Vórtices Ciclônicos em Altos Níveis sobre o Atlântico Sul Tropical

Estrutura das Nuvens nas Imagens de Satélite

Os padrões de nuvens associados aos VCANs variam consideravelmente, dependendo de sua intensidade e profundidade. Em níveis altos e médios, frequentemente vemos esses padrões de nuvem se formando em conexão com situações como as das figuras (esquema e imagem IR - infravermelho) abaixo. Aqui podemos ver que as estruturas de nuvem associadas ao VCAN se conectam com as nuvens de um ciclone extratropical e de um sistema frontal, para produzir a forma de um "S". Em alguns casos, nuvens convectivas no setor ocidental do vórtice podem interagir com a circulação advinda da Alta da Bolívia.

Embora o centro do VCAN seja geralmente uma região sem nebulosidade, caracterizada por subsidência, atividade convectiva pode também ser observada no período da tarde e primeiras hora da noite perto do seu centro, quando o VCAN está sobre o continente (veja a imagem de satélite abaixo) ou passando sobre águas oceânicas quentes.

Ilustração esquemática de nuvens altas e médias para em VCAN. Fonte: Kousky e Gan (1981). 04 Novembro 2013 / 18 UTC. Imagem IR GOES-13.

Nas imagens abaixo, vemos um exemplo de padrões de nuvens associadas a um VCAN para 17 de fevereiro de 2014 às 1745UTC, usando imagens de satélites nos canais do infravermelho e do vapor d'água. Nessas figuras, podemos ver o ar seco no centro do VCAN (cinza escuro no canal WV- vapor d'água) rodeado por ar úmido formando uma língua escura em forma espiralada (diferentes tons de cinza). A convecção na borda do sistema é indicada pelos tons mais claros. Como existem muitas nuvens Cirrus ao redor do VCAN, esse sistema é difícil de ser identificado no canal visível (VIS).

Podemos ver também a presença de uma circulação anticiclônica (Alta da Bolívia) sobre o continente, que contribui para a difluência e divergência de massa em níveis superiores entre essa alta e o VCAN. Nuvens convectivas então se formam nessa região, em associação com essa divergência.

17 Fevereiro 2014/17:45 UTC - canais do infravermelho termal (11 μm), vapor d'água (6.7 μm) e visível (0.8 μm) para a composição de imagens dos satélites GOES-Meteosat.

A evolução de um VCAN sobre o nordeste brasileiro e o Oceano Atlântico Sul tropical pode ser vista na imagem de satélite no canal infravermelho (11 μm), superposta às linhas de correntes em 300hPa (figura abaixo) para o sistema ocorrido em 8 de Janeiro de 2013. Um cavado de altos níveis associado a nuvens de altos níveis (Cirrus) é mostrado às 1200 UTC do dia 6 de janeiro (linha tracejada na figura "A"). No dia seguinte (figura "B"), o cavado sobre a costa nordestina (30°W) evoluiu para uma circulação fechada e as nuvens altas se dissiparam (Cirrus são observadas em outros casos). às 0000 UTC do dia 8 de Janeiro de 2013 (figura "C"), o cavado aparece fechado (veja a letra C na figura "c") indicando que o VCAN foi formado. Embora as estruturas de nuvens associadas a um VCAN variam de acordo com a sua intensidade e profundidade, a presença de uma larga faixa de nuvens de nível superior com uma curvatura ciclônica é um padrão típico associado a um VCAN (como mostrado nas figuras "a" e "d"). As nuvens estão localizadas na periferia do VCAN. Quando o cavado muda para uma circulação fechada, as nuvens aparecem no lado oriental do sistema e o núcleo está, então, livre de nuvens (figura "d").

a) b)

c) d)

Fundamentação em Meteorologia Física

Revisão Geral

Os Vórtices Ciclônicos em Altos Níveis (VCAN) são sistemas de baixa pressão de escala sinótica, com circulação ciclônica máxima nos níveis superiores. Geralmente desenvolvem-se a partir de um cavado profundo de nível superior sobre a costa nordeste do Brasil e no Oceano Atlântico adjacente. A figura 1 mostra um VCAN sobre o Oceano Atlântico, próximo à costa nordeste do Brasil, em 17 de fevereiro de 2014 às 1800 UTC.

17 de Fevereiro de 2014 1800 UTC, Canal Termal Infravermelho (11 μm), imagem composta GOES-Meteosat. 17 de Fevereiro de 2014 1800 UTC, Canal Vapor d'água (6,7 μm) para imagem composta GOES-Meteosat.

Os VCANs são formados na camada 200-300-hPa (Kousky and Gan 1981; Ramirez et al. 1999, Mishra, 2001) e se estendem para os níveis médios e baixos (Morais, 2015). A maioria destes vórtices têm uma vida útil de 3 dias, mas alguns podem persistir por mais de 10 dias (Ramirez et al. 1999 e Coutinho 2008). O seu comprimento de onda é de cerca de 2000-3000 km.

Variabilidade Sazonal

Os VCANs podem ocorrer em qualquer época do ano, mas são mais frequentemente observados durante os meses de verão. A análise média de 5 anos (período 2002-2006) realizada por Coutinho et al. (2010), na figura abaixo, mostra o número de VCANs individuais (todo o ciclo de vida) observado usando imagens de satélite de vapor d'água (WV) e o número de dias individuais com VCAN.

Número de VCANs individuais (ciclo de vida completo) observados usando imagens de satélite WV e o número de dias com VCANs (fonte: Coutinho, 2010).

Os VCANs normalmente mostram uma trajetória no sentido anti-horário, propagando-se para leste quando estão ao sul de 15o S e para oeste quando estão ao norte de 15o S. A figura 4 mostra alguns exemplos da trajetória de alguns VCANs.

Trajetória do ciclone de 200 hPa durante o mês de janeiro de 2003. O ciclo colorido representa os VCANs e os números indicam a sequência de 12 horas. A figura à esquerda mostra o tempo de formação e à direita mostra um período de doze horas depois. Fonte: Coutinho (2010).

Em muitos casos, a origem de um VCAN está associada com sistemas frontais frios, que penetram nas latitudes baixas. Nessa situação, advecção de ar quente e úmido em baixos níveis é observada no setor quente da frente fria. Essa advecção de ar quente contribui para que haja a formação de nuvens convectivas e portanto liberação de calor latente na média troposfera. Esse aquecimento contribui para amplificar a crista corrente abaixo do cavado de nível superior associado ao sistema frontal, e por conservação de vorticidade absoluta ocorre o fechamento do cavado localizado sobre o nordeste do Brasil e o Oceano Atlântico Sul. O mecanismo de formação de VCANs foi proposto por Kousky e Gan (1981) e é ilustrado esquematicamente abaixo. A figura (a) mostra o padrão típico de circulação de verão sobre a América do Sul e o Atlântico Sul em 200 hPa. A Figura (b) mostra um cavado em níveis altos, sobre a América do Sul, associado à frente fria em superfície localizada no sul do Brasil. Uma crista em alto nível também pode ser observada, que se estende desde o sudeste do Brasil para o Atlântico. A nitidez do padrão de cavado pode ser visto sobre a região oeste do Atlântico. Finalmente, a frente fria se move sobre o sudeste do Brasil e o VCAN se forma ao oeste do Oceano Atlântico.

Sequência esquemática para a formação de um ciclone subtropical de 200 hPa sobre o Oceano Atlântico Sul. Fonte: Kousky e Gan (1981).

Na sequência de imagens de satélite de vapor de água (figura abaixo) para 01 de novembro de 2013 às 2345 UTC, pode-se ver o mecanismo de formação de vórtices como descrito por Kousky e Gan (1981). Durante o primeiro estágio, um sistema frontal frio é localizado sobre o sul do Brasil, precedido por forte advecção de ar quente em baixos níveis. Esta advecção quente, associada com a convecção, amplifica a crista nos níveis superiores, e então ajuda a fechar o cavado corrente abaixo da crista localizado sobre o nordeste do Brasil e Oceano Atlântico (02 nov. 2003). Durante os últimos dois dias, podemos ver com nitidez o padrão do cavado sobre o oeste do Atlântico. Finalmente, a frente fria se move para o sudeste do Brasil e o VCAN pode ser visto sobre o Oceano Atlântico Tropical.

Quando o VCAN está próximo do continente, a borda ocidental do VCAN interage com a convecção tropical continental e nuvem convectivas se desenvolvem neste setor do sistema (c). Uma vez que o centro do VCAN se move sobre o continente, nuvens convectivas podem se desenvolver no centro do sistema durante a tarde e à noite (d). Durante o dia, o ar próximo à superfície (baixos níveis) na região central do VCAN fica mais aquecido, e quando se encontra com o ar mais frio nos níveis médios e altos do VCAN, produzem um condição instável propícia para a formação de nuvens convectivas. A liberação de calor latente associada à convecção no centro do VCAN aquece o ar frio e conduz então à dissipação do sistema. Os VCAN localizados sobre áreas oceânicas normalmente não se dissipam e são, em vez disso, absorvidas por um cavado de latitude média.

a) b)

c) d)

Os VCAN são caracterizados por um núcleo frio. As temperaturas mais frias são observadas nos níveis médios e altos da troposfera, enquanto que as temperaturas próximas à superfície são relativamente pouco afetadas pela presença do vórtice (Kousky e Gan, 1981). Enquanto a primeira imagem mostra uma secção vertical da anomalia de temperatura média zonal para um dia em particular, a segunda mostra um composto de 61 casos durante um período de 10 anos (2003-2013). O compósito baseia-se na vorticidade relativa mínima em 200 hPa para cada sistema durante todo o ciclo de vida.

Seção transversal vertical Norte-Sul a 40°W de desvios de temperatura em relação aos valores médios longitudinais para 12 de março de 1978 . Calculou-se primeiro a temperatura média longitudinal para cada nível. Unidade: °C. Fonte: Kousky e Gan (1981). Campo composto da seção transversal vertical do desvio de temperatura (°C) para o período 2003-2013 com eixo vertical fixado no centro do VCAN no tempo de formação. A linha passa pelo ponto central do VCAN (0.0) e o eixo horizontal mostra o espaçamento da largura em graus a partir desse centro. Fonte: Morais (2015).

Parâmetros Chave de Previsão Numérica do Tempo

Imagem Vapor d'água: a imagem WV (do inglês, water vapor) mostra a distribuição da umidade ao redor do VCAN nos níveis médios e altos da atmosfera. As áreas escuras representam o ar seco, em tons de cinza a umidade na alta atmosfera e as feições mais claras e brancas indicam estruturas de nuvens de altos níveis.

Fevereiro 2014 / 12:00UTC Imagem Vapor d'água (6.2 μm). A letra C indica o centro do VCAN e C1 o ciclone extratropical.

As nuvens associadas ao VCAN, o sistema frontal e o ciclone extratropical se unem formando um padrão típico em formato de "S" descrito por Kousky e Gan (1981).

Linhas de corrente em altos níveis: As linhas de correntes em 300hPa são usadas para identificar o centro do VCAN. No centro desse sistema, podemos ver o vento vindo de NE, SE, SO, NO (através dos quadrantes 1-4 na figura abaixo). As linhas de correntes podem também mostrar a circulação fechada no mesmo nível. Finalmente, pode-se observar a corrente de jato ao norte e nordeste do VCAN em 300 hPa.

17 February 2014 / 1200UTC. GOES water vapor image and streamlines at 300 hPa (colored vector).

Vorticidade Relativa em altos níveis: na figura abaixo, podemos ver uma área de vorticidade relativa mínima no centro do VCAN. Sobre o sudeste do Brasil, também podemos identificar uma área de vorticidade relativa máxima (positiva), em associação com a crista de nível superior, jusante ao cavado frontal. Essas duas áreas formam um dipolo.

17 Fevereiro 2014 / 1200UTC. Vorticidade relativa (sombreado) e linhas de correntes em 250hPa em 17 de fevereiro de 2014 às 12h UTC.

Desvio Zonal de Temperatura em altos níveis: O centro do VCAN está associado com baixas temperaturas. Para ilustrar claramente esta característica, nós calculamos o desvio zonal de temperatura em 350hPa. Esta anomalia de temperatura local é mostrada na figura abaixo, onde podemos ver valores negativos de desvio em torno do centro do VCAN e valores positivos, próximos à Alta da Bolívia.

17 Fevereiro 2014 / 1200 UTC. 350 hPa Desvio Zonal de Temperatura.

Velocidade Vertical: o centro do VCAN está associado com o movimento descendente (valores de omega positivos) em altos níveis (cor verde), enquanto o movimento ascendente (valores de omega negativos) pode ser observado na borda do VCAN e sobre o sistema frontal em 300hPa. Na imagem de satélite, podemos ver alguma convecção no centro do VCAN.

17 February 2014 / 1200 UTC. 350 hPa Omega (Ps/s).

Aparência Típica em Seções Verticais

Os parâmetros que usamos para descrever a estrutura vertical de um VCAN neste modelo conceitual são: vorticidade relativa, velocidade vertical e desvio zonal da temperatura.

A figura (a) abaixo mostra um VCAN na sua fase inicial de desenvolvimento, quando a circulação fechada começa a se desenvolver em 300 hPa.

A figura (b) mostra o corte vertical oeste-leste de vorticidade relativa através do centro do ciclone (cerca de 11°S), durante a fase de formação. Podemos ver como o VCAN se estende desde a tropopausa até 500 hPa, com uma inclinação vertical para leste.

Na figura (c), a seção transversal do desvio zonal da temperatura do ar também mostra a mesma inclinação vertical do ar frio (valores negativos), uma vez que se estende até 550 hPa. Além disso, esta figura ilustra valores positivos a oeste do VCAN. Estes valores positivos podem estar associados com a Alta da Bolívia.

A seção transversal da velocidade vertical na figura (d) indica claro movimento descendente no núcleo do VCAN e movimento ascendente na periferia. Este movimento vertical se estende até níveis baixos.

a) b)

c) d)

08 Janeiro 2013 / 0000 UTC. Imagem de satélite infravermelho com linhas de corrente de 300 hPa (a), corte vertical em 13oS para vorticidade relativa (b), desvio zonal da temperatura (c) e velocidade vertical (d).

O segundo conjunto de figuras mostra o mesmo sistema durante sua fase madura. A seção transversal vertical oeste-leste da vorticidade relativa através do centro do ciclone (13°S) foi produzida enquanto o VCAN está sobre o Oceano Atlântico. As estruturas de nuvem nos setores do nordeste mostram como o VCAN se estende da tropopausa até 350 hPa com uma inclinação vertical para o leste (b).

A seção transversal do desvio zonal da temperatura do ar (c) continua a mostrar a inclinação vertical do ar frio para o leste, estendendo-se até 550 hPa, enquanto ilustra também como o dipolo observado na fase anterior se intensificou.

A seção transversal vertical de velocidade (figura (d)) continua indicando movimento descendente no núcleo do VCAN e movimento ascendente na periferia. Nesta figura, o movimento descendente estende-se para baixos níveis, enquanto o movimento ascendente, no setor oriental, está confinado nos níveis superiores (de 500 hPa até a tropopausa).

a) b)

c) d)

10 Janeiro 2013 / 1200 UTC. Imagem IR com linhas de correntes de 300 hPa (a), seção transversal vertical em 13oS para vorticidade relativa (b), desvio zonal da temperatura (c) e velocidade vertical (d).

O terceiro conjunto de figuras mostra um caso de VCAN profundo "clássico" durante a fase madura.

A seção transversal vertical leste-oeste da vorticidade relativa através do centro do ciclone em 13°S foi compilada, enquanto o VCAN estava sobre a costa do Nordeste do Brasil. Vemos padrões de nuvens na periferia e atividade convectiva no núcleo. O VCAN estende-se desde a tropopausa até 750 hPa, com uma pequena inclinação vertical para o leste, de 600 hPa a 300 hPa (b). Como esperado, este VCAN é mais profundo do que o anterior, com nuvens cirrus.

A seção transversal zonal do desvio de temperatura do ar (c) mostra mais uma vez uma inclinação vertical do ar frio para leste, desta vez estendendo-se até 800 hPa, enquanto vemos também o ar mais quente a oeste do VCAN nos altos níveis.

a) b)

c) d)

4 Novembro 2013 / 1800 UTC. Imagem de vapor d'agua (a) e seção transversal vertical em 18°S para vorticidade relativa (b), desvio zonal de temperatura (c) e velocidade vertical (d).

Eventos Meteorológicos

Parâmetro	Descrição
Precipitação	Precipitação (as vezes intensa) pode ocorrer na borda do sistema, associada com a divergência em altos níveis (300hPa) e correntes ascendentes. Em muitos casos, podemos observar uma circulação anticiclônica (Alta da Bolívia) sobre o continente, o que pode contribuir para a difluência e divergência em níveis superiores, entre essa alta e o VCAN. Nuvens convectivas e precipitação intensa podem se desenvolver em associação com a divergência de alto nível nessa região. No centro do vórtice, ar seco e frio em altos níveis (200-500hPa) e ômega positivo (movimento descendente) suprime a maior parte da precipitação. No entanto, chuvas isoladas podem ser observadas no período da tarde e início da noite perto do centro do sistema, devido a uma circulação local quando o sistema está sobre o continente.
Temperatura e Tempo Significativo	O centro do sistema possui céu limpo. Céu nublado, com chuva e/ou nuvens convectivas podem ser observadas na borda.
Vento (incl. rajadas)	Ventos intensos podem ocorrer perto da borda do sistema em altos níveis (300-200hPa). Isso ocorre, principalmente, nos setores norte e nordeste, e pode causar turbulência em altos níveis devido ao forte cisalhamento horizontal do vento.

Esquema de eventos climáticos associados com um VCAN: H e L representam a posição média de sistemas de alta e baixa pressão em altos níveis. Nuvens convectivas (as vezes associadas com alto volume de precipitação) são observadas sobre o continente, enquanto o céu limpo está associado ao ar seco, que é observado no centro do sistema.

17 Fevereiro 2014/00:00 UTC. Vento a 250 hPa (análise GFS) e precipitação acumulada em 3 horas usando o produto de Análise de Precipitação Multi-satélite TRMM (TMPA). 17 Fevereiro 2014/00:00 UTC. Imagem composta GOES13-Meteosat 9 WV 6.7μm.

17 Fevereiro 2014/00:00 UTC. Tempo significativo (Fonte: Ogimet)

Referências

• COUTINHO, M. D. L. Objective method to identify upper level cyclonic vortices over southern tropical region: validation and climatology (In portugueses: Método objetivo de identificação dos vórtices ciclônicos de altos níveis na região tropical sul: validação e climatologia). Master Thesis, Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE). São José dos Campos, 2008.
• COUTINHO, M. D. L.; GAN, M. A.; RAO, V. B. Objective method to identify upper level cyclonic vortices over southern tropical region: validation (In portugueses: Método objetivo de identificação dos vórtices ciclônicos de altos níveis na região Tropical Sul: validação). Brazilian Journal of Meteorology, 25:311-323, 2010.
• KOUSKY, V. E.; GAN, M. L. Upper tropospheric cyclonic vortices in the subtropical South Atlantic. Tellus, v. 33, p. 538-551. 1981.
• CMISHRA, S. K.; RAO, V. B.; GAN, M. A. Structure and evolution of the large-scale flow and an embedded upper tropospheric cyclonic vortex over northeast Brazil. Monthly Weather Review, v. 129, p. 1673-1688, 2001.
• MORAIS, M. D. C. Upper level cyclonic vortices over Norteast of Brazil: Observational and numerical study (In portugueses: Vórtice ciclônico de altos níveis no nordeste do Brasil: estudo observacional e numérico). PhD Dissertation (in preparation), 2016.
• RAMIREZ, M. C. V. KAYANO, M. T.; FERREIRA, N. J. Statistical analysis of upper tropospheric vortices in the vicinity of northeast Brazil during the 1980-1989 period. (INPE-10582-PRE/604412). Atmósfera., v.12, p. 75-88, Apr. 1999.