Ciclogêneses e Ciclones Extratropicais sobre o Sudeste da América do Sul

Estrutura das Nuvens nas Imagens de Satélite

Em 1972, Troup e Streten apresentaram um modelo conceitual sobre padrões de nuvens em ciclones extratropicais sobre o Hemisfério Sul. Neste modelo, as nuvens associadas com os ciclones apresentam 5 estágios, como mostrado na figura abaixo. Na ilustração, W indica um estágio de onda; A, o estágio de formação; B, o estágio de formação avançado; C, o estágio maduro e Dx/Dy, o estágio de dissipação.

Na América do Sul, o padrão das nuvens nos ciclones, desenvolvidos perto da costa leste do continente, difere ligeiramente daquele do modelo de Troup e Streten (1972) e também do proposto pela Escola Norueguesa (Bjerknes e Solberg, 1922). A maioria das ciclogêneses ocorre quando um cavado ou um vórtice ciclônico de altos níveis cruza a Cordilheira dos Andes. Neste caso, uma banda de nuvens se desenvolve corrente abaixo do cavado. O estágio de formação do estágio W é, portanto, raro perto da costa leste da América do Sul. Em outras palavras, os sistemas iniciam com caraterísticas do estágio A.

Contudo, uma vez que o cavado cruza o Andes, podemos observar ventos catabáticos secos que descem do lado sotavento das montanhas. O ar é aquecido pela compressão adiabática (vento de Foehn), embora o aumento da temperatura não reduz suficientemente a pressão na superfície para formar um ciclone. A advecção de ar quente é mais importante para a ciclogênese.

Esquema dos padrões de nuvens associados aos ciclones. As áreas das nuvens estão sombreadas. X indica o ponto identificado como centro do vórtice e r, a distância tomada como raio. Em vórtices não frontais, r é a distância da borda da massa da nuvem. Fonte: Troup e Streten (1972).

Para ilustrar os padrões das nuvens mostrados na figura abaixo, se utilizará como exemplo o ciclone que começou em 07 de setembro de 2009. Usaremos as imagens do canal 4 infravermelho e do canal 3 de vapor d'água (6.7) do satélite GOES10 para mostrar os vários estágios de desenvolvimento das nuvens durante o ciclo de vida do ciclone.

Diagrama de um ciclone que se desenvolveu perto da costa leste da América do Sul, em associação com um cavado em níveis superiores. As linhas azuis representam a altura geopotencial a 300 hPa (figura da esquerda) e a cor cinza mostra as nuvens (figura da direita). Um caso real é mostrado com uma imagem de satélite infravermelho do GOES10. A seta vermelha indica a nuvem com formato invertido de vírgula.

Na imagem de vapor d'água, percebe-se um vórtice ciclônico de altos níveis localizado na Argentina a cerca de 41°S e 67°W. Entretanto, nos interessa o cavado localizado a nordeste desse vórtice (300 hPa) e os padrões de nuven a ele associado. Durante o estágio inicial do ciclone (duas primeiras linhas da figura abaixo), os dois canais de satélite mostram nuvens convectivas com uma curvatura ligeiramente ciclônica, similar ao padrão A do modelo de Troup e Streten (1972). Nessa fase, as nuvens perto do Uruguai e Argentina não estão muito destacadas no canal infravermelho, porque seus topos são menos altos. é interessante mencionar que o padrão W do modelo de Troup e Streten (1972) é incomum perto da costa leste da América do Sul.

Durante a fase madura do ciclone, o cavado em altos níveis se propaga para leste (figura não mostrada) e a faixa de nuvem associada com as frentes fria e quente assume a forma de uma vírgula invertida como um espiral. Isso é devido ao desenvolvimento do padrão B para o padrão C (terceira linha da figura abaixo) como descrito no modelo de Troup e Streten. Nuvens do tipo cirrus acima do norte da Argentina e do Uruguai indicam a presença de uma corrente de jato.

Durante o estágio de declínio (quarta linha da imagem abaixo), o padrão das nuvens se assemelham ao caso Dx no modelo de Troup e Streten (1972).

O ciclone perto da costa leste da América do Sul mostra padrão de nuvens similar ao do modelo de Troup e Streten, com a exceção do estágio W, que não está presente nesse sistema.

Fundamentação em Meteorologia Física

O primeiro modelo conceitual realista de ciclones extratropicais foi apresentado por Bjerknes em 1919, seguido pelo de Bjerknes e Solberg em 1922. Eles apresentaram a teoria de que as ciclogêneses estão associadas com a existência de um gradiente horizontal de temperatura na superfície e que a intensificação do ciclone ocorre quando a frente fria gira em torno do centro de baixa pressão, até encontrar o ar quente da frente quente.

O desenvolvimento de ciclones próximos à costa do Uruguai e sul do Brasil estão associados a cavados (núcleo frio) em níveis médio/superior da atmosfera, que se movem do Pacífico ao oceano Atlântico (como mostrado na figura abaixo). Estes ciclones não aparecem imediatamente após a Cordilheira dos Andes. Em vez disso, a ciclogênese ocorre a aproximadamente 1000 km do Andes (Vera et al., 2002).

Fatores que criam condições favoráveis para o desenvolvimento dos ciclones incluem: gradiente horizontal de temperatura do ar formado por temperaturas mais quentes sobre o continente e mais frias sobre o oceano, devido às correntes do Brasil e Malvinas (figura abaixo) e ar úmido no lado leste do ciclone e ar seco no lado oeste, combinado com um cavado ou um vórtice ciclônico de altos níveis em níveis superiores.

Às vezes, um ciclone em superfície pode se desenvolver quando há advecção de ar quente da região amazônica para o norte da Argentina (jato de baixos níveis) e há um cavado ou um vórtice ciclônico em altos níveis cruzando os Andes. Em ambos os casos o ciclone irá se desenvolver e propagar-se em sentido leste ou sudeste (figuras B e C abaixo). A fase de oclusão é geralmente alcançada sobre o oceano Atlântico Sul (figura D abaixo).

Os ciclones com desenvolvimento próximo ao Uruguai e sul do Brasil são ligeiramente diferentes aos descritos no modelo conceitual por Bjerknes e Solberg (1922):

1. Em contraste com o modelo desses autores, ciclones formados próximo ao Uruguai e sul do Brasil não mostram um padrão de onda em superfície durante sua fase inicial, devido aos efeitos da região montanhosa e de instabilidade baroclínica. A sua formação é favorecida em grande parte pela advecção horizontal de vorticidade relativa de um cavado ou de um vórtice ciclônico de altos níveis que atravessam os Andes;
2. Outra diferença em relação ao modelo de Bjerknes e Solberg é que os ciclones próximos ao Uruguai e sul do Brasil no seu início não exibem um centro assimétrico (ar frio no setor oeste do ciclone e quente no leste), que, em seguida, transforma-se em um ciclone de núcleo frio durante a fase de oclusão. Em vez disso, o centro do ciclone permanece quente da sua geração até à sua fase de enfraquecimento.

Modelo conceitual do desenvolvimento de um ciclone extratropical sobre a América do Sul. As linhas pretas com seta representam a altura geopotencial em 500-hPa; triângulos pretos e semicírculos representam frentes frias e quentes, respectivamente. As letras em negrito A e B indicam a posição dos centros de alta e baixa pressão, respectivamente, em 500 hPa e a letra vermelha B indica a posição do ciclone de superfície. As áreas sombreadas mostram a nebulosidade associada com as frentes e com o ciclone. Fonte: adapatado de Celemín (1984).

Média mensal da temperatura (°C) sobre o Oceano Atlântico Sul de 1982 a 2002. é possível identificar a confluência atual Brasil-Malvinas perto das costas do Uruguai e sul do Brasil. Fonte: Reboita (2008).

Localização Geográfica e Variação Sazonal

Os ciclones extratropicais ocorrem principalmente ao longo de duas áreas da América do Sul (Gan e Rao, 1992): Uruguai e Golfo San Matias na Argentina (figura abaixo). Durante o inverno, a frequência dos ciclones é maior sobre o Uruguai do que sobre o Golfo San Matias. No verão, ocorre o oposto. Esta sazonalidade é associada com o deslocamento da baroclinia causada pelos gradientes de temperatura da superfície do mar.

Reboita et al. (2010) observaram que, durante o verão, há uma terceira região com frequência máxima de ciclogêneses: entre a costa das regiões sul e sudeste do Brasil (figura abaixo).

Normalmente, os ciclones se formam próximos à costa e propagam-se para leste, alcançando sua intensidade máxima sobre o oceano Atlântico Sul. Entre maio a setembro, muitos ciclones que se formam sobre o Uruguai, costa da Argentina e sul do Brasil experimentam intensificação quando se propagam do continente para o oceano em função dos gradientes verticais de fluxos de calor latente e sensível do mar para o ar.

Distribuição anual de isolinhas mostrando a frequência de ciclogêneses. Fonte: Gan e Rao (1992) Densidade de ciclogêneses entre 1990-1999. A densidade é o número de sistemas dividido por uma área de 5° x 5° de latitude-longitude e multiplicado por 104. Fonte: Reboita et al. (2010)

Parâmetros Chave de Previsão Numérica do Tempo NWP

Pressão Média no Nível do Mar: essa variável é importante para identificar e rastrear os ciclones. Durante o estágio de pré-ciclogênese, há uma área alongada de baixa pressão ao nível do mar sobre o Paraguai, sul do Brasil e Uruguai. Contudo, a origem do ciclone ocorre sobre o Uruguai ou sobre o oceano (perto da costa leste da América do Sul). Durante seu desenvolvimento, o ciclone se move em direção a leste ou sudeste e atinge o estágio de maturidade (fase de oclusão). Seu enfraquecimento ocorre perto de 55°S e 35°W. Altura Geopotencial em 300 hPa: um cavado ou um vórtice ciclônico de altos níveis, deslocado do oceano Pacífico para o Atlântico, contribui para a origem do ciclone em superfície perto da costa leste da América do Sul. A ciclogênese ocorre à jusante do eixo do cavado, através de uma zona baroclínica pré-existente ou devido ao efeito orográfico (ciclogênese a sotavento) quando um jato de baixos níveis está presente.
Temperatura em 850 hPa: esse parâmetro permite monitorar os gradientes horizontais de temperatura em torno do ciclone, durante a sua evolução. Nas fases de pré-ciclôgenese e ciclôgenese, há um gradiente horizontal de pressão intenso no centro do ciclone. No estágio de ciclôgenese, as isotermas mostram uma concavidade similar ao mostrado no modelo de Bjerknes e Solberg. No entanto, uma vez que o ciclone está maduro, as isotermas começam a diferir do modelo desses autores. O exemplo mostrado aqui indica uma piscina de ar quente na parte oeste dos gradientes de temperatura.
Advecção de Temperatura em 850 hPa: às vezes, os Andes podem bloquear a frente fria e permitir a intensificação da advecção do ar quente a 850 hPa (WA) da região amazônica para o lado leste dos Andes. Isso é uma condição prévia para criação de um ciclone a sotavento, apesar de também ser necessário um cavado de nível superior cruzando os Andes. O campo de advecção de temperatura mostra uma situação de onda distinta: um máximo de advecção quente (WA) adiante da nebulosidade e advecção de ar frio (CA) atrás. Esse conjunto WA/CA é um sinal da ciclogênese em andamento.
Advecção de Vorticidade Relativa em 300 hPa: em altos níveis, advecção de vorticidade negativa (NVA) pode ser observada corrente abaixo do eixo do cavado. Essa advecção de vorticidade ciclônica em níveis elevados intensifica os movimentos ascendentes na coluna. Advecção de vorticidade máxima negativa pode também ser encontrada na saída do lado direito do núcleo dos jatos em altos níveis. Essa é uma região de divergência que também está associada a movimentos ascendentes na coluna de ar.

Vorticidade Potencial (VP) em 300 hPa: a vorticidade potencial é, por definição, negativa no Hemisfério Sul. Valores entre -1,5 e -2 unidades de VP no Hemisfério Sul são considerados sinais da tropopausa dinâmica. Os campos de vorticidade potencial mostram valores negativos mínimos ao longo da parte traseira da frente fria. Grandes gradientes do VP frequentemente são associados com gradientes de temperatura em imagens de vapor d'água.

Ventos em 300 hPa: em altos níveis é possível ver a corrente de jato associada com o ciclone e com as frentes quente e fria em superfície. Durante o estágio inicial do desenvolvimento de ciclone, a corrente de jato pode ser vista ao longo da extremidade posterior da faixa de nuvens na frente fria. Contudo, se o gradiente de temperatura em baixos níveis não é intenso, os ventos em altos níveis também não serão muito intensos, e a corrente de jato não estará presente. Durante a fase de desenvolvimento, a corrente de jato pode ser observada no ponto em que as frentes quente e fria se encontram. Depois, durante a fase de oclusão, a corrente de jato localiza-se no lado equatorial do ciclone e atravessa o ponto triplo, isto é, o ponto na qual as frentes quente, fria e oclusa se encontram.

é importante mencionar que, em vários casos, quando a corrente de jato em altos níveis está sobre o continente, pode acoplar-se ao jato de baixos níveis (ou seja, estar sobre esse jato em baixos níveis). Esse acoplamento pode potenciar a convecção, ocasionando desenvolvimento de complexos convectivos de mesoescala (MCC).

Pressão Média no Nível do Mar e Altura Geopotencial em 300 hPa

Pré-ciclogênese	Ciclogênese
Maturidade	Decaimento

07-10 de setembro de 200. Imagem do canal 4 IR do GOES-10. Pressão média ao nível do mar (linhas vermelhas) e altura geopotencial em 300 hPa (linhas azuis).

Temperatura em 850 hPa

Pré-ciclogênese	Ciclogênese
Maturidade	Decaimento

07-10 de setembro de 2009. Imagem do canal 4 IR do GOES-10 e temperatura em 850 hPa (linhas).

Advecção Horizontal de Temperatura em 850 hPa

Pré-ciclogênese	Ciclogênese
Maturidade	Decaimento

07-10 de setembro de 2009. Imagens do canal 4 IR do GOES-10. Advecção horizontal de temperatura do ar em 850 hPa. Advecção quente (linhas vermelhas); advecção fria (linhas azuis).

Advecção de Vorticidade Relativa Horizontal em 300 hPa

Pré-ciclogênese	Ciclogênese
Maturidade	Decaimento

07-10 de setembro de 2009. Imagens do canal 4 IR do GOES-10. Advecção positiva (anticiclônica - linhas vermelhas); advecção negativa (ciclônica - linhas azuis). O círculo indica a região onde a NVA contribui para o movimento ascendente.

Vorticidade Potencial em 300 hPa

Pré-ciclogênese	Ciclogênese
Maturidade	Decaimento

07-10 de setembro de 2009. Imagens WV do canal 3 do GOES-10. Vorticidade Potencial em 300 hPa (linhas azuis).

Pressão ao nível médio do mar, espessura da camada 500/1000 hPa (densidade) e intensidade do vento em 300 hPa

Pré-ciclogênese	Ciclogênese
Maturidade	Decaimento

07-10 de setembro de 2009. Pressão ao nível médio do mar (linhas pretas), 500/1000 hPa de espessura (densidade) (linhas azuis) e ventos abaixo de 50 m/s em 300hPa (sombreado laranja e vermelho).

Aparência Típica em Seções Verticais

Advecção de Temperatura (AT): a assimetria da estrutura térmica se intensifica devido à advecção negativa de temperatura no setor oeste e advecção positiva no setor leste do ciclone (olhar imagem abaixo), em níveis baixos e superiores durante o estágio maduro da ciclogênese.

Advecção de Vorticidade Relativa (NVA/PVA): advecção de vorticidade negativa em níveis superiores (NVA) pode ser vista no setor leste do ciclones, enquanto advecção de vorticidade positiva (PVA) no lado oeste.

Vorticidade Potencial (VP): essa variável mostra uma intrusão na troposfera chegando a até 330 hPa durante a fase de ciclogênese às 00 Z no dia 08 de setembro de 2009, a cerca de 57°W e, também, em 500 hPa durante o estágio maduro às 06 Z de 09 de setembro de 2009, próximo a 42°W.

Umidade Relativa (UR): na fase de ciclogênese, a atmosfera em médios níveis está seca. Durante o estágio maduro, há uma intrusão seca com baixos valores de UR próximo de 42°W.

8 de setembro de 2009, 00 UTC. Perfis verticais ao longo da linha A-A' (próximo da intrusão seca) das variáveis: advecção de temperatura, vorticidade potencial, advecção de vorticidade e umidade relativa.

9 de setembro de 2009, 06 UTC. Perfis verticais ao longo da linha A-A' (próximo da intrusão seca) das variáveis: advecção de temperatura, vorticidade potencial, advecção de vorticidade e umidade relativa.

Eventos Meteorológicos

Parâmetros	Descrição
Precipitação	Valores de precipitação acima de 3 mm/h podem ser observados em pequenas áreas no centro-leste da Argentina durante a fase de pré-ciclogênese, associados com um vórtice ciclônico em altos níveis e uma frente fria na região. Durante o estágio de ciclogênese, pode-se ver grandes áreas de chuvas intensas sobre o continente (região central do estado do Rio Grande do Sul, oeste de Santa Catarina e sul do Paraguai), em conexão com a frente fria; enquanto o sistema de baixa pressão sobre o oceano (como visto na imagem Quickscat e na análise) mostra o aumento de precipitação em torno de seu centro. Durante a fase madura, a chuva intensa, que ocorre em conexão com a frente fria sobre o continente, move para o nordeste e o padrão de chuva relacionado ao sistema de baixa pressão no oceano se estende em direção ao continente.
Tempo Significativo e Estado do Mar (ondas)	As primeiras tempestades podem ser observadas sobre o centro-leste da Argentina durante a fase da pré-ciclogênese e se movem junto com a frente fria para o Uruguai e sudeste do Brasil (incluindo Paraguai e nordeste da Argentina) durante o estágio de ciclogênese. Durante a fase madura, apenas algumas tempestades podem ser vistas sobre o continente, à medida que a área mais ativa do ciclone move-se para o oceano. Durante a fase madura, ondas acima de 8 m são observadas perto da região de oclusão.
Ventos (incl. rajadas)	Os ventos mais intensos podem ser observados sobre o oceano durante as fases de ciclogênese e maturidade do ciclone, com uma velocidade estimada superior a 20 m/s em torno do sistema de baixa pressão.

Fase Pré-Ciclogênese

08 de setembro 2009 /00:00 UTC Vento a 10 m (GFS analysis) e precipitação acumulada em 3-horas do produto TRMM Multisatellite Precipitation Analysis (TMPA). 08 September 2009 /00:00 UTC imagem GOES-10 WV 6.2.

08 September 2009 /00:00 UTC ventos na superfície do mar do QuickSCAT. 08 September 2009 /00:00 UTC Tempo significativo (Fonte: Ogimet).

Fase Ciclogênese

08 September 2009 /00:00 UTC Vento a 10 m (análise GFS) e a precipitação acumulada em 3-horas usando o produto TRMM Multisatellite Precipitation Analysis (TMPA). 08 September 2009 /00:00 UTC imagem GOES10 WV 6.2.

08 September 2009 /00:00 UTC vento na superfície do mar do QuickSCAT. 08 September 2009 /00:00 UTC Tempo Significativo (fonte: ogimet)

Fase Madura(oclusão)

09 September 2009 /06:00 UTC Vento a 10 m (análise GFS) e precipitação acumulada em 3-horas usando o produto TRMM Multisatellite Precipitation Analysis (TMPA). 09 September 2009 /06:00 UTC imagem GOES10 WV 6.2.

09 September 2009 /00:00 UTC vento na superfície do mar do QuickSCAT. 09 September 2009 /09:00 UTC Altura de onda na superfície do mar (m).

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