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Publicação
Atmospheric circulation over Southern Africa and its relationship with regional rainfall
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Orientador(es)
Resumo(s)
Throughout the last decades, southern Africa has become increasingly vulnerable to weather variability,
which affects moisture advection and convergence in the lower levels of the atmosphere and impact
local rainfall, essential for rudimentary rainfed agricultural systems, in which most of countries’
economies rely on. Thus, understanding atmospheric circulation dynamics is crucial, as well as the
identification of humidity sources and advection mechanisms that control precipitation across the region.
Using ERA5 reanalysis (1980-2020) and 10 weather stations’ data (2014-2020), synoptical and
climatological analysis over the region were performed, namely regarding atmospheric moisture
circulation and geopotential height and rainfall anomalies. Recent literature identifies the Angola Low
(AL) and the Mozambique Channel Trough (MCT) as two main summertime low-pressure systems
responsible for converting humidity into rainfall. The Zambezi and Limpopo river-valley’ associated
low-level jets (ZRV LLJ and LRV LLJ) have been identified as major gateways transporting Indian
Ocean moisture into central and SW Africa. Both LLJs are controlled by MCT and AL intensities, often
conjugated within the same phase (both weak or both strong). Results showed these conjugations of
MCT and AL intensities had a higher control on ZRV LLJ than on LRV LLJ, with weaker (stronger)
MCT and AL being associated with a stronger (weaker) ZRV LLJ, thus promoting increases (decreases)
of rainfalls over SW Africa. At a larger scale, it was shown that El-Niño (La-Niña) phases of ENSO
were linked with northward (southward) shifts of the AL system and with decreases (increases) of
precipitations across the subcontinent, regardless of SIOD (Subtropical Indian Ocean Dipole) phase.
SW Africa region lies in a border-zone of weak and non-significant rainfall anomalies. An analysis of
two exceptional rainy seasons showed that during the analysed events, large-scale variability and
unusual circulation features could have overlapped its influence over both the AL and MCT systems.
Ao longo das últimas décadas, o sul de África tem experienciado um significativo aumento da sua vulnerabilidade à variabilidade atmosférica da região, na medida em que esta última influencia, direta ou indiretamente, a advecção e a convergência de humidade nos níveis mais baixos da atmosfera, provocando o aumento ou diminuição da quantidade de precipitação nestes locais. De facto, a variável meteorológica de maior importância para o sul de África é a precipitação, visto que as economias e a sociedade dos países aí localizados dependem fortemente de uma agricultura de cariz maioritariamente rudimentar e, por isso, muito dependente da água que provém da chuva. No entanto, as projeções climáticas mais recentes para as próximas décadas apontam para uma diminuição significativa da quantidade de precipitação em grande parte do subcontinente, essencialmente nas regiões do Sudoeste (SW Africano), ou seja, Angola e Namíbia, temendo-se, futuramente, consequências socioeconómicas e humanitárias muito severas. Deste modo, torna-se muito relevante compreender a circulação atmosférica da região, bem como identificar as fontes e mecanismos de transporte de humidade até às áreas de maior vulnerabilidade do sul de África. A literatura científica mais recente indica que durante o verão austral ocorrem dois sistemas de baixa-pressão que dominam estas regiões e são responsáveis por grande parte da conversão de humidade em precipitação: a Depressão de Angola (Angola Low ou AL) e um sistema ciclónico no Canal de Moçambique (Mozambique Channel Trough ou MCT). Durante esta época do ano, formam-se jatos nos níveis baixos da atmosfera (Low-Level Jets ou LLJs) nos vales dos rios Zambezi e Limpopo, servindo como “portas de entrada” à humidade proveniente do Oceano Índico, em direção às regiões centrais e ocidentais do subcontinente. A advecção de humidade por meio destes LLJs, em direção a oeste, é forçada pela circulação atmosférica em torno de um sistema de altas pressões (HP) localizado na região sul do Oceano Índico, denominado por Mascarene HP (ou anticiclone do Índico Sul). No entanto, a presença de uma barreira orográfica importante como é o caso da ilha de Madagáscar, afeta o transporte de humidade até à região dos vales dos rios Limpopo e Zambezi, induzindo variabilidade nos escoamentos associados aos respetivos LLJs. O ajustamento dinâmico deste fluxo (predominantemente de leste) à topografia de Madagáscar, induz uma circulação ciclónica na região do Canal de Moçambique (MC) – o denominado MCT. A humidade advectada até ao SW Africano colide com fluxos de humidade provenientes do Atlântico Sul que, conjuntamente com forçadores orográficos na região do interior de Angola e Namíbia, alimentam um sistema de baixas pressões, essencialmente de origem térmica, que se formam na zona de fronteira entre estes dois países. A convergência de humidade proveniente (maioritariamente) de ambos os oceanos (Índico e Atlântico), alimenta este sistema, que adquire características tropicais e se passa a denominar por AL. O sistema mantém-se quase-estacionário na região devido à orografia do SW de África, na medida em que as cadeias montanhosas existentes ao longo da costa e no interior destes países, promovem escoamentos anabáticos que, por consequência, alimentam processos de convecção profunda, alimentando e fortalecendo a AL. Em conjunto, a AL e o MCT originam uma banda de nuvens (denominada por Tropical Temperate Troughs, ou TTTs), com orientação NW-SE (i.e., desde a região do sul de Angola até ao MC), responsável pela maioria das chuvas estivais do subcontinente sul Africano. Muitas das TTTs (incluindo o MCT), são alimentados pelas águas quentes do MC, em particular devido ao calor latente libertado pelas correntes oceânicas aí existentes (como é o caso da Corrente das Agulhas). O principal objetivo desta tese foi, essencialmente, analisar os mecanismos de transporte e fontes de vapor de água em direção à região do SW Africano, identificando as possíveis causas de variabilidade (a diversas escalas) da precipitação da região e verificando padrões atmosféricos que contribuem para períodos mais secos ou mais húmidos nesses locais. Deste modo, foram utilizados dados meteorológicos mensais da mais recente reanálise do Centro Europeu de Previsão do Tempo a Curto e Médio Prazo (ECMWF), para o período entre 1980 e 2020. Foram também analisados dados de precipitação provenientes de 10 estações meteorológicas espalhadas pelas regiões do sul de Angola e norte da Namíbia. Estas últimas, relativas ao período 2014-2020. Análises sinóticas e climatológicas à circulação de humidade na atmosfera permitiram identificar o Oceano Índico como principal fonte de humidade para o subcontinente sul-Africano, resultado confirmado pela prevalência de dias chuvosos (secos), na região do SW Africano, quando os ventos sopram maioritariamente de leste (oeste). Na verdade, são os LLJ do Zambezi e do Limpopo que permitem uma significativa advecção de vapor de água desde o Oceano Índico até ao sul de África, sendo a intensidade do transporte controlada pela AL e pelo MCT. Os resultados mostram que existe uma tendência para que a AL e o MCT se conjuguem em fases idênticas, i.e., quando um sistema se apresenta com intensidades menores (mais fraco), o outro também, e vice-versa. Esta situação tem implicações consideráveis nas chuvas da região. Foi verificado que conjugações de AL forte (fraca) e MCT forte (fraco) se relacionam com valores de precipitação abaixo (acima) do normal. Os resultados mostraram também que estas combinações de intensidades entre a AL e o MCT afetam mais expressivamente a intensidade do LLJ do Zambezi do que do Limpopo, com AL forte (fraca) AL e MCT forte (fraco) associados a um Zambezi LLJ fraco (forte) e, consequentemente, escassez (abundância) de precipitação na região do SW Africano. Os impactos de dois importantes modos de variabilidade de larga-escala - o El-Niño Southern Oscillation (ENSO) e o Subtropical Indian Ocean Dipole (SIOD) - na precipitação interanual regional, foram também analisados, na medida em que ambos os modos se associam a flutuações nas temperaturas da superfície do oceano (em especial na região do MC) e também, a oscilações nos valores de altura do geopotencial em toda a região do sul de África. Verificou-se, assim, que meses de El-Niño (La-Niña) se associam não só a diminuições (aumentos) de precipitação sobre o subcontinente sul-Africano, como também a desvios meridionais da AL em direção a norte (sul), acompanhados por diminuições (aumentos) de intensidade deste mesmo sistema, independentemente da fase do SIOD. Sobre a região de interesse (SW de África), a influência de ambos os modos de variabilidade nas anomalias de precipitação verificou-se pouco significativa. No entanto, é preciso ter em conta que, em todas as conjugações analisadas (entre ambas as fases do SIOD e do ENSO), o território em estudo localizou-se numa “zona de fronteira” entre anomalias negativas e positivas de precipitação, associadas a um fraco sinal estatístico. Ainda assim, mesmo com fraca significância estatística, os resultados indicaram que SIOD positivos associados a meses de La-Niña apresentam um padrão de precipitação acima do normal para as regiões do SW Africano. Uma análise a dois casos de estudo de eventos extremos de precipitação (um muito chuvoso e o outro, muito seco), permitiu concluir que, nestes casos, a variabilidade de larga escala exerceu um forte domínio na intensidade e dinâmicas dos sistemas sinóticos que ocorreram sobre o subcontinente (nomeadamente a AL e o MCT), não se descartando, de igual forma, a considerável ação de circulações de cariz local que surgiram na região (e.g., o ciclone Idai), perturbando significativamente a advecção de humidade em direção à região de interesse e, consequentemente, a precipitação sobre estes locais. Por fim, discutiu-se o impacto que a falta de instrumentos meteorológicos in situ na região do sul de África, em particular no SW Africano, nomeadamente no que concerne à inexistência de séries temporais longas de diversos parâmetros físicos (precipitação, humidade, temperatura, entre outros…), o que tem contribuído para um maior desconhecimento científico sobre a dinâmica da atmosfera nestes locais. Desta forma, torna-se da maior relevância investir em instrumentos científicos (como estações meteorológicas) ou em campanhas de recolha de dados (como por exemplo, estudar perfis atmosféricos). É também crucial, num contexto de aumento da temperatura média global, compreenderem-se mudanças nos padrões de variabilidade de larga escala (ENSO e SIOD) e os seus respetivos impactos na precipitação do sul de África.
Ao longo das últimas décadas, o sul de África tem experienciado um significativo aumento da sua vulnerabilidade à variabilidade atmosférica da região, na medida em que esta última influencia, direta ou indiretamente, a advecção e a convergência de humidade nos níveis mais baixos da atmosfera, provocando o aumento ou diminuição da quantidade de precipitação nestes locais. De facto, a variável meteorológica de maior importância para o sul de África é a precipitação, visto que as economias e a sociedade dos países aí localizados dependem fortemente de uma agricultura de cariz maioritariamente rudimentar e, por isso, muito dependente da água que provém da chuva. No entanto, as projeções climáticas mais recentes para as próximas décadas apontam para uma diminuição significativa da quantidade de precipitação em grande parte do subcontinente, essencialmente nas regiões do Sudoeste (SW Africano), ou seja, Angola e Namíbia, temendo-se, futuramente, consequências socioeconómicas e humanitárias muito severas. Deste modo, torna-se muito relevante compreender a circulação atmosférica da região, bem como identificar as fontes e mecanismos de transporte de humidade até às áreas de maior vulnerabilidade do sul de África. A literatura científica mais recente indica que durante o verão austral ocorrem dois sistemas de baixa-pressão que dominam estas regiões e são responsáveis por grande parte da conversão de humidade em precipitação: a Depressão de Angola (Angola Low ou AL) e um sistema ciclónico no Canal de Moçambique (Mozambique Channel Trough ou MCT). Durante esta época do ano, formam-se jatos nos níveis baixos da atmosfera (Low-Level Jets ou LLJs) nos vales dos rios Zambezi e Limpopo, servindo como “portas de entrada” à humidade proveniente do Oceano Índico, em direção às regiões centrais e ocidentais do subcontinente. A advecção de humidade por meio destes LLJs, em direção a oeste, é forçada pela circulação atmosférica em torno de um sistema de altas pressões (HP) localizado na região sul do Oceano Índico, denominado por Mascarene HP (ou anticiclone do Índico Sul). No entanto, a presença de uma barreira orográfica importante como é o caso da ilha de Madagáscar, afeta o transporte de humidade até à região dos vales dos rios Limpopo e Zambezi, induzindo variabilidade nos escoamentos associados aos respetivos LLJs. O ajustamento dinâmico deste fluxo (predominantemente de leste) à topografia de Madagáscar, induz uma circulação ciclónica na região do Canal de Moçambique (MC) – o denominado MCT. A humidade advectada até ao SW Africano colide com fluxos de humidade provenientes do Atlântico Sul que, conjuntamente com forçadores orográficos na região do interior de Angola e Namíbia, alimentam um sistema de baixas pressões, essencialmente de origem térmica, que se formam na zona de fronteira entre estes dois países. A convergência de humidade proveniente (maioritariamente) de ambos os oceanos (Índico e Atlântico), alimenta este sistema, que adquire características tropicais e se passa a denominar por AL. O sistema mantém-se quase-estacionário na região devido à orografia do SW de África, na medida em que as cadeias montanhosas existentes ao longo da costa e no interior destes países, promovem escoamentos anabáticos que, por consequência, alimentam processos de convecção profunda, alimentando e fortalecendo a AL. Em conjunto, a AL e o MCT originam uma banda de nuvens (denominada por Tropical Temperate Troughs, ou TTTs), com orientação NW-SE (i.e., desde a região do sul de Angola até ao MC), responsável pela maioria das chuvas estivais do subcontinente sul Africano. Muitas das TTTs (incluindo o MCT), são alimentados pelas águas quentes do MC, em particular devido ao calor latente libertado pelas correntes oceânicas aí existentes (como é o caso da Corrente das Agulhas). O principal objetivo desta tese foi, essencialmente, analisar os mecanismos de transporte e fontes de vapor de água em direção à região do SW Africano, identificando as possíveis causas de variabilidade (a diversas escalas) da precipitação da região e verificando padrões atmosféricos que contribuem para períodos mais secos ou mais húmidos nesses locais. Deste modo, foram utilizados dados meteorológicos mensais da mais recente reanálise do Centro Europeu de Previsão do Tempo a Curto e Médio Prazo (ECMWF), para o período entre 1980 e 2020. Foram também analisados dados de precipitação provenientes de 10 estações meteorológicas espalhadas pelas regiões do sul de Angola e norte da Namíbia. Estas últimas, relativas ao período 2014-2020. Análises sinóticas e climatológicas à circulação de humidade na atmosfera permitiram identificar o Oceano Índico como principal fonte de humidade para o subcontinente sul-Africano, resultado confirmado pela prevalência de dias chuvosos (secos), na região do SW Africano, quando os ventos sopram maioritariamente de leste (oeste). Na verdade, são os LLJ do Zambezi e do Limpopo que permitem uma significativa advecção de vapor de água desde o Oceano Índico até ao sul de África, sendo a intensidade do transporte controlada pela AL e pelo MCT. Os resultados mostram que existe uma tendência para que a AL e o MCT se conjuguem em fases idênticas, i.e., quando um sistema se apresenta com intensidades menores (mais fraco), o outro também, e vice-versa. Esta situação tem implicações consideráveis nas chuvas da região. Foi verificado que conjugações de AL forte (fraca) e MCT forte (fraco) se relacionam com valores de precipitação abaixo (acima) do normal. Os resultados mostraram também que estas combinações de intensidades entre a AL e o MCT afetam mais expressivamente a intensidade do LLJ do Zambezi do que do Limpopo, com AL forte (fraca) AL e MCT forte (fraco) associados a um Zambezi LLJ fraco (forte) e, consequentemente, escassez (abundância) de precipitação na região do SW Africano. Os impactos de dois importantes modos de variabilidade de larga-escala - o El-Niño Southern Oscillation (ENSO) e o Subtropical Indian Ocean Dipole (SIOD) - na precipitação interanual regional, foram também analisados, na medida em que ambos os modos se associam a flutuações nas temperaturas da superfície do oceano (em especial na região do MC) e também, a oscilações nos valores de altura do geopotencial em toda a região do sul de África. Verificou-se, assim, que meses de El-Niño (La-Niña) se associam não só a diminuições (aumentos) de precipitação sobre o subcontinente sul-Africano, como também a desvios meridionais da AL em direção a norte (sul), acompanhados por diminuições (aumentos) de intensidade deste mesmo sistema, independentemente da fase do SIOD. Sobre a região de interesse (SW de África), a influência de ambos os modos de variabilidade nas anomalias de precipitação verificou-se pouco significativa. No entanto, é preciso ter em conta que, em todas as conjugações analisadas (entre ambas as fases do SIOD e do ENSO), o território em estudo localizou-se numa “zona de fronteira” entre anomalias negativas e positivas de precipitação, associadas a um fraco sinal estatístico. Ainda assim, mesmo com fraca significância estatística, os resultados indicaram que SIOD positivos associados a meses de La-Niña apresentam um padrão de precipitação acima do normal para as regiões do SW Africano. Uma análise a dois casos de estudo de eventos extremos de precipitação (um muito chuvoso e o outro, muito seco), permitiu concluir que, nestes casos, a variabilidade de larga escala exerceu um forte domínio na intensidade e dinâmicas dos sistemas sinóticos que ocorreram sobre o subcontinente (nomeadamente a AL e o MCT), não se descartando, de igual forma, a considerável ação de circulações de cariz local que surgiram na região (e.g., o ciclone Idai), perturbando significativamente a advecção de humidade em direção à região de interesse e, consequentemente, a precipitação sobre estes locais. Por fim, discutiu-se o impacto que a falta de instrumentos meteorológicos in situ na região do sul de África, em particular no SW Africano, nomeadamente no que concerne à inexistência de séries temporais longas de diversos parâmetros físicos (precipitação, humidade, temperatura, entre outros…), o que tem contribuído para um maior desconhecimento científico sobre a dinâmica da atmosfera nestes locais. Desta forma, torna-se da maior relevância investir em instrumentos científicos (como estações meteorológicas) ou em campanhas de recolha de dados (como por exemplo, estudar perfis atmosféricos). É também crucial, num contexto de aumento da temperatura média global, compreenderem-se mudanças nos padrões de variabilidade de larga escala (ENSO e SIOD) e os seus respetivos impactos na precipitação do sul de África.
Descrição
Tese de mestrado, Ciências Geofísicas (Meteorologia e Oceanografia), 2022, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências
Palavras-chave
Jato de níveis baixos advecção de humidade sul de África Depressão de Angola Sistema ciclónico do Canal de Moçambique Teses de mestrado - 2022