Processos termodinâmicos e hidrodinâmicos no oceano Atlântico Tropical Sudoeste

Abstract

Resumo: O Atlântico tropical é uma região de extrema complexidade termodinâmica. Os fluxos de massa e energia que ocorrem na interface ar-mar como também os que ocorrem na camada de mistura, são capazes de influenciar e serem influenciados pela dinâmica oceânica, também bastante complexa. Na região equatorial, um complexo sistema de correntes e contra correntes, somados a ocorrência de processos como a divergência de Ekman e ressurgência equatorial, sob um regime de ventos oscilante e com a presença de ondas de instabilidade faz com que a variabilidade nesse meio seja identificável em uma ampla gama de escalas (espacial e temporal). A medida que nos afastamos do equador essa complexidade diminue, entretanto, muitos desses fenômenos continuam ocorrendo sobre os giros tropicais (norte e sul) e ao longo das regiões costeiras, sobretudo com a atuação das correntes de contorno (leste e oeste). Do ponto de vista termodinâmico o Atlântico tropical (AT) tem sido estudado em seus diversos modos de variabilide com grande preocupação voltada aos fenômenos que tem impacto sobre o clima regional e global. Diversos estudos focaram para o entendimento dos modos de variabilidade da temperatura da superfície do mar (TSM) e suas implicações para o regime de chuvas sobre os continentes Americano e Africano. Hodiernamente, não só as variações de TSM têm sido consideradas, mas muitos pesquisadores também voltam seus esforços para avaliações do conteúdo térmico armazenado na camada superior, como forma de obter uma avaliação mais completa do real estado termodinâmico nessa camada. Levando em consideração que embora a maioria destes estudos se preocupou em mensurar a variabilidade dos fenômenos atuantes no AT e como esta variabilidade tem forçado os oceanos, pouco se fez a respeito de buscar um entendimento profundo das causas de tal variabilidade termodinâmica. A presente tese estudou os processos termodinâmicos sobre o AT, avaliando os termos individuais que resultam na tendência de temperatura dentro da camada de mistura, com foco para anomalias quentes que possam estar ligadas a eventos meteorológicos sobre os continentes adjacentes. Foram abordadas neste estudo as escalas sazonal e interanual. Para avaliação dos processos termodinâmicos no AT, foram utilizadas duas simulações numéricas. As simulações utilizaram o modelo Regional Ocean Modeling System (ROMS), ambas com resolução horizontal de 1/6o (~ 18 km) e alta concentração de pontos verticais na camada superior do oceano, focando na melhor reprodução da camada de mistura. A primeira simulação, com forçantes climatológicos foi utilizada para avaliação dos processos sazonais com foco para eventos quentes sobre o Atlântico tropical sudoeste. A outra simulação, com forçantes interanuais, simulou os anos de 2000 a 2010, onde foram avaliados o desenvolvimento da piscina quente do Atlântico tropical sudoeste (PQATSO), suas distinções em relação à piscina quente equatorial (PQE) e a avaliação das anomalias quentes e frias no AT. A avaliação sazonal do desenvolvimento da PQATSO revelou que o forçante superficial (fluxo de calor líquido) é o principal termo responsável pelo seu aparecimento e extinção no outono austral. Na escala interanual esse padrão foi mantido, considerando que o sinal sazonal é preponderante no AT. Entretanto, a termodinâmica da piscina quente sobre o atlântico tropical sudoeste foi avaliada de 2000 a 2010, e mostrou que durante os meses de Março, Abril e Maio, quando as águas quentes da PQATSO usualmente se encontram fundidas com as águas quentes da PQE, duas áreas distinguíveis, dinâmica e termodinamicamente, foram encontradas. Embora pela simples avaliação da TSM sobre essa região, tendo como limite de identificação da piscina quente a isoterma de 28 oC, seja difícil apontar qualquer diferenciação entre áreas. Avaliando a profundidade da camada de mistura, profundidade da isoterma da piscina quente e conteúdo térmico dentro da camada de mistura, duas regiões distintas termodinâmicamente foram apontadas. Com essa abordgem, foi possível diferenciar a PQATSO da PQE, mesmo durantes os meses em que essas águas quentes se encontram fundidas na superfície do oceano. A PQATSO possui uma profundidade da camada de mistura maior do que a PQE, conferindo também maior conteúdo térmico dentro dessa camada. Essas diferenças são atribuídas ao regime de ventos diferenciado entre as duas regiões nessa época do ano, que implica em diferentes configurações do fluxo líquido de calor para cada região. Os termos oceânicos de tendência da temperatura também apresentaram diferentes configurações entre essas duas regiões. Enquanto a advecção horizontal é mais importante para a PQATSO a difusão vertical é preponderante no oceano para a PQE. As tendências interanuais da temperatura dentro da camada de mistura foram avaliadas de 2000 a 2010. Nesse perído foi notado que na região equatorial os termos oceânicos são mais importantes do que nas regiões mais afastadas, próximas aos trópicos. Nessa região o termo forçante superficial é dominante como também na região sudoeste próximo à costa Brasileira. Os termos oceânicos verticais (controlados pela difusão vertical) e advectivos horizontais foram preponderantes em proporcionar um balaço ao forçante superficial (atmosférico), entretanto um padrão de distribuição espacial dos termos oceânicos foi mais difícil de ser identificado, sendo que cada região avaliada, apresentou peculiaridades.

Abstract: The tropical Atlantic is a region of a very complex thermodynamics. The mass and energy fluxes which occur over the air-sea interface as well as inside the mixed layer are able to influence and be influenced by the ocean dynamics. At the equatorial region, a complex system of currents and counter currents, added to other processes like the Ekman divergence and equatorial upwelling, under influence of an oscillatory winds system and the presence of instability waves, makes the variability in this region can be identified over a wide range of scales (spatial and temporal). As we move away from the equator, this complexity decreases, however, some of these phenomena keep happening inside the tropical gyres (north and south) and along the coastal regions, mostly over the action of the boundary currents (east and west). From the thermodynamic point of view, the tropical Atlantic (TA) has been studied in its various variability modes, presenting a huge concern to the phenomena whose effects reflect over the regional and global climate. Many studies have focused on understanding the variability modes of the sea surface temperature (SST) and its implications to the rainfall regime over the American and African continents. Nowadays, not only the SST variations has been considered, but many researchers also focused their efforts to evaluations of the heat content stored over the upper layer, as a more complete way to obtain the real thermodynamic state of this layer. Considering that most of these studies were concerned in to measure the variability of the acting phenomena over the TA and how this variability has forced the oceans, little has been done about to pursuit a deep understanding of the causes of such thermodynamic variability. This thesis studied the thermodynamic processes over the TA, evaluating the individuals terms which result in the temperature trend inside the mixed layer, we focused on the warm anomalies that can be linked to the meteorological events over the surrounding continents. The approach used in this study comprehends the seasonal and interannual time scales. To perform the evaluation of the thermodynamics processes over the TA, it was used two numerical simulations. The model used in the simulations was the Regional Ocean Modeling System (ROMS), and both simulations with 1/6o (~ 18 km) of horizontal resolution and with a high resolution of vertical points inside the upper ocean, to better reproduce the mixed layer. The first simulation, climatologically forced, it was performed to evaluate the seasonal processes focusing on the warm events over the southwestern tropical Atlantic. The other simulation, interannual forced, simulate the years from 2000 to 2010, to perform evaluations of the southwestern tropical Atlantic warm pool (SWTAWP) evolution, possible distinctions between the SWTAWP and the equatorial warm pool (EWP), and the evaluation of the warm and cool anomalies over the TA. The seasonal evaluation of the SWTAWP evolution showed that the surface forcing (net heat flux) is the main term responsible to the appearance and extinction of the warm pool during the austral autumn. At the interannual time scale, this pattern it was also verified, especially considering that the seasonal cycle is preponderant over the TA. The SWTAWP thermodynamics was evaluated from 2000 to 2010, results showed that during the months of March to May, when the warm waters of the SWTAWP are usually verified merged at surface with the EWP waters, two distinguished regions, thermodynamically and dynamically, were founded. Although through a simple SST evaluation over this region, considering the 28oC isotherm as a threshold value to the warm pool identification, it is hard to point out any distinction between these areas. Evaluating the mixed layer depth, the depth of the threshold isotherm of warm pool and the heat content inside the mixed layer, two thermodynamic distinguished regions were pointed out. Through this approach, it was possible differentiate the SWTAWP and EWP, even during the months that the warm waters are merged over the ocean surface. The SWTAWP has a larger mixed layer depth when compared with the EWP, resulting in higher heat content inside this layer. These differentiations were attributed to different strength of the winds over these two regions at this time of the year, which implies in different configurations of the net heat flux to each region. The oceanic temperature terms also showed different configurations between these two regions. While the horizontal advection is most important oceanic term to the SWTAWP, the vertical diffusion is the preponderant term to the EWP. The interannual temperature trends inside the mixed layer were evaluated from 2000 to 2010. During this period it was noted that over the equatorial region the oceanic terms are more important than the regions away from equator, near the tropics. Over these last regions, the surface forcing term is preponderant as well over the southwestern tropical Atlantic, near the Brazilian coast. The oceanic vertical terms (controlled by the vertical diffusion) and the horizontal advection terms, were responsible to develop the role to balance the surface forcing term (atmospheric term), however, is difficult to point out a clear pattern of the terms distribution for each region, considering that each region presented peculiarities.