Porque é que o ITCZ muda e como? - Climate Dynamics Group

Annual-mean precipitation (colors) and surface winds (flews). Os dados de precipitação são de TRMM-TMPA para os anos 1998- 2012, e os dados de vento são baseados na reanálise provisória ECMWF para os mesmos anos. De Schneider et al. (2014).

P>A maior parte da chuva na Terra cai na faixa de chuva tropical conhecida como Zona de Convergência Intertropical (ZCI), que em média se situa a 6° norte do equador. Nos últimos 15 anos, tornou-se claro que a posição da Zona de Convergência Intertropical pode mudar drasticamente em resposta a mudanças remotas, por exemplo, na cobertura de gelo do Árctico. Mas os modelos climáticos actuais têm dificuldades em simular a ZCI com precisão, exibindo frequentemente duas ZCI a norte e a sul do equador, quando na realidade existe apenas uma. O que controla a sensibilidade da ZITC a forcings remotos? E como surgem os preconceitos dos modelos na ZITC?

Estudos Paleoclimáticos (por exemplo, Peterson et al. 2000, Haug et al. 2001) e uma série de estudos de modelação começando com Vellinga e Wood (2002), Chiang e Bitz (2005) e Broccoli et al. (2006) revelaram um importante factor de mudança da ZITC: o aquecimento ou arrefecimento diferencial dos hemisférios deslocam a ZITC em direcção ao hemisfério que aquece de forma diferente. Assim, quando o hemisfério norte aquece, por exemplo, porque a cobertura de gelo do norte e com ela o albedo polar são reduzidos, a ZITC desloca-se para norte. Isto pode ser racionalizado da seguinte forma: Quando a atmosfera recebe energia adicional no hemisfério norte, tenta corrigir este desequilíbrio, transportando energia através do equador de norte para sul. A maior parte do transporte de energia atmosférica perto do equador é realizado pela circulação de Hadley, a média da circulação tropical invertida. A ZITC situa-se ao pé do ramo ascendente da circulação de Hadley, e a circulação transporta energia na direcção do seu ramo superior, porque a energia (ou, mais precisamente, a energia estática húmida) normalmente aumenta com a altura na atmosfera. O transporte de energia para sul através do equador requer então uma ITCZ a norte do equador, para que o ramo superior da circulação de Hadley possa atravessar o equador indo do norte para o sul.

Para compreender a distância a que a ZITC se encontra do equador, ajuda a considerar o equilíbrio de energia atmosférica em estado estável

$\mathrm{div}}, F = \mathcal{R} - \mathcal{O}$ ,

p>where $F$ é o fluxo de energia verticalmente integrado na atmosfera, $\mathcal{R}$ é a entrada líquida de energia radiativa para uma coluna atmosférica (a diferença entre a radiação de onda curta absorvida e a radiação de onda longa emitida), e

$\mathcal{O}$ é a absorção de energia oceânica à superfície. O balanço energético indica que a atmosfera transporta energia para longe de regiões de entrada líquida de energia $\mathcal{R}-\mathcal{O}$ (por exemplo, os trópicos) para regiões de perda líquida de energia (por exemplo, os extratrópicos). Broccoli et al. (2006) e Kang et al. (2008) observaram que, uma vez que a ZITC está localizada aproximadamente onde desaparece o transporte de massa atmosférica meridional na circulação de Hadley, está tipicamente também localizada perto de onde desaparece o transporte de energia atmosférica: no “equador de fluxo de energia” (EFE) onde $F=0$ . Isto permite-nos obter uma relação quantitativa entre a EFE ou ITCZ e as quantidades no balanço energético atmosférico. Centrando-nos na média zonal (por exemplo tomada através de um sector suficientemente amplo de longitude) e expandindo o fluxo energético $F$ em torno do equador (denotado por subscript 0) à primeira ordem na latitude $\delta$ dá

$F(\delta) \aprox F_0 + (\mathrm{div}) F)_0 a \delta$ ,

p>where $a$ é o raio da Terra. Equivalente a $\delta$ com a latitude da EFE ou ITCZ implica $F(\delta) \aprox 0$ , e podemos resolver a expansão acima para $\delta$ :

$delta = -frac{1}{a}, {F_0}{Frac{F_0}{mathcal{R}_0-{O}_0-{mathcal{O}_0}$ ,

onde substituímos $\mathcal{R} - \mathcal{O}$ para a divergência do fluxo de energia equatorial em relação ao balanço energético acima.

A relação de primeira ordem para $\delta$ mostra que (1) a posição da ZITC é mais a sul quanto mais forte for a norte o fluxo de energia atmosférica $F_0$ através do equador, e (2) a ZCI está mais longe do equador quanto mais fraca for a entrada de energia atmosférica líquida $\mathcal{R}_0 - \mathcal{O}_0$ no equador.

O seguinte esboço ilustra graficamente estas relações:

Fluxo energético meridional atmosférico e equador de fluxo energético baseado nos dados da reanálise intercalar do ECMWF para 1998-2012 — Fluxo energético meridional atmosférico (vermelho) e equador de fluxo energético baseado nos dados da reanálise intercalar do ECMWF para 1998-2012 (Trenberth e Fasullo 2012). O sombreamento vermelho claro indica um erro padrão estimado de 0,2 PW (a incerteza real é pouco conhecida). A linha azul esboça um cenário hipotético com um fluxo energético cruzado reforçado. De Schneider et al. (2014).

a figura mostra o fluxo de energia estática atmosférica húmida $F$ na média zonal e anual no clima actual (linha vermelha). Dados os valores equatoriais do fluxo energético $F_0$ e da sua ‘inclinação’ com latitude $\mathcal{R}_0-\mathcal{O}_0$ , o equador do fluxo energético $\delta$ pode ser determinado utilizando os argumentos acima expostos. Se o fluxo de energia transversal para norte $F_0$ se fortalecer (indicado esquematicamente pela linha azul), mas a inclinação $\mathcal{R}_0-\mathcal{O}_0$ se mantiver fixa, o equador de fluxo de energia $\delta$ se move para sul. Da mesma forma, se $\mathcal{R}_0-\mathcal{O}_0$ aumenta, o equador de fluxo energético move-se em direcção ao equador.

Estudos anteriores realizados pelo ITCZ salientaram que a posição do ITCZ é proporcional ao fluxo energético transversal $F_0$ (por exemplo, Kang et al. 2008, Frierson e Hwang 2012, e Donohoe et al. 2013). Que a entrada líquida de energia atmosférica modula a sensibilidade da posição da ZITC ao fluxo equatorial foi apontada em Bischoff e Schneider (2014).

Quais são algumas implicações destas percepções a partir do balanço energético? A análise chama a atenção para a importância para a ZITC do balanço energético atmosférico próximo do equador. A entrada líquida de energia atmosférica $\mathcal{R}-\mathcal{O}$ perto do equador é o pequeno resíduo (~20 W m2) de grandes cancelamentos entre a radiação de onda curta absorvida (~320 W m2), a radiação de onda longa emitida (~250 W m2), e a absorção de energia oceânica (~50 W m2). Mudanças subtis em qualquer um destes grandes termos podem levar a mudanças relativamente grandes na entrada líquida de energia atmosférica perto do equador e, por conseguinte, a grandes mudanças na ZCI. Da mesma forma, o fluxo de energia transversal $F_0$ (~-0,2 PW) representa um pequeno desequilíbrio residual entre os dois hemisférios que têm, por exemplo, ganhos de energia radiativa de onda curta e perdas de energia radiativa de onda longa de dezenas de PW. Isto torna a ZCI um gravador sensível do balanço energético atmosférico, e é provavelmente responsável pelas grandes oscilações na posição da ZCI inferidas a partir de substitutos paleoclimáticos (ver Schneider et al. 2014 para uma revisão).

Os resultados do balanço energético apontam também para uma forma de compreender o duplo viés da ZCI nos modelos climáticos. A expansão de primeira ordem acima quebra-se quando a entrada líquida de energia atmosférica desaparece. Nesse caso, é necessário ir para uma ordem superior em latitude, e surgem múltiplas soluções para a posição da ZITCZ. Discutiremos isto num futuro post.

Uma limitação dos conhecimentos do balanço energético é que eles não proporcionam uma compreensão mecanicista fechada do que controla a posição da ZCI. Quantidades tais como a entrada líquida de energia atmosférica $\mathcal{R}-\mathcal{O}$ e o fluxo energético transversal $F_0$ dependem da força da circulação de Hadley, entre outros factores, que por sua vez depende da posição ITCZ. A forma como estes estão ligados mecanicamente (por exemplo, através do equilíbrio angular do impulso) continua a ser um tema de investigação em curso.

Deixe uma resposta Cancelar resposta