Author(s): Caldeirinha, Ana Carolina Santos
Date: 2017
Persistent ID: http://hdl.handle.net/10451/30407
Origin: Repositório da Universidade de Lisboa
Subject(s): Camada limite atmosférica; Jato costeiro de baixa altitude; Benguela Niño; Interação terra-atmosfera-oceano; Teses de mestrado - 2017; Domínio/Área Científica::Ciências Naturais::Ciências da Terra e do Ambiente
Tese de mestrado em Ciências Geofísicas, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2017
Em determinadas regiões do globo, os ecossistemas costeiros são muito dependentes do afloramento de águas subsuperficiais, mais frias e ricas em nutrientes. Estas regiões são fortemente influenciadas pela interação do vento costeiro na superfície do oceano, pelo que qualquer alteração na frequência e intensidade deste forçamento pode alterar esta dinâmica e pode produzir impactos no clima regional, nos ecossistemas costeiros e, consequentemente, socioeconómicos. A região de Benguela é um destes sistemas de afloramento (upwelling) costeiro que se encontram no bordo leste dos oceanos. À semelhança dos seus sistemas homólogos, é influenciada por um jato costeiro de baixa altitude (coastal low-level jet, CLLJ). O jato de Benguela é um fenómeno de mesoescala quase-permanente ao longo do ano, caracterizado por dois núcleos de velocidades máximas superiores a 10 m/s, sendo mais intenso durante a primavera austral. O jato está contido na camada limite marítima (Marine Atmospheric Boundary Layer, MABL), onde é encontrado tipicamente abaixo dos 500 metros acima do nível do mar. O CLLJ de Benguela ocorre ao longo do flanco leste do sistema de altas pressões do Atlântico Sul, ao longo da corrente fria de Benguela, que se propaga em direção ao Equador. Na região do jato, ventos paralelos à costa sobre o oceano geram correntes para o largo, transportando as águas superficiais, e, consequentemente, provocando o afloramento de águas mais profundas e mais frias. Durante os meses de verão, principalmente, a presença de uma baixa térmica sobre o continente, provocada pelo aquecimento intenso da superfície, vai provocar um gradiente horizontal de temperatura e pressão entre o oceano e o continente. O mecanismo de formação do jato advém da presença do Anticiclone do Atlântico Sul, e é reforçado pela baixa térmica. A ocorrência do jato pode aumentar localmente a intensidade do vento, que por sua vez diminui a temperatura à superfície do oceano (Sea Surface Temperature, SST), estabelecendo-se um mecanismo de realimentação entre a atmosfera e o oceano. Além do CLLJ, outro fenómeno afeta o sistema de upwelling de Benguela. Em determinados anos, verifica-se um aquecimento anómalo das águas superficiais na região de upwelling de Angola-Benguela, em muito semelhante ao El Niño no Pacífico. Por esta razão, e dada a sua localização, este fenómeno é conhecido como Benguela Niño. Do mesmo modo, os eventos de arrefecimento anómalo da superfície do oceano também verificados na região são denominados Benguela Niña. O Benguela Niño tem vários impactos sobre o clima da região, nomeadamente um aumento da precipitação em Angola, e também sobre os ecossistemas marinhos, provocando, por exemplo, a migração e um aumento da mortalidade de várias espécies. Embora não haja acordo sobre o que provoca estes eventos de aquecimento anómalo do oceano, muitos autores defendem que advém de um enfraquecimento do campo do vento (seja ele local ou de origem remota). Tanto o CLLJ como o Niño de Benguela têm sido objeto de estudo, embora separadamente. Como tal, a relação entre os dois fenómenos não é de todo conhecida. Dada a importância biológica e socioeconómica desta região de upwelling costeiro, é imperativo compreender a ligação entre os dois fenómenos que a afetam. Pela primeira vez, nesta tese é apresentado um estudo sobre a variabilidade espacial e a estrutura vertical das propriedades físicas da MABL na região de Angola-Benguela, quando sobre a influência de eventos de Benguela Niño e de ocorrência de jato no seu núcleo norte, estabelecendo-se uma relação entre ambos. Para o efeito, utilizou-se a base de dados de alta resolução NOAA Optimal Interpolation Sea Surface Temperature V2 (OI SST V2), para o período de 1981 a 2016, assim como dados de superfície e de níveis verticais da reanálise Japanese 55-year Reanalysis (JRA-55), entre 1980 e 2016. Estudaram-se os campos de temperatura a 2 metros e à superfície do oceano, fluxo de calor latente e sensível, fluxo de momento, subsidência, temperatura potencial, pressão à superfície, humidade específica e vento aos vários níveis. De modo a estudar o comportamento da MABL quando condicionada por Benguela Niño e Niña, foi desenvolvido um catálogo de eventos baseado na análise de anomalias de SST. Assim, um evento de Niño (Niña) é definido caso as anomalias de SST na região de Angola-Benguela se mantenham superiores a +0.5ºC (–0.5ºC) por um período de, pelo menos, 5 meses consecutivos. Deste catálogo, resultaram 6 eventos de Benguela Niño e 9 de Niña. Os restantes casos foram atribuídos como sendo neutros. A partir do catálogo estabelecido, foram determinados compósitos de SST. Estes consistem no agrupamento de todos os eventos de Niño (e Niña), ao qual foi aplicada uma média. Foi também desenvolvido um catálogo de intensidade de ventos do jato: este foi considerado forte quando a sua anomalia média diária excedia o percentil 90, e fraco quando esta se encontrava abaixo do percentil 10. Os compósitos de vento do jato foram calculados do mesmo modo que os compósitos de SST. As propriedades físicas apresentadas anteriormente foram investigadas com base em cada um destes catálogos de modo a compreender a relação entre o Benguela Niño e o CLLJ. Este estudo demonstra que o jato é grandemente influenciado pelo campo do vento local. No entanto, uma intensificação do vento à superfície não está necessariamente ligada à ocorrência de jato. Este resultado sugere que a intensificação do vento à superfície depende de outros fatores que não o CLLJ. Assim, o estudo do jato deve ser realizado tendo em conta o vento na altitude do jato, em vez do campo superficial, como foi efetuado em alguns estudos. Quanto às análises superficiais e verticais das variáveis físicas, existem evidências da relação entre o núcleo norte do jato de Benguela e os eventos de Benguela Niño. Um jato forte (fraco) tem uma assinatura superficial análoga à da Benguela Niña (Niño). De facto, foi demonstrado que o jato é mais forte (fraco) durante Niñas (Niños), face a um caso neutro de anomalia de SST. A análise vertical da estrutura das propriedades físicas da MABL mostra que o jato é menos frequente durante Niños que Niñas. Quanto à sua altitude, o CLLJ é encontrado a maiores altitudes na MABL durante Benguela Niñas. Em Niños, a altitude do jato tem menor variabilidade, encontrando-se entre os 275 m e os 400 m em 50% dos casos. De um modo geral, o jato de Benguela é situado abaixo da altura da camada limite marítima, e tem uma extensão vertical de várias centenas de metros. Embora os fluxos de calor e de momento influenciem o jato, são verificadas situações em que as propriedades estudadas não apresentam uma relação clara com a ocorrência de jato. Conclui-se que a região de Angola-Benguela tem interações complexas não completamente esclarecidas pela metodologia aqui seguida, pelo que a relação entre o Benguela Niño e o núcleo norte do jato deve ser aprofundada considerando outros fatores no futuro. Por último, o presente trabalho mostra como uma análise espacial do vento à superfície é insuficiente para estudar o desenvolvimento do jato de baixa altitude, tanto em conjugação com outros fenómenos físicos, como o Benguela Niño, ou por si só. A relação entre os dois é mais complexa do que uma análise superficial demonstra, pois afeta toda a extensão vertical da MABL.
The Benguela Eastern Boundary Upwelling System (EBUS) is characterised by intense coastal upwelling off the southwestern Africa, and is one of the most productive marine ecosystems in the world’s oceans. Its highly nutrient-rich waters make this EBUS an essential habitat to many species and is crucial in supporting the livelihood of the local population. Forced by the wind-driven equatorward Benguela Current, the upwelling system is influenced by the surface winds. In turn, these are associated with the quasi-permanent Benguela Coastal Low-Level Jet (CLLJ), an atmospheric feature characterised by wind speeds superior to 10 m/s and especially intense during the austral spring. Every few years, an El Niño-like phenomenon affects the Benguela coastal region, disrupting the fragile upwelling ecosystems and the regional climate. This anomalous warming of the ocean surface is known as Benguela Niño, and may reach, in average, SST anomalies of 1.5ºC. While the El Niño and some CLLJs have been extensively studied in separate, little has been documented about their respective Benguela counterparts, and the relationship between the two features is rather unexplored. This study uses the high-resolution NOAA Optimal Interpolation Sea Surface Temperature V2 (OI SST V2) dataset and the Japanese 55-year Reanalysis (JRA-55) surface and model-level data for the time period between 1980 to 2016. For the first time, it is shown how the vertical structure of the marine atmospheric boundary layer (MABL) physical properties respond to the influences of both the Benguela Niño and the northern core of the CLLJ, establishing a connection between the two highly-impactful phenomena. Although the period studied is limited and the sampling for the Niño and Niña events is small (6 and 9 identified events for Niño and Niña, respectively), some characteristics of the Benguela jet for SST-based composites of Niño, Niña and “neutral” cases are presented. There is evidence that the physical background associated with the Benguela Niño (Niña) sustains weaker (stronger) manifestations of the Benguela CLLJ, and place it lower (higher) in the MABL. During Niños, the jet is also less frequent than Niñas. It is also shown that a horizontal spatial analysis of the surface wind field is insufficient to study the development of the Benguela CLLJ, and even the study of the vertical structure of the MABL properties cannot relay all the complex interaction between the lower atmosphere and the surface.
