peso e a função resposta formam um par de transformadas de Fourier:

(8)
(9)

k = ...,-1,0,1,...,

sendo  o intervalo de amostragem e fn a freqüência de Nyquist com valor de 1/2 ciclo por intervalo de amostragem.

A função peso para o filtro passa-banda é dada por:



(10)

sendo fc1 e fc2 os limites das freqüências que serão mantidas.

O número mínimo de pesos requerido para o filtro passa-banda de Lanczos é dado por:

(11)

Conforme visto em Ferraz (2000) um número maior de pesos que o mínimo necessário produz uma função resposta mais próxima da janela retangular ideal que se deseja. O efeito indesejável de um maior número de pesos é a perda de um maior número de dados nas extremidades da série a ser filtrada. Nas análises realizadas nesse estudo foram utilizados 221 pesos.



RESULTADOS




Freqüências da variabilidade intrasazonal

As regiões médias, foram filtradas na banda 2-100 dias e a seguir foi retirado dessas séries apenas o período do verão (o verão nesse estudo compreende o período de novembro a março). Esses verões individuais foram unidos consecutivamente e foi calculada a densidade espectral de potências. Após esse cálculo foram contados o número de ciclos significativos para as bandas de 2/10 dias, 10/20 dias, 20/30 dias e 30/70 dias. A figura 3 apresenta um exemplo de como essa contagem é feita, nesse caso a região em questão apresentou 11 ciclos significativos na banda 2/10 dias, 1 na banda 10/20 dias, 2 na banda 20/30 dias e 5 na banda 30/70 dias. Essa análise foi realizada para 3 períodos diferentes, 1965-1998, 1965-1975 e 1975-1998. Muitos estudos indicam que houve variação climática durante a década de 70. Essa separação em diferentes períodos poderá indicar qual a mudança ocorrida em relação à variabilidade da chuva. Esses resultados são apresentados nas figuras 4.





FIGURA 3: Exemplo da contagem de ciclos significativos.

Na figura 4a-c têm-se a contagem de ciclos significativos para a banda 02/10 dias. Os valores na barra de cores correspondem à quantidade de ciclos significativos encontrados em cada região, conforme a contagem acima. Valores em cinza significam que naquela região não houve nenhum ciclo significativo para a banda em questão. Pode-se observar na figura 4b que os maiores valores se agrupam no Nordeste e Sul da América do Sul. Valores significativos na região Amazônica concordam com o mostrado em Carvalho et al. (2002), que identificou picos significativos na banda entre 2/10 dias para uma região em Rondônia. Comparando as figuras de 1965/1975 (4a) e 1975/1998 (4c) pode-se notar uma significativa mudança no número de ciclos significativos na região da Bahia e norte da Argentina (aumento após a década de 70) e sul da Argentina (diminuição após a década de 70). Analisando o período completo, observa-se que os maiores valores são devidos, principalmente a ocorrência de uma quantidade maior de ciclos significativos pós década de 70.

Nas figuras 4 d-f têm-se a contagem para a banda 10/20 dias. Pode-se observar um maior número de ciclos significativos na região da Bahia, sul do Brasil e nordeste do Brasil. Comparando as figuras para 1965/1975 e 1975/1998 (4e-4f) observa-se que os maiores valores no norte do Nordeste são principalmente devidos a 1965/1975 e os valores no sul e extremo sul do Nordeste são devidos a 1975/1998.

Nas figuras 4g-i têm-se a contagem para a banda 20-30 dias. Observa-se que os maiores valores se concentram no sudeste e nordeste do Brasil. Esses resultados concordam com Paegle et al. (2000) que mostrou um modo de variabilidade (seu modo 22) com picos significativos nessa banda para região semelhante. Poucos valores significativos são encontrados na região sul, e esses são principalmente devidos a 1975/1998 (figura 4 i). Alguns ciclos significativos também são encontrados na Argentina, aparecendo nos dois períodos em separado. No sudeste e sul do nordeste o aspecto mais marcante é a mudança de posição dos maiores valores comparando os dois períodos em separado. Enquanto que no período de 1965/1975 a maior ocorrência era sobre a Bahia e noroeste do Nordeste, no período de 1975/1998 houve um deslocamento para o oeste.



Os resultados para a banda 30/70 dias são apresentadas nas figuras 4j-l. Nessa banda os maiores valores se encontram um pouco mais ao norte do que os encontrados na banda 20/30 dias. Na figura 4 k (1965/1998) observa-se uma maior quantidade de ciclos nas regiões Nordeste e Central e alguns poucos valores altos no Uruguai e Argentina. Isso concorda com trabalhos que mostram um modo de variabilidade nessa banda de freqüência. Carvalho et al. (2002) também encontrou um forte pico (em ROLE) em torno de 36 dias para o norte do Pará. Altos valores em torno de 20°S também estão de acordo com o mostrado em Liebmann et al. (1999). Comparando as figuras para os períodos distintos (4j-4l) observa-se, no período pós-década de 70 um deslocamento dos ciclos significativos do Sul do Brasil para o Uruguai e Argentina e uma expansão da região com ciclos significativos no Nordeste, no Sudeste e Centro do Brasil (houve um aumento nas outras bandas, no Sul do Brasil).


c



b



a









e



f



d









h



i



g









l



j



k








FIGURA 4 : Número de ciclos significativos: Banda 02/10 dias: a) 1965/1975, b) 1965/1998 e c) 1975/1998; Banda 10/20 dias: d) 1965/1975, e) 1965/1998 e f) 1975/1998; Banda 20/30 dias: g) 1965/1975, h) 1965/1998 e i) 1975/1998 e Banda 30/70 dias: j) 1965/1975, k) 1965/1998 e l) 1975/1998.

Contribuição à variância

Para verificar quanto cada banda de freqüências contribui à variabilidade de cada região, foi feito o cálculo da variância das séries filtradas nas bandas 2/10 dias, 10/20 dias, 20/30 dias, 30/70 dias e 10/100 dias. Na figura 5 será apresentada a razão entre a variância de cada uma dessas bandas e a variância da banda intrasazonal total (10/100 dias). Além disso será novamente comparado a diferença da variância pós e pré década de 70.


Nas figuras 5a-c pode-se observar que a variância na banda 2/10 dias é muito importante na região Norte e sul da América do Sul e a intrasazonal (“mancha” em roxo) adquire mais importância no Sudeste, Centro e Nordeste do Brasil. Analisando os dois períodos distintos (5a – 5c) a principal mudança ocorreu no Nordeste Brasileiro, entre 1965/1975 a variabilidade intrasazonal nessa região era mais importante que a sinótica, após a década de 70 houve uma inversão dessa situação.

Nas figuras 5 d-f a contribuição da variância na banda 10/20 dias à variância intrasazonal parece mais importante nas regiões norte, centro-oeste e sul da América do Sul, e menores valores no norte do Sudeste, Centro e Nordeste do Brasil, conforme já havia sido observado na análise espectral. Comparando os dois períodos (5d - 5f) a principal mudança ocorreu na parte leste do Norte do Brasil e na parte norte do Nordeste . Antes da década de 70 a contribuição na banda 10/20 dias era a mais importante nessa região e pós década de 70 a intrasazonal passou a ser a mais importante. Por outro lado, houve um acréscimo na parte norte da Região Sul.



Nas figuras 5 g-i é apresentada a contribuição da banda 20/30 dias. Nessa banda de variabilidade a contribuição é relativamente grande na região da ZCAS. Comparando as figuras 5h – 5i, pode-se observar que houve grande variação na distribuição espacial da contribuição dessa banda entre os períodos 1965/1975 e 1975/1998. No primeiro período a contribuição era pequena no Sul do Brasil e grande no sul do Nordeste, no segundo período ela aumenta no Sul e diminui significativamente no Nordeste Os resultados da banda 30/70 dias são apresentados nas figuras 5 j-l e, como já visto na densidade espectral, a contribuição é mais importante na região Sudeste (abaixo de 20°S) e norte do Nordeste, em relação à banda intrasazonal completa (10/100 dias). Os resultados para os 3 períodos são semelhantes, exceto na região Sul, que apresenta uma variância alta no período de 1965/1975 que diminui após a década de 70.



c



b



a









e



f



d









h



i



g









l



j



k








FIGURA 5 : Razão da variância entre a banda especificada (em negrito) e a banda 10/100 dias: Banda 02/10 dias: a) 1965/1975, b) 1965/1998 e c) 1975/1998; Banda 10/20 dias: d) 1965/1975, e) 1965/1998 e f) 1975/1998; Banda 20/30 dias: g) 1965/1975, h) 1965/1998 e i) 1975/1998 e Banda 30/70 dias: j) 1965/1975, k) 1965/1998 e l) 1975/1998.

ConclusÃO

Tanto da análise espectral (número de ciclos significativos) quanto da análise de variância (razão entre as várias bandas e a banda intrasazonal de 10/100 dias), pode-se concluir que a variabilidade da precipitação apresentou significativas mudanças após a década de 70, e que essas mudanças foram mais significativas na região Sul e no norte do Nordeste (em geral).

Na banda sinótica (2/10 dias), pode-se notar uma significativa mudança no número de ciclos significativos na região da Bahia e norte da Argentina (aumento após a década de 70) e sul da Argentina (diminuição após a década de 70). Na análise de variância observou-se que essa banda é mais importante nas regiões norte e sul da América do Sul. Observou-se, também, que a principal mudança ocorreu no norte do Nordeste Brasileiro, onde a variabilidade intrasazonal parecia ter mais importância na década 1965/1975.

Para a banda 10/20 dias pode-se observar um maior número de ciclos significativos no Norte, Centro-Oeste, Sul e parte do Nordeste do Brasil. Comparando o período de 1965/1975 e 1975/1998 observa-se que os maiores valores no norte do Nordeste são principalmente devidos a 1965/1975 e os valores no Sul e Sudeste são devidos a 1975/1998. A análise da variância nesta banda também revela contribuição mais importante nessas regiões e os menores valores se encontram no norte do Sudeste e parte do Nordeste do Brasil. A principal mudança ocorreu na parte leste do Norte do Brasil e na parte norte do Nordeste . Houve uma forte diminuição na contribuição da banda 10/20 dias depois de 1975. Por outro lado, houve um acréscimo na parte norte da Região Sul.

Para a banda intrasazonal de 20/30 dias o maior número de picos significativos se concentra no Sudeste e Nordeste do Brasil, notadamente no período 1965/1975. No sudeste e sul do Nordeste o aspecto mais marcante é a mudança de posição dos maiores valores comparando os dois períodos em separado. Enquanto que no período de 1965/1975 a maior ocorrência era sobre a Bahia e noroeste do Nordeste, no período de 1975/1998 houve um deslocamento para o oeste. A análise da contribuição à variância mostrou valores relativamente altos na região da ZCAS, com grande variação na distribuição espacial da contribuição dessa banda em outras regiões entre os períodos 1965/1975 e 1975/1998. No primeiro período a contribuição era pequena no Sul do Brasil e grande no sul do Nordeste, no segundo período ela aumenta no Sul e diminui significativamente no Nordeste.

E finalmente, para a banda intrasazonal de 30/70 dias observa-se uma maior quantidade de ciclos na região Nordeste e alguns poucos valores altos no Uruguai e Argentina. Nota-se, no período pós-década de 70 um deslocamento dos ciclos significativos do Sul do Brasil para o Uruguai e Argentina e uma expansão da região com ciclos significativos no Nordeste, no Sudeste e Centro do Brasil. Este deslocamento também é notado na análise da contribuição à variância intrasazonal.

É, portanto, claro que variações interdecadais produzem alterações nos padrões de variabilidade intrasazonal, em termos de contribuição à variância da precipitação e os padrões de variabilidade nas várias bandas de freqüência.
AGRADECIMENTOS
SETF agradece ao auxílio da CAPES, este trabalho contou com o suporte do CNPq e Inter - American Institute for Global Change Research (CRN-055)


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1 Universidade de São Paulo – Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas.

Rua do Matão 1226. Fone: (11) 30912833, Fax: (11) 30914714. E-mail: simonefe@model.iag.usp.br




2 Universidade Federal do Paraná – Departamento de Física. E-mail: grimm@fisica.ufpr.b

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