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Bem vindo, hoje é Quarta-Feira, dia 20 de Setembro de 2017


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Modelação Oceanográfica nos Açores



Introdução
A Modelação



Introdução

A Modelação Numérica Oceanográfica não é mais do que a simulação, por meio de equações matemáticas, dos processos físicos que se passam no Oceano e da sua evolução. No entanto, só por si, os modelos são incapazes de produzir resultados realistas e, muito menos, podem ser usados para previsão. Para fazer a inicialização de um modelo são necessários dados. Embora o estudo de processos possa ser feito recorrendo a dados empíricos, as simulações realistas exigem, obrigatoriamente, dados reais (dados climatológicos e/ou medições em tempo real). Além disso, numa simulação realista, se o período de simulação for suficientemente grande, é necessário fazer, de tempos a tempos, assimilação de dados, de forma a evitar que o modelo se desvie da realidade que pretende representar. Assim sendo, a metodologia utilizada para o estudo dos processos físicos nos Oceanos pode resumir-se em 4 etapas: aquisição de dados, processamento e análise dos mesmos e, só depois, a modelação numérica.



Figura 1 – Quadro esquemático da metodologia utilizada no estudo dos processos físicos dos Oceanos.
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Figura 2 – Carta instantânea de Vento e Pressão à Superfície para o Atlântico Norte, com base em dados históricos do NCEP (National Centres of Environmental Prediction).


Figura 3 – Carta Climatológica de Temperatura e Correntes Absolutas à Superfície para o Atlântico Norte, com base em dados históricos do NODC (National Oceanic Data Centre).


Figura 4 – Secção Climatológica (secção assinalada a branco na figura anterior) de Correntes Absolutas no Atlântico Norte, com base em dados históricos do NODC (National Oceanic Data Centre).
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A Modelação

Os modelos numéricos são escolhidos de acordo com as escalas espaciais e temporais dos processos a estudar, tendo obviamente em consideração os dados que se encontram disponíveis. Assim, temos :

Modelos de Água Pouco Profunda (Shallow Water Models) - Os SWM são modelos hidrodinâmicos bidimensionais que permitem calcular as distribuições de Temperatura e Salinidade (e Correntes daí resultantes) em regiões de água pouco profunda, nomeadamente em baías e portos.
São modelos hidrostáticos baseados nas equações de Navier-Stokes integradas na vertical, em que a superfície livre é descrita por uma equação de onda generalizada. A sua inicialização é feita com um determinado estado de base (Temperatura e Salinidade) medido ou climatológico e o forçamento é feito através da topografia, do vento e da maré gravítica. Permitem, por exemplo, efectuar estudos sobre os melhores sítios para a colocação de um emissário ou prever a evolução de um derrame poluente num porto comercial.

Um SWM foi utilizado para estudar os efeitos de um hipotético derrame poluente na entrada do porto comercial da Praia da Vitória, na ilha Terceira, Açores. A Figura 5 mostra, à esquerda, a distribuição da mancha num instante de maré vazante e, à direita, a mesma mancha 6 horas após o derrame. Se com a Corrente de Maré não co-existissem outros processos físicos, a mancha poluente ficaria sempre confinada à entrada do Porto, sendo arrastada um pouco para fora na maré vazante e voltando a entrar na maré enchente (vídeo 1). O vaivém a que a mancha está sujeita (devido às correntes de maré locais), aliado ao seu espraiamento horizontal torna óbvia a grande importância que tem a previsão do comportamento de uma mancha poluente para a tomada de decisões na intervenção directa em caso de necessidade.


Figura 3 – Carta Climatológica de Temperatura e Correntes Absolutas à Superfície para o Atlântico Norte, com base em dados históricos do NODC (National Oceanic Data Centre).



Vídeo 1 – Simulação em vídeo da Corrente de Maré no Porto da Praia da Vitória.

Modelos de Equações Primitivas (PEM) - São aqueles que resolvem as equações na sua forma mais completa. Quando forçados com a topografia, com um determinado estado de base (Temperatura, Salinidade, Correntes...), com dados altimétricos, com vento, altura e correntes de maré, permitem o cálculo da circulação, dispersão (larvas, poluentes,...), clima oceânico, transporte de efluentes (sedimentos, poluição, emissários...).

O vídeo 2 mostra a simulação da circulação na Corrente dos Açores, feita com um modelo de equações primitivas (SPEM).


Vídeo 2 – Circulação na Corrente dos Açores.

A Corrente dos Açores é uma corrente essencialmente zonal, que forma meandros que se libertam a Norte sob a forma de eddies com rotação anticiclónica.

Os PEM permitem também calcular a dispersão de um eventual derrame no oceano. O vídeo 3 mostra o que aconteceria a um derrame pontual de crude no seio da Corrente dos Açores.


Vídeo 3 – Derrame pontual de crude na Corrente dos Açores.

É possível verificar que a dispersão se faz segundo o regime de escoamento imposto pela corrente.
Infelizmente, este tipo de acidentes é muito menos raro do que gostaríamos que fosse, como o atestam as fotografias que se seguem:



Figuras 6 – Fotografias de derrames de crude em alto mar.

Outro modelo de equações primitivas (POM) foi utilizado na reconstrução da tempestade que em Dezembro de 2001 partiu o molhe do Porto Comercial da baía da Praia da Vitória.


Figura 7 – Simulação da altura da superfície livre do do mar (m) na baía e ao largo da Praia da Vitória numa hipotética situação sem vento e com Hs=8m e Ts=12-14s.

A figura 7 representa a altura da superfície livre do mar dentro da baía e ao largo da Praia da Vitória numa situação (hipotética) em que a Altura Significativa da Ondulação é Hs = 8m e o Período Médio Ts=12-14s, mas sem vento.

A figura 8 representa a altura da superfície livre do mar dentro da baía e ao largo da Praia da Vitória na situação real da tempestade de Dezembro de 2001, em que a Altura Significativa Média da Ondulação foi Hs = 8m, o Período Médio Ts=12-14s e o vento médio persistente de leste, com cerca de 70 a 80km/h.


Figura 8 – Simulação da altura da superfície livre do do mar (m) na baía e ao largo da Praia da Vitória durante a tempestade de Dezembro de 2001 (Hs=8m e Ts=12-14s, vento médio de leste de 70-80km/h).

A comparação entre as duas figuras evidencia bem a diferença do nível do mar dentro e fora do molhe e o abaixamento anormal do lado de dentro durante a tempestade, que levou a que o molhe não resistisse.

Modelos de Agitação Marítima - São modelos que, podendo ser forçados com a topografia, vento, correntes, nível do mar, ..., permitem calcular a ondulação e a agitação marítima.

WAVEWATCH III - É um modelo de grande escala para a evolução do estado do mar, de 3ª geração, baseado na equação de balanço do espectro densidade de acção. O seu forçamento é feito pela topografia, pelo vento, pelas correntes (mesoscala e marés) e pelo nível do mar (maré climatológica, assimilação de dados de radar...).

O modelo permite a refracção e deformação do campo de ondas devidas às variações espaciais e temporais da profundidade média e das correntes médias. Permite também o crescimento e decaímento devidos à acção do vento, às interacções não lineares de ressonância, à dissipação e ao atrito com o fundo. No entanto, a física do modelo não contempla situações em que a propagação das ondas está muito limitada pela profundidade.

Recorrendo a dados históricos de vento (46 anos de dados, disponíveis numa malha gaussiana global de 1.875º e resolução temporal de 6 horas), está a ser reconstruido o estado do mar no Atlântico Norte entre 1960 e 2006. Essa simulação é depois utilizada para inicializar e forçar um sub-domínio com a região dos Açores e esta última, ainda, para inicializar um outro sub-domínio, só com as ilhas dos Grupos Central e Oriental do arquipélago. A figura 9 mostra um determinado instante dessa reconstituição do campo das ondas, para os 3 domínios:


Figura 9 – Altura Significativa da Ondulação calculada com base na Direcção e Intensidade do Vento, num determinado instante.

Este trabalho só é possível devido à recente colocação, no âmbito dos projectos CLIMAAT, de duas bóias ondógrafo no Arquipélago, uma ao largo da Praia da Vitória, na Ilha Terceira, e outra ao largo de Ponta Delgada, na Ilha de S. Miguel. Só com estes pontos de controlo o modelo pôde ser calibrado e os seus resultados validados.

As bases de dados utilizadas foram:
Topografia › ETOPO5 (“ETOPO5 Digital Relief of the Surface of the Earth”. National Geophysical
Data Center, Data announcement 86-MGG-02. NOAA, 1988)
Vento › Dados históricos do NCEP/NCAR.

No âmbito do projecto CLIMAAT, o LAMTec está agora a efectuar, com o modelo WAVEWATCH III, previsões a 72 horas da agitação marítima para o Atlantico Norte e, em particular, para o Arquipélago dos Açores, actualizadas todas as 12 horas, disponibilizando-as na internet, na página do projecto: http://www.climaat.angra.uac.pt, link Previsão do Estado do Mar (Açores). O forçamento do modelo é feito com previsões de vento aos 10m obtidas pelo Centro de Geofísica da Universidade de Lisboa com o modelo atmosférico MM5.

De forma a manter o modelo sempre calibrado, estas previsões são constantemente comparadas com medições feitas por duas bóias ondógrafo colocadas no Arquipélago (Praia da Vitória e Ponta Delgada), também no âmbito do projecto CLIMAAT.

As Figuras 10 a) e b) mostram a previsão da Altura Significativa e da Direcção da Ondulação feita às 00 horas do dia 20 de Janeiro de 2006, para as 12 horas do mesmo dia, para o Atlântico Norte e para o Arquipélago.


Figuras 10 – Previsão da Ondulação no Atlântico Norte e no Arquipélago dos Açores.

Os “outputs” deste modelo podem ser utilizados na inicialização e no forçamento do modelo para domínios mais pequenos e também na inicialização e forçamento de outros modelos de menor escala, como é o caso do SWAN.

SWAN – A filosofia básica do SWAN (Simulating WAves Nearshore) é idêntica à do WAVEWATCH III: é um modelo de ondas de 3ª geração, baseado na equação de balanço da acção de onda e usa a mesma formulação para os termos fonte e sumidouro. No entanto, sendo um modelo de menor escala, que pretende obter estimativas realistas para áreas costeiras, lagos e estuários, tem alguma formulação adicional para águas pouco profundas.

Como não modeliza a difracção, o SWAN não deve ser utilizado em portos nem em situações em que a propagação das ondas está muito limitada pela profundidade.

As figuras que se seguem mostram um exemplo de aplicação deste modelo à baía da Praia da Vitória: A Figura 11 mostra, à esquerda, a batimetria usada para a simulação numérica nesse domínio, tendo também assinalados (a tracejado) os limites da ‘caixa’ em que se realizou a simulação.

Usou-se como condição inicial um forçamento na fronteira Este do domínio, na forma de um espectro de ondas (Figura 11, à direita), todas com a mesma direcção (i.e., orientadas para Oeste, mas com uma ligeiríssima componente para Norte).

Na figura 12 mostram-se os resultados obtidos neste ‘run’ para a altura significativa das ondas e para os respectivos períodos.


Figura 11 – Batimetria da baía da Praia da Vitória (à esquerda) e espectro de ondas com que se inicializou o ‘run’ (à direita).


Figura 12 – a) Altura significativa da ondulação (escala colorida), sobreposta às linhas de topografia de fundo. b) Período médio da ondulação (escala a cores), sobreposto às linhas de topografia de fundo.

Modelos de Previsão da Deriva de Objectos Flutuantes
Com base na previsão do vento, da ondulação e das correntes num determinado local é possível fazer a previsão da deriva de objectos flutuantes para esse mesmo local.

No âmbito do projecto CLIMAAT e de um outro projecto Interreg em que o LAMTec participa (projecto PREVIMAR), foi feito, na região das Canárias, um exercício de recuperação de uma bóia, que foi lançada à água e seguida por satélite durante 6 dias (de 6 a 11 de Abril de 2005).
A previsão do vento fornecida pelo Centro de Geofísica da Universidade de Lisboa permitiu fazer a previsão do estado do mar (modelo WAVEWATCH III) nessa região para esse período. Essas previsões do vento e da ondulação foram introduzidas num modelo de deriva, com o qual se calculou a trajectória prevista da bóia, admitindo que só o ponto de partida era conhecido.


Figura 13 – Trajectórias da bóia; a azul a trajectória real e a vermelho e preto as trajectórias previstas.
(Clique para ver a animação)

Outra experiência que se fez foi, com base em dados altimétricos e hidrológicos, calcular as correntes geostróficas médias naquele período para a mesma região (Manuela Juliano) e introduzir essas mesmas correntes no modelo de deriva.

A Figura 13 mostra os resultados. Pode ver-se que nos primeiros dias a previsão bateu bastante certo: a trajectória prevista seguiu de perto a trajectória real.

Pode ver-se também que, neste caso, o conhecimento das correntes não alterou praticamente nada a previsão da trajectória: uma bóia à superfície é muito mais influenciada pelo vento e pela ondulação do que pelas correntes, a não ser, talvez, em situação de correntes muito fortes, o que não acontecia na altura.

Há que notar que todo este exercício foi feito numa situação de “bom tempo”. É necessário testar o comportamento do modelo em situação de tempestade que, de resto, será a situação mais provável no caso de um salvamento, por exemplo.

Para concluir, pode dizer-se que a implementação e operacionalização de um tal sistema de modelação permite:
A previsão do estado do mar para as diferentes actividades marítimas.
A obtenção de parâmetros estatísticos da agitação marítima para apoio a obras costeiras.
Prever a forma como uma tempestade pode afectar uma dada zona em particular (portos e baías).
A previsão da deriva de derrames poluentes.
O planeamento de estratégias para recuperação de objectos à deriva (salvamentos).
A obtenção de séries de dados suficientemente longas de forma a servirem de base a estudos climatológicos para a região da Macaronésia.