Baixas Polares

Baixas Polares (Polar Lows)

Organizado por: Igor Stivanelli Custódio
Avaliado por: Rafael Pereira

Definição: 

Uma baixa polar é definida como um pequeno, mas intenso, ciclone que se forma no ar mais frio e é advectado sobre águas mais quentes (American Meteorological Society).

A Organização Meteorológica Mundial (WMO em inglês) refere-se a baixa polar apenas como uma depressão de ar polar pequena e pouco profunda, considerada uma depressão secundária de caráter não-frontal, formando-se dentro de uma massa de ar polar, especialmente no inverno, sobre os mares polares. Move-se seguindo a direção da corrente de ar em que está inserida.

De acordo com o Grupo de Trabalho Europeu de Baixas Polares (EPLWG, em inglês; 1994), o termo ‘ciclone polar de mesoescala’ é genérico, e serve para todos os vórtices ciclônicos polares com escala meso-α (200-2000 km) e meso-β (20-200 km). Já o termo ‘baixa polar’ deve ser usado para intensos ciclones polares marítimos de mesoescala, cuja escala horizontal é de até 1000 km com vento em superfície superior a 15 m.s^-1.

Uma definição mais recente pode ser encontrada em Rasmussen e Turner (2003), os quais afirmam que uma baixa polar é um pequeno ciclone marítimo, mas bastante intenso, que se forma em direção aos polos sobre a zona baroclínica principal (parte da frente polar ou outra zona baroclínica maior). A escala horizontal varia de 200 a 1000 km e os ventos de superfície são próximos ou acima da força de um vendaval.

A maioria das baixas polares significativas se formam perto da costa Ártica ou ao longo das bordas de gelo junto à costa e possuem um ciclo de vida de um a dois dias. (Rasmussen e Turner, 2003)

                                                                                

Desenvolvimento:

            Para o desenvolvimento de uma Baixa Polar (BP) são necessárias algumas condições de pré-desenvolvimento e mecanismos de gatilho (COMET, 2004; Xia et al. 2012), dentre eles:

• Áreas onde o ar frio está fluindo sobre uma superfície de água relativamente mais quente;
• Grande diferença de temperatura entre o ar e a água;
• Curvatura ou contornos ciclônicos (cavados) nos níveis de 700 e 500 hPa;
• Formação de ‘clouds streets’;
• Ventos em superfície de 15 nós (~7,7 m/s) ou menos;
• Formação de zonas superficiais baroclínicas ao longo das bordas de gelo ou na corrente de ar frio;
• Formação de convecção profunda ou vórtices de baixos níveis na massa de ar frio, devido a convergência ou as zonas baroclínicas rasas;
• Proximidade com a área máxima do jato (Jet Streak) ou uma área de advecção de vorticidade positiva (negativa) para o Hemisfério Norte (Sul);
• Aproximação de um cavado em 500 hPa ou um vórtice com temperaturas inferiores a -30ºC. A maior parte da literatura menciona uma diferença, entre a temperatura da superfície do mar e a temperatura em 500 hPa, maior do que 40ºC.

Após estabelecidas as condições de pré-formação, é necessário ainda a presença de algum tipo de instabilidade para aprofundar o sistema, neste caso, é comumente observada a presença da instabilidade condicional do segundo tipo (CISK em inglês) ou a instabilidade da interação entre o ar-mar. Alguns estudos mostram que, na fase madura da BP, forma-se frequentemente um núcleo quente. Ocasionalmente uma BP pode desenvolver ventos com força de furacão, para tal, é necessária uma forte convergência em baixos níveis e/ou divergência em altos níveis (Rasmussen, 1985; Shapiro et al. 1987).

Identificação:

1)    Identificação e rastreamento por código computacional:

Xia et al. (2012) compararam dois métodos de identificação e rastreamento de uma baixa polar, para isso utilizaram as seguintes condições para a detecção:

• Registraram todas as posições de mínimos e máximos no campo de saída filtrado da Pressão Reduzida ao Nível Médio do Mar (PRNMM), abaixo ou acima de determinados limiares;
• O limiar escolhido foi um valor de PRNMM filtrada menor do que -1 hPa;
• O gradiente de PRNMM do centro do ciclone tem que ser maior do que 0,3 hPa/km. Valores mínimos sobre a terra são descartados;

Após o rastreamento, adotaram os critérios para identificação de uma BP descritos por Zahn e von Storch (2008a):

1)       Utilizando a PRNMM filtrada, o valor deve ser inferior a -2 hPa pelo menos uma vez ao longo de uma trajetória;

2)       A velocidade máxima do vento a 10 m dentro de uma distância de 100 km em torno do centro da tempestade tem que ser maior do que 13,9 m.s^-1, por pelo menos 20% das posições identificadas pelo rastreamento;

3)       A diferença entre a temperatura da superfície do mar e a temperatura em 500 hPa deve ser superior a 43ºC, pelo menos uma vez ao longo da trajetória;

4)     As trajetórias detectadas tomando caminho ao longo da costa por mais de 50% do seu tempo, em uma caixa de grade, são descartadas (Zahn et al. (2008) sugeriram que o processo de filtragem pode ser influenciado pela orografia montanhosa ao longo da costa e pode haver alguma baixa artificial induzida pela orografia);

5)       Movimento da trajetória tem que ser de sul;

6)  Se a PRNMM filtrada for menor do que -6 hPa pelo menos uma vez ao longo da trajetória, e o critério (4) for cumprido, também será considerada como uma BP; caso contrário, os demais critérios devem ser respeitados.

Para um maior entendimento sobre os métodos utilizados, recomenda-se a leitura dos seguintes artigos:

• Zappa et al. (2014);
• Xia et al. (2012);
• Zahn e von Storch (2008a);
• Hoskins e Hodges (2002);
• Hodges (1999);
• Hodges (1994).

2)    Identificação através de imagens de satélite (COMET, 2004):

Para identificar uma Baixa Polar através de imagens de satélite, é necessário um sistema que apresente as seguintes características:

1)           Um ‘olho’ claro no centro do sistema. Isso ocorre apenas em alguns casos, em que apresentam forte divergência em altos níveis. O olho indica assim, uma situação em que a baixa sofreu rápida intensificação e é suscetível de ser associada com altas velocidades de vento;

2)           Nuvens Cirrus em um padrão ondulatório que irradia do centro da baixa, indicando ventos fortes;

3)           A aparência lisa das nuvens, muitas vezes indica uma baixa polar intensa, já baixas mais fracas pode apresentar Cb´s individuais dentro da espiral de nuvem;

4)       O aumento da temperatura do topo da nuvem, perto do centro, indica movimentos subsidentes;

5)    As temperaturas do topo da nuvem são tipicamente abaixo de -40ºC, e assim, mostrando que elas chegam além da altura de 500 hPa.

6)           Muitas vezes uma baixa polar vai estar associada as ‘clouds streets’ (ou nuvens ruas), as quais indicam que há uma instabilidade em baixos níveis, decorrente do fluxo de ar mais frio que sopra das superfícies de neve ou gelo, sobre a água do mar relativamente mais quente.

            A intensidade e estrutura de uma baixa polar pode ser deduzida através de uma análise cuidadosa da imagem de satélite. Além disso, a direção de movimento de uma baixa polar pode ser estimada pelo sentido do fluxo do vento em 700 hPa (Noer et al. 2003). As baixas polares apresentam quatro tipos de ‘assinatura’ de nuvens em uma imagem de satélite, sendo eles:

• Tipo Vórtice (Fig. 2.1): uma organização de nuvens convectivas em um padrão mais ou menos circular, com uma ranhura de ar seco aparecendo perto do centro da circulação;

 Figura 2.1. Exemplo de uma assinatura do tipo Vórtice em imagens de satélite (FONTE: COMET)

• Espiral e ‘Vírgula’ (Fig. 2.2): São os padrões de organização de nuvens mais comuns em uma baixa polar. A assinatura espiral é caracterizada por bandas de nuvens convectivas curvadas para dentro em direção ao centro do sistema. Já a tipo ‘virgula’ apresenta uma organização de nuvens em forma de vírgula, tipicamente menor do que o observado em ciclones extratropicais, e geralmente associada com uma banda de nuvens cirros.

 Figura 2.2. Exemplo de uma assinatura do tipo Espiral (ou Vírgula) em imagens de satélite (FONTE: COMET)

• ‘Cloud-free eye’ (Fig. 2.3): é uma formação característica de uma baixa polar no estágio maduro, indica a presença de um núcleo quente em baixos níveis e fortes ventos em superfície. Pode ser visto na imagem de satélite como um ‘olho’ claro dentro do sistema;

 Figura 2.3. Exemplo de uma assinatura 'Cloud-free eye' em imagens de satélite (FONTE: COMET)

• ‘Marry-go-round’ (Fig. 2.4): Este tipo de assinatura em uma imagem de satélite, ocorre quando várias baixas polares (ou ciclones de mesoescala) se formam em resposta a um cavado em altos níveis de onda curta embebidos no fluxo de grande escala. Estes sistemas de núcleo frio podem representar os últimos estágios de um ciclone sinótico ocluído.

 Figura 2.4. Exemplo de uma assinatura 'Marry-go-round' em imagens de satélite (FONTE: COMET)

3)    Alguns itens que se deve olhar para a identificação de uma baixa polar através de relatórios de superfície (SYNOP, METAR, TAF...):

• Queda rápida ou inesperada da pressão do ambiente;
• Aumento rápido ou inesperado dos ventos em superfície;
• Aumento da precipitação em forma de neve, e possibilidade de trovoadas na costa, ilhas ou navios que estejam nos locais.
• Imagens de satélite mostrando um desenvolvimento reforçado e organizado de nuvens convectivas.

Sazonalidade:

As figuras 1, 2 e 3, mostram a frequência de ocorrência de baixas polares próximo as águas do Canadá (Figura 1), sobre o mar da Noruega (Figura 2) e no golfo do Alasca e mar de Bering (Figura 3) . Pela análise das figuras, nota-se que a estação de maior ocorrência de baixas polares nestas localidades, é durante o outono e inverno do Hemisfério Norte. De acordo com Barry e Chorley (2010), no hemisfério Sul as baixas polares parecem ser mais frequentes nas estações de transição, pois são os momentos de gradientes meridionais mais fortes de temperatura e pressão.

Exemplo:

Baixa Polar que ocorreu no dia 26/03/2014 sobre o mar de Labrador:

 Figura 4. BP sobre o mar de Labrador no dia 26/03/2014, imageamento feito pelo sensor MODIS a bordo do satélite Aqua. (FONTE: NASA)

            Na imagem de satélite (Fig. 4), pode-se ver a Groenlândia coberta de gelo (NE da BP) e o Canadá coberto de neve (SW da BP). A imagem ainda mostra as Clouds Streets ('nuvem rua') no lado NW da BP, as quais se formam quando o vento de baixos níveis sopram ar frio sobre águas mais quentes. Vale ressaltar que, embora as águas do mar de Labrador sejam frias, o vento que sopra do continente, sobre as terras cobertas de gelo ou neve, são ainda mais frios. Além disso, ainda há a formação da nuvem tipo 'virgula', associada a BP, e a presença de um 'olho' claro no centro.

            Para melhor caracterizar a BP acima, foram elaboradas três figuras com alguns campos para identificar a BP. Para tal, utilizou-se os dados disponibilizados pela reanálise do ECMWF (ERA Interim), com resolução de 0,125º de latitude e longitude, para a região compreendida entre 80-10ºW e 30-80ºN. O período selecionado dos dados foi para os dias 25, 26 e 27 de março de 2014, a fim de mostrar as condições sinóticas antes de formar a BP, no tempo que a BP está madura e na sua dissipação.

            A Figura 5 mostra os campos selecionados para às 00Z do dia 25 de março de 2014. Este horário foi escolhido a fim de verificar algumas condições de pré-desenvolvimento da BP. Na Figura 5a, verifica-se que a baixa pressão em superfície (linha tracejada) tem suporte do Jato em altos níveis. Lembrando que, na entrada do máximo do Jato (Jet Streak) tem-se divergência em altos níveis no lado equatorial do jato, o que favorece a convergência em baixos níveis, fato que pode ser verificado na análise da Figura 5b. Além da presença do jato, ainda há um cavado em 500 hPa (Figura 5b), também dando suporte para a convergência em baixos níveis. A junção destes dois fatores favoreceu os altos valores de convergência encontrados, pelos quais foi possível o aparecimento do ‘olho’ claro no centro da BP em sua fase madura (Figura 4).

Já na Figura 5c, vemos que o centro da baixa pressão possui uma diferença entre a temperatura da superfície do mar e a temperatura em 500 hPa (DT) abaixo de 19ºC, isso indica que, apesar de apresentar as características sinóticas descritas anteriormente a baixa pressão em superfície não pode ser considerada uma BP, pois o valor mínimo de DT é de 30ºC. De acordo com Noer et al. (2003), a direção de movimento de uma baixa polar pode ser estimada pelo sentido do fluxo do vento em 700 hPa, neste caso, podemos inferir que o movimento da baixa pressão em superfície será para N-NE, de acordo com o campo de vento em 700 hPa (Figura 5c).

 Figura 5. Campos observados para as 00Z do dia 25 de março de 2014, antes de formar a BP, onde as linhas tracejadas indicam a pressão ao nível médio do mar juntamente com: a) Intensidade (shaded) e direção do vento (vetor) em 250 hPa; b) Convergência (shaded) em 1000 hPa e geopotencial (linha sólida) em 500 hPa; c) Diferença entre a temperatura da superfície do mar e a temperatura em 500 hPa (DT -shaded), e vento em 700 hPa (vetor).

       

      Assim como ocorre na fase de formação da BP, na fase madura a baixa pressão em superfície tem o suporte do cavado em níveis médios (Figura 6b) e do jato (Figura 6a). No entanto, vale ressaltar que nesta fase, a influência do jato se dá na região da saída do Jet Streak, o qual favorece a divergência em altos níveis no lado polar (esquerdo) do jato, demarcado com um ‘X’ na figura. Nota-se ainda que a DT no centro do sistema varia entre 31 e 37ºC, corroborando com os valores típicos encontrados na literatura, e que o movimento da BP passa a ser para N-NW, de acordo com o fluxo de vento em 700 hPa (Figura 6c). Pode-se notar ainda que, nesta fase, o sistema se encontra mais intenso do que na fase anterior, atingindo pressões menores do que 972 hPa em seu centro.

 Figura 6. Idem a Figura 5, mas para a fase madura da BP (00Z do dia 26 de março de 2014).

           

      A BP começa a se dissipar quando atinge a costa da Groenlândia, nesta fase (Figura 7), ela já não tem mais o suporte do jato em altos níveis nem do cavado em níveis médios. Apesar disso, ainda se nota valores de convergência em superfície (Figura 7b), relacionados a instabilidade causada pela grande diferença de temperatura entre a costa da Groenlândia (gelo) e a água relativamente mais quente do mar.

Figura 7. Idem a Figura 5, mas para a fase de dissipação da BP (00Z do dia 27 de março de 2014).

Exemplo 2:

Nos dias 25 e 26 de Novembro de 2011, uma forte tempestade se deslocou para a região costeira à norte da Noruega que, de acordo com os noticiários, causou danos em residências e embarcações. De acordo com a previsão local, isto se ocorreu devido a passagem de uma massa de ar frio e ao consequente desenvolvimento de uma baixa polar. A Figura 1 apresenta a carta sinótica de superfície da previsão para as 00Z do dia 26 de Novembro onde é possível observar um centro de baixa pressão próximo à costa norte da Noruega (topo da imagem) que causou os danos mencionados. Há um pequeno centro de baixa pressão se formando à oeste da Islândia.  

Figura 1. Carta sinótica de superfície da previsão para às 00Z do dia 26 de Novembro de 2011. Fonte: MetOffice.

Através dos dados de reanálise para o dia 26, observa-se o forte centro de baixa pressão (Figura 2a) e ventos intensos em superfície (Figura 2b) coincidentes com a carta sinótica apresentada acima. A baixa polar pode ser confirmada, também, pela imagem de satélite para o dia 27 (Figura 3), assim como a nebulosidade à leste da Islândia.

                                       a)                                                         b)

 Figura 2. Dados de reanálise para às 00Z do dia 26 de Novembro de 2011. a) Pressão ao nível médio do mar; b) Campo de vento em superficie. Fonte: NOAA NCEP/NCAR.

Figura 3. Imagem de satélite do dia 27 de Novembro de 2011. Fonte: Dundee Satellite Receiving Station.

A baixa polar se deslocou na direção Leste-Nordeste (para o Mar de Barentis), enquanto a baixa que estava se formando à oeste da Islândia se intensificou e deslocou para leste (Figura 4).

Figura 4. Carta sinótica de superfície para às 00Z do dia 27 de Novembro de 2011. Fonte: MetOffice.

Através dos dados de reanálise para o dia 27, observa-se o centro de baixa pressão (Figura 5a) e ventos intensos em superfície (Figura 5b) referentes à baixa que se formou à oeste da Islândia e se deslocou, ganhando intensidade, para leste.

                                                   a)                                                       b)

 Figura 5. Dados de reanálise para às 00Z do dia 27 de Novembro de 2011. a) Pressão ao nível médio do mar; b) Campo de vento em superficie. Fonte: NOAA NCEP/NCAR.

Referências

polarlows.wordpress.com/2011/11/27/polar-low-in-the-wake-of-storm

NOAA NCEP/NCAR - www.esrl.noaa.gov/psd/data/composites/hour

Dundee Satellite Receiving Station (Dundee University, UK) - www.sat.dundee.ac.uk

MetOffice - www.metoffice.gov.uk

Referências

Barry, R. G.; Chorley, R. J. Atmosfera, tempo e clima. Bookman, 9ªed, 2010.

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Hodges, K. I. (1999) Adaptive constraints for feature tracking. Monthly Weather Review, 127 (6). pp. 1362-1373. ISSN 1520- 0493 doi: 10.1175/1520-0493

Hoskins, B. J. and  Hodges, K. I.  (2002) New perspectives on the Northern Hemisphere winter storm tracks. Journal of the Atmospheric Sciences, 59 (6). pp. 1041-1061. ISSN 1520-0469

Modulo do COMET: Topics in Polar Low Forecasting. MetEd, 2004. Disponível em: http://www.meted.ucar.edu/norlat/snow/polarlows/.

METEOTERM, World Meteorological Organization. Disponível em: https://www.wmo.int/pages/prog/lsp/meteoterm_wmo_en.html

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Rasmussen, Erik A. and Anette Cederskov, 1994: Polar lows: A critical analysis. The life cycles of extratropical cyclones. Vol 111. Proc. of an International Symposium, Bergan, Norway.

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Shapiro, M.A., L.S. Fedor, and Tamara Hampel, 1987: Research aircraft measurements of a polar low over the Norwegian Sea. Tellus, 39A, 272306.

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Zahn, M. and von Storch, H. 2008a. Tracking polar lows in CLM. Meteorol. Z. 17(4), 445-453. 

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Figura adaptada de:

Figura 4: NASA, disponível em: http://modis.gsfc.nasa.gov/gallery/individual.php?db_date=2014-04-06