Ocean uptake of anthropogenic CO2 causes ocean acidification, a secular, global-scale decline in the pH of seawater. In order to better understand the implications of contemporary acidification for marine organisms and ecosystems, there is a need to better characterise natural variability in carbonate chemistry. In this thesis, climatological seasonal variability of sea surface pH and aragonite saturation state (OmegaA) in the open ocean is indirectly derived from other parameters of the marine CO2 system, namely total alkalinity (TA) and seawater pCO2/fCO2 (pCO2sw/fCO2sw). New monthly sea surface TA, fCO2sw and temperature climatologies are developed for this purpose, utilising newly-released observational synthesis products (PACIFICA for TA and SOCAT v2 for fCO2sw). Two versions of the new SST climatology are developed, referred to as upper and lower SST (USST and LSST), to test sensitivity to the depth range of the input observations. Annual ranges are generally found to be larger for the USST climatology, derived using observations from the upper 2 m, compared to LSST (which is based on deeper observations). Further, a seasonal cycle is found in the monthly average of the differences between these climatologies north of 30 degN, perhaps partly due to seasonal variation in near-surface stratification. The USST seasonal ranges are also found to be generally larger than in two previous SST climatologies, however, difference in the depth distribution of the input measurements is unlikely the main cause. The new monthly sea surface TA climatology extends coverage into the Nordic seas, excluded from previous climatologies. TA seasonality is found to be small outside of regions with large seasonal ranges in salinity. Large seasonal ranges in salinity and TA are found beneath the Intertropical Convergence Zone, in the Antarctic seasonal sea ice zone and in the western Greenland Sea. Non-salinity driven TA seasonality is found to be large in the Gulf of Alaska, eastern equatorial Pacific and western Greenland Sea. Compared to the Lee et al. (2006) TA climatology, substantially lower annual means and seasonal ranges are found for the subarctic Pacific, a region with greatly improved coverage courtesy of PACIFICA. The pH/OmegaA climatologies derived in the final chapter suggest pH seasonality is predominantly temperature driven in the subtropics and mainly driven by variation in salinity normalised dissolved inorganic carbon (sDIC) in the subpolar north Atlantic, western subarctic Pacific and Southern Ocean. Salinity variation is found to only exert a strong influence on pH seasonality in the western Greenland Sea. Climatological seasonal pH ranges are found to be mostly small in the tropics (<0.05), moderate in the subtropics (0.05-0.10) but very large (>0.1) in parts of the Ross, Weddell, Irminger and Iceland Seas and western subarctic Pacific gyre. OmegaA seasonality is found to be predominantly sDIC-driven everywhere except in the western Greenland Sea, with temperature variation generally being of modest influence. Seasonal cycles of pH and OmegaA are found to be in anti-phase where pH is mainly thermally driven and in-phase where pH is mainly sDIC-forced (both pH and OmegaA vary inversely with DIC). Comparison is made between the primary new pH/OmegaA climatology and various open ocean carbonate chemistry time-series. The climatology captures the general form of the climatological seasonal cycles of pH and OmegaA from the time-series, although with some differences in phasing and seasonal range. Analysing the time-series for long-term trends, I find that inter-decadal anthropogenic CO2 uptake driven pH and OmegaA declines can be modulated by trends in temperature, salinity or sTA. Investigation is also conducted into how the amplitude of pH and OmegaA seasonal cycles might change by 2100 for a subpolar and subtropical time-series. Under a high CO2 emissions scenario, the seasonal range of pH is found to be strongly enhanced for the subpolar time-series and moderately reduced for the subtropical time-series, with both being due to changes in seawater buffer capacity. / Graduate / 0425 / 0415 / robdj87@hotmail.com

La température de surface de l'océan (SST) est depuis l'avènement des satellites, l'une des variables océaniques la mieux observée. Les modèles réalistes de circulation générale océanique ne la prennent pourtant pas en compte explicitement dans leur fonction de forçage. Dans cette dernière, seules interviennent les variables atmosphériques à proximité de la surface (température, humidité, vitesse du vent, radiations descendantes et précipitations) connues pour être entachées d'incertitudes importantes dès lors qu'on considère l'objectif d'étudier la variabilité à long terme de l'océan et son rôle climatique. La SST est alors classiquement utilisée en assimilation de données pour contraindre l'état du modèle vers une solution en accord avec les observations mais sans corriger la fonction de forçage. Cette approche présente cependant les inconvénients de l'incohérence existant potentiellement entre la solution « forcée » et « assimilée ». On se propose dans cette thèse de développer dans un contexte réaliste une méthode d'assimilation de données de SST observée pour corriger les paramètres de forçage atmosphérique sans correction de l'état océanique. Le jeu de forçage faisant l'objet de ces corrections est composé des variables atmosphériques issues de la réanalyse ERAinterim entre 1989 et 2007. On utilise pour l'estimation de paramètres une méthode séquentielle basée sur le filtre de Kalman, où le vecteur d'état est augmenté des variables de forçage dont la distribution de probabilité a priori est évaluée via des expériences d'ensemble. On évalue ainsi des corrections de forçage mensuelles applicables dans un modèle libre pour la période 1989-2007 en assimilant la SST issue de la base de données de Hurrel (Hurrel, 2008), ainsi qu'une climatologie de salinité de surface (Levitus, 1994). Cette étude démontre la faisabilité d'une telle démarche dans un contexte réaliste, ainsi que l'amélioration de la représentation des flux océan-atmosphère par l'exploitation d'observations de la surface de l'océan. / Sea surface temperature (SST) is more accurately observed from space than near-surface atmospheric variables and air-sea fluxes. But ocean general circulation models for operational forecasting or simulations of the recent ocean variability use, as surface boundary conditions, bulk formulae which do not directly involve the observed SST. In brief, models do not use explicitly in their forcing one of the best observed ocean surface variable, except when assimilated to correct the model state. This classical approach presents however some inconsistency between the “assimilated” solution of the model and the “forced” one. The objective of this research is to develop in a realistic context a new assimilation scheme based on statistical methods that will use SST satellite observations to constrain (within observation-based air-sea flux uncertainties) the surface forcing function (surface atmospheric input variables) of ocean circulation simulations. The idea is to estimate a set of corrections for the atmospheric input data from ERAinterim reanalysis that cover the period from 1989 to 2007. We use a sequential method based on the SEEK filter, with an ensemble experiment to evaluate parameters uncertainties. The control vector is extended to correct forcing parameters (air temperature, air humidity, downward longwave and shortwave radiations, precipitation, wind velocity). Over experiments of one month duration, we assimilate observed monthly SST products (Hurrel, 2008) and SSS seasonal climatology (Levitus, 1994) data, to obtain monthly parameters corrections that we can use in a free run model This study shows that we can thus produce in a realistic case, on a global scale, and over a large time period, an optimal flux correction set that improves the forcing function of an ocean model using sea surface observations.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Between 3-12 December 2012, the Oceanographic Vessel Alpha Crucis held oceanographic stations in the Southwestern Atlantic Ocean in support to both SAMOC (South Atlantic Meridional Overturning Circulation) and ACEx (Atlantic Ocean Carbon Experiment) projects. During the research cruise, the vessel performed 19 measurements with the release of weather balloons with radiosondes. From the data collected by the radiosondes, it was possible to verify the variability of the marine atmospheric boundary layer (MABL) over different synoptic conditions occurring in the area and period of study. From meteorological and oceanographic data collected throughout the trajectory of the ship by an automatic weather station and the onboard termosalinograph, it was possible to estimate the latent and sensible heat fluxes between the ocean and the atmosphere from bulk parameterization. In order to better understand the importance of the local forcing mechanisms imposed by the sea surface temperature (SST) and the large-scale forcing by the current synoptic conditions in the study period, 19 measurements were divided into four transects along the complete ship's trajectory, where the data were grouped with respect to the active synoptic weather conditions in the study area. Our results demonstrate that in the absence of large-scale transient systems acting in the study area, the MABL was modulated by the SST field. This was observed in the first transect, were we found a thick and turbulent MABL with its top at around 600 m and more intense heat fluxes (up to 209 W/m² of latent heat and 47 W/m² of sensible heat) mainly over the warm waters associated with the Brazil Current (BC). Over cooler waters of the transect, outside the domain of the BC, the MABL was shallower, around 200 m, with less intense heat fluxes (up to 1.4 W/m² of latent heat and -16.8 W/m² of sensible heat). In the second transect with the formation of an extratropical cyclone in the La Plata river mouth region, we noted the impact of the synoptic atmospheric conditions influencing the evolution of the MABL during the prefrontal condition when a MABL stratification was verified. During the pos frontal situation, the MABL was a well developed one, with a 1200 m height. In the pos frontal environment, latent heat fluxes (average 290 W/m² with a peak of 468 W/m²) and sensible heat fluxes (average of 18 W/m² with a peak of 45 W/m²) indicate a heat flux directed from the ocean to the atmosphere much more intense in his latent component. On the other hand, in the prefrontal region, lower values of the latent heat fluxes (average of 18 W/m² with a minimum of 15.8 W/m²) and sensible heat fluxes (-63.4 W/m²) were found. During the third transect with the incursion of the warm air mass, the MABL became shallower over the cooler waters of the Brazilian Coastal Current. Along of the entire third transect the SST was lower than the air temperature and this transect presented a stable boundary layer. Throughout the fourth and final transect, there was a secondary cyclogenesis off the coast of the Rio Grande do Sul state in southern Brazil, just north of the cyclone that has been formed in the vicinity of the La Plata river mouth. This cyclone has developed rapidly and has moved toward the Southwestern Atlantic Ocean, leaving the study area in the cold sector of the cyclone. With the incursion of the cold air mass, the MABL become thicker and more turbulent with its top around 600 m. The values of latent heat fluxes ranged between 461.2 W/m² over the warm waters associated with the BC and 30.2 W/m² on the cooler waters outside the domain of the BC. This work offers an analysis of movel meteorological and oceanographic observations taken simultaneously in the Southwestern Atlantic Ocean. These observations are fundamental to widen our understanding on the physical processes occurring at the ocean-atmosphere interface and have primary importance for the weather and climate forecast of the south-southwestern region of Brazil. / Entre os dias 3 a 12 de dezembro de 2012, o Navio Oceanográfico Alpha-Crucis realizou estações oceanográficas no Oceano Atlântico Sudoeste em apoio aos projetos SAMOC (South Atlantic Meridional Overturning Circulation) e ACEx (Atlantic Ocean Carbon Experiment). Durante o cruzeiro de pesquisa, o navio realizou 19 medições, com o lançamento de balões meteorológicos com radiossondas. A partir dos dados coletados pelas radiossondas, foi possível verificar a variabilidade da camada limite atmosférica marinha (CLAM) durante distintas condições sinóticas atuantes na área e período de estudo. A partir de dados meteorológicos e oceanográficos coletados ao longo de toda a derrota do navio através da estação meteorológica automática e do termosalinógrafo de bordo, foi possível estimar os fluxos de calor latente e sensível entre o oceano e a atmosfera a partir de parametrizações bulk. Para entender a importância dos mecanismos de forçamento local impostos pela temperatura da superfície do mar (TSM) e de grande escala imposto pelas condições sinóticas vigentes no período de estudo, as 19 medições foram divididas em 4 transectos realizados ao longo da trajetória, onde os dados foram agrupados com respeito às condições atmosféricas sinóticas atuantes. Os resultados do trabalho demonstram que, na ausência de sistemas transientes de grande escala atuantes na região de estudo, a CLAM foi modulada pelo campo de TSM. Isso foi observado no primeiro transecto, onde a CLAM apresentou-se espessa e turbulenta com seu topo em torno de 600 m e com fluxos de calor mais intensos (chegando até 209 W/m² de calor latente e 47 W/m² de calor sensível) principalmente sobre as águas quentes associadas à Corrente do Brasil (CB). Sobre águas mais frias, a CLAM foi mais rasa, em torno de 200 m e com fluxos de calor menos intensos (chegando até 1,4 W/m² de calor latente e -16,8 W/m² de calor sensível). No segundo transecto, com a formação de um ciclone extratropical, nota-se o impacto das condições sinóticas influenciando a evolução da CLAM durante a condição pré-frontal, onde se verificou uma estratificação da CLAM. Na condição pós-frontal, a CLAM apresentou-se bem desenvolvida, com uma altura de 1200 m e os fluxos de calor latente (média de 290 W/m² e com pico de 468 W/m²) e calor sensível (média de 18 W/m² e com pico de 45 W/m²) indicam um fluxo de calor do oceano para a atmosfera muito mais intenso em sua componente latente. Por outro lado, na região pré-frontal, valores mais baixos de fluxos de calor latente (média de 18 W/m² e com um mínimo de -15,8 W/m²) e calor sensível (-63,4 W/m²) foram encontrados. Durante o terceiro transecto com a incursão da massa de ar quente, a CLAM ficou mais rasa sobre as águas mais frias da Corrente Costeira do Brasil. Ao longo de todo o terceiro transecto a TSM esteve menor que a temperatura do ar e esse apresentou uma camada limite estável. Ao longo do último transecto, verificou-se uma ciclogênese secundária na costa do Rio Grande do Sul, imediatamente ao norte do ciclone que havia se formado nas proximidades da desembocadura do Rio da Prata. Esse se desenvolveu rapidamente e se deslocou para o Oceano Atlântico Sudoeste, deixando a região de estudo sob o setor frio do ciclone. Com a incursão da massa de ar frio, a CLAM ficou mais espessa e turbulenta com seu topo em torno de 600 m. Os valores dos fluxos de calor latente variaram entre 461,2 W/m² sobre as águas quentes associadas à da CB e 30,2 W/m² sobre as águas mais frias fora do domínio dessa. Esse trabalho oferece uma análise de observações meteorológicas e oceanográficas inéditas tomadas simultaneamente no Oceano Atlântico Sudoeste. Essas observações são fundamentais para ampliar o entendimento dos processos físicos que ocorrem na interface oceano-atmosfera e tem importância primária para a previsão do tempo e clima na região sul-sudeste do Brasil.

A variabilidade climática é um objeto característico da Geografia já que anomalias positivas ou negativas de seus elementos, principalmente precipitação e temperatura, podem afetar de forma significativa a vida da população atingida. Na presente pesquisa, a variabilidade da vazão na bacia amazônica brasileira para o período de 1976 a 2010 é estudada por meio de técnicas estatísticas, tais como correlação linear, regressão linear simples e múltipla, análise de agrupamento e análise de ondeletas. Campos de componentes atmosféricos são apresentados para a compreensão da circulação atmosférica anômala que leva a anomalias de vazão. O objetivo é compreender com mais profundidade possíveis associações entre a variabilidade da vazão fluvial e da temperatura da superfície do mar, TSM, em regiões oceânicas específicas, reconhecendo-se para isso o acoplamento oceano-atmosfera que modula a variabilidade climática global. Este estudo compreendeu o uso de dados de vazão e precipitação do sistema Hidroweb/ANA, dados de TSM, radiação de onda longa e vento do conjunto de dados da Reanálise I, do NCEP/NCAR, e dados de precipitação do Global Precipitation Climatology Project, GPCP. A maior parte das análises considerou o tratamento de dados na escala mensal. O estudo verificou que há variabilidade espacial para a resposta da correlação linear entre a TSM e a vazão na bacia amazônica brasileira, verificada em cada uma das sub-regiões homogêneas definidas para esta pesquisa. Diferenças espaciais também foram verificadas nos resultados dos testes para tendência linear, identificando-se um padrão de tendência positiva da vazão na parte norte da bacia amazônica brasileira, e, negativa na porção sul. Sugere-se que a tendência negativa na porção sul esteja, em parte, associada à expansão das áreas agrícolas e, portanto, à intensificação do desmatamento. Cada uma das sub-regiões apresentou padrões espaciais de correlação linear diferenciados com os oceanos, mas, de forma geral, verifica-se que os eventos ENOS são importantes na definição da variabilidade da bacia amazônica, sendo mais efetivos nas anomalias de vazão das sub-regiões Norte, Amazonas-Foz e Sul, enquanto que a variabilidade da temperatura da superfície do mar no Atlântico Tropical Norte está bem associada à variabilidade da vazão nas sub-regiões Central e Oeste. A análise dos campos atmosféricos médios para anos caracterizados por ENOS neutros permitiu identificar que a sub-região Oeste apresentou resultados de influência de processos climáticos regionais que influenciaram anomalias positivas e negativas de vazão. Desta forma, a hipótese da tese de que, observando-se as particularidades de associação entre a temperatura da superfície do mar e a vazão fluvial para cada sub-região amazônica seria possível elaborar um modelo estocástico de previsão mais adequado a cada sub-região, sendo cada um mais apropriado a cada subregião, exprimindo maior acurácia e significância estatística, foi confirmada. Cada uma das sub-regiões consideradas apresenta intervalos de tempo preferenciais em que a correlação com a superfície dos oceanos é máxima. Assim, conclui-se que a bacia amazônica não pode ser considerada como um todo quanto à análise climática, já que foram confirmadas variabilidades espaciais de tendência linear dos dados de vazão, correlação entre vazão e precipitação e correlação com anomalias da temperatura da superfície do mar. / Climate variability is a characteristic object of geography, as positive or negative anomalies of its elements, especially precipitation and temperature may significantly affect the lives of the population. In this research, the variability of flow in the Brazilian Amazon basin for the period 1976-2010 is studied through statistical techniques such as linear correlation, simple and multiple linear regression, cluster analysis and wavelet analysis. Fields of atmospheric components are presented for comprehending the anomalous atmospheric circulation which leads to flow abnormalities. The objective is to understand more deeply possible associations between the variability of river flow and sea surface temperature, SST, in specific ocean regions, in order to recognize ocean-atmosphere coupling that modulates the global climate variability. This study has encompassed the use of flow and precipitation data of Hidroweb system/ANA, SST data, longwave radiation and wind of NCEP/NCAR Reanalysis I dataset, and precipitation data of Global Precipitation Climatology Project, GPCP. Most of the analyzes considered the treatment of data in the monthly scale. The study found that there is spatial variability to the response of the linear correlation between SST and the flow in the Brazilian Amazon basin seen in each one of the homogeneous subregions defined for this research. Spatial differences were also verified in the results of tests for linear trend, identifying a pattern of positive trend of the flow in the northern part of the Brazilian Amazon basin, and negative in the southern portion. It suggests that the negative trend in the southern portion is partly associated with the expansion of agricultural areas and therefore, the intensification of deforestation of forested areas. Each one of the subregions showed different spatial patterns of linear correlation with the oceans, but in general, ENSO events are important in defining the variability of the Amazon basin, being more effective in flow anomalies of North, Amazonas-Foz and South subregions, whereas the variability of sea surface temperature in the Tropical North Atlantic is well associated with the variability of flow in the Central and West subregions. The analysis of average atmospheric fields for years characterized by neutral ENSO was able to identify that the West subregion presented results of influence of regional climate processes which influenced anomalies of positive and negative flow. Thus, the hypothesis of the thesis that, by observing the association of the particularities between sea surface temperature and river flow for each Amazon subregion would be possible to develop a more appropriate stochastic model to each subregion, being each one more adequate to every subregion, expressing greater accuracy and statistical significance, was confirmed. Each one of the subregions considered presents preferential time intervals at which the correlation to the ocean surface is maximal. Therefore, it is concluded that the Amazon basin cannot be considered as a whole regarding its climate analysis, seeing that spatial variabilities of linear trend of flow data were confirmed, correlation between flow and precipitation and correlation with sea surface temperature anomalies.

Variabilidade climática é um sistema complexo gerado pela participação de diversos atores e sua atuação na dinâmica atmosférica, a (TSM) Temperatura da Superfície do Mar tem papel fundamental de influencia nas diversas características dos índices climáticos: Southern Hemisphere Anular Mode Index (SAM), Southern Oscillation Index (SOI), El Nino / Oscilação Sul (ENSO), (TNA) Tropical North Atlantic Index, (PDO) Pacific Decada Oscillation, North Atlantic Oscillation Index (NAO). Os Índices com variações climáticas e suas implicações, possuem um espectro de atuação e formação do clima, que se inicia nos macro-sistemas através de suas influências extraterrestres, pelos períodos de atividade solar e outros, que nos convidam a buscar um melhor entendimento sobre o clima e suas forças resultantes. Portanto essa é uma pesquisa simplista, procura demonstrar os entes envolvidos nos processos de variabilidade climática, realçando muito mais o papel dos oceanos e sua influencia de correlação sobre os regimes fluviométricos, estimando definir também a sua grande importância e um melhor entendimento do ciclo hidrológico da escala espaço-temporal na região da bacia Amazônica, partindo de uma leitura do sistema atmosférico e sua influencia dinâmica resultante sobre o ciclo hidrológico. A pesquisa adquiriu através da (ANA) Agencia Nacional de Águas os dados de vazão fluvial dos rios Solimões/Amazonas e Negro, e junto ao Earth System Research Laboratory Physical Sciences Division da NOAA, foram adquiridos os valores de TSM e Índices climáticos, já para os dados de precipitação foram solicitados junto Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos (CPTEC/INPE). Todos estes dados foram tratados em processamento no Software GrADS e ainda compilados em FORTRAN, para a analise estatística através de (R) Analise e Planejamento de Experimentos, para fornecer os dados de correlação linear, Test-t e regressão linear com o objetivo de sustentar e apoiar a analise dos resultados que possam prognosticar a partir da defasagem entre as variáveis TSM e o comportamento resultante da vazão fluvial. / Climate variability is a complex system generated by the participation of various actors and their role in atmospheric dynamics, the Sea Surface Temperature(SST) plays a key role in influencing the several features of the climate indexes: Southern Hemisphere Cancel Index Mode (SAM), Southern Oscillation Index (SOI), El Nino / Southern Oscillation (ENSO), (TNA) Tropical North Atlantic Index (PDO) Pacific Decade Oscillation, North Atlantic Oscillation Index (NAO). The climate changes indexes and their implications have a spectrum in the activity and formation of the climate, which begins in macro-systems through their extraterrestrial influences, during periods of solar activity and others, who urges us to search a better understanding of the climate and its resultant forces. Therefore, this is a simplistic research, seeking to show the entities involved in the climate variability processes, emphasizing much more the role of the oceans and its influence on the fluvial routines correlation, and estimating also define a major and also a better understanding of the hydrological cycle spatiotemporal scale in the region of the Amazon basin, starting from a reading of the atmospheric system and its resulting dynamic influence on the hydrological cycle, acquired through this research (ANA) National Water Agency data flow of the rivers Solimões / Amazonas and Negro River, and with the Earth System Research Laboratory - Physical Sciences Division of NOAA, which acquired values of SST and climate indexes. The precipitation data was requested from Center for Weather Forecasting and Climate Studies (CPTEC / INPE). All these data were processed in the processing software GrADS and also compiled in FORTRAN for statistical analysis using (R) - Analysis and Design of Experiments, to provide data for linear correlation, T-test and linear regression in order to sustain and support the analysis of the results which could predict from the discrepancy between the SST variables and the resulting conduct of river flow.

O objetivo desta pesquisa foi investigar a relação linear existente entre a Temperatura de Superfície do Mar (TSM) dos oceanos Pacífico e Atlântico e a vazão do rio Madeira, localizado na parte sul da região Norte do Brasil. A investigação foi feita nas escalas mensal, sazonal e anual, para o período de 1968 a 2009. A hipótese de que alterações climáticas na região Norte do Brasil estariam associadas a episódios de aquecimento e resfriamento dos oceanos globais, já que quando ocorrem têm o potencial de modificar o padrão de precipitação em áreas remotas do globo, foi a motivação central da pesquisa. A pesquisa foi desenvolvida com base em análises estatísticas para os dados de TSM, índices climáticos e a vazão do rio Madeira. Observou-se que a vazão mensal do rio Madeira apresenta correlação linear significativa com áreas específicas dos oceanos Atlântico e Pacífico. No Oceano Atlântico Norte, são significativas as correlações obtidas nos setores tropical (área AT3) e norte (área AT1). O setor subtropical do Atlântico Norte (AT2) apresenta correlações lineares não tão expressivas como suas áreas tropical e norte. O Atlântico Sul não apresenta áreas com correlações lineares significativas com a vazão. As áreas com correlação significativa do Atlântico Norte (AT1) apresentam valores negativos máximos entre -0,6 e -0,4. Os valores de correlação linear entre a vazão mensal do rio Madeira e a TSM do Atlântico (AT2) apresentam um pequeno aumento para os cálculos realizados com defasagem temporal de até nove meses, entre 0,3 a 0,4 para 5 meses de defasagem entre a vazão e a TSM. A TSM do setor oeste do Pacífico tropical apresenta fortes valores negativos de correlação linear com a vazão do rio Madeira, com valores máximos que variam entre -0,7 e -0,4. Tal qual acontece para o Atlântico, as águas superficiais do Pacífico tropical oeste apresentam um pequeno aumento dos valores de correlação linear para defasagens maiores entre a TSM e a vazão. As áreas com forte correlação negativa no setor oeste do Pacífico tropical foram denominadas PA1, no norte, e PA3, no sul. Uma pequena área com correlação significativa e positiva a leste da bacia do Pacífico, junto à costa do Chile, foi denominada PA2. Nesta área os valores máximos de correlação linear entre a vazão mensal e a TSM variam entre 0,2 e 0,4. A análise de correlação linear entre a vazão anual do rio Madeira e índices climáticos indicam que os índices ODP, MEI e OAN são os mais bem correlacionados com a vazão, apresentando valores iguais a 0,89, 0,86 e 0,85, respectivamente. Com base na TSM das áreas bem correlacionadas com a vazão do rio Madeira e nos índices climáticos considerados, foi desenvolvido um modelo estocástico de regressão linear múltipla para a previsão da vazão trimestral com antecedência de um trimestre. A TSM das áreas do setor oeste do Pacífico tropical, PA1, e do Atlântico Norte tropical, AT3, constituíram as variáveis selecionadas para a elaboração do modelo estocástico. O modelo estocástico foi desenvolvido para o início da série temporal considerada, de 1968 a 1988, e apresentou um ajuste linear com coeficiente de determinação igual a 78%. A verificação do modelo foi feita para o final da série, de 1989 a 2009. O erro médio normalizado calculado pela diferença entre os valores de vazão previstos pelo modelo e os observados foi igual a 40%. Desta forma, conclui-se que a vazão trimestral do setor sul da região Norte do Brasil é uma variável que pode ser prevista com base na variabilidade da temperatura das águas superficiais dos oceanos Pacífico e Atlântico. A análise do comportamento atmosférico com base em períodos específicos de anomalias de TSM no Atlântico Norte tropical indica que a ocorrência de TSMs mais altas (baixas) que o normal foram acompanhadas por ventos de leste mais fracos (fortes). Foram analisados os campos atmosféricos médios para os meses chuvosos de novembro a março para as variáveis Velocidade Vertical (Omega) em 500 e 850 hPa, divergência e vorticidade do vento. Os resultados obtidos demonstram que em média, a variabilidade atmosférica foi determinante no que se refere às anomalias apresentadas pela vazão. / The objective of this research was to investigate the linear relation between the sea surface temperature (SST) over Pacific and Atlantic oceans and the outflow of the Madeira river, located at the southern part of the Northern region of Brazil. The investigation considered monthly, seasonal and annual scales, to the period between 1968 to 2009. The consideration about the influence of heating and cooling of oceanic areas over climate around the world constitutes the main hypothesis taken in account in the study. The research was developed based on statistical analysis considering SST, climatic indexes and river outflow data. The monthly outflow for Madeira River shows significant linear correlation to SST at specific areas over Atlantic and Pacific. Over North Atlantic, the linear correlation values are significant at the tropical and north sectors, namely AT3 and AT1, respectively. The subtropical sector of North Atlantic presents positive correlation but not too expressive as the tropical and north areas of Atlantic. South Atlantic does not present significant values of linear correlation with the river outflow. The area with significant correlation over North Atlantic (AT1) presents maximum negative values ranging between -0,6 and -0,4. In general, the greater the interval between river outflow and SST data, greater is the linear correlation values. SST data from the western sector of tropical Pacific presents strong negative correlation with Madeira River outflow data, and shows maximum values ranging between -0,7 and -0,4. The areas to the West of Pacific showing high negative correlation were named PA1 and PA3, to northern and southern sectors, respectively. A small area that shows significant positive linear correlation to the river outflow data, PA2, is located over the eastern side of Pacific basin, very closed to the coast of Chile. In this area, the linear maximum correlation values range between 0,2 and 0,4. Linear correlation analysis between annual river outflow data and climatic indices indicates that PDO, MEI and NAO are those more correlated with the river outflow data, presenting values equal to 0,89, 0,86 e 0,85, respectively. Based on averaged SST and climatic indices well correlated to the Madeira River outflow data, a stochastic model was developed in order to forecast the river outflow in seasonal scale. SST from west of tropical Pacific, PA1, and from tropical North Atlantic, AT3, were selected to build up the stochastic model. The stochastic model was developed considering the first half of the total series, between 1968 and 1988, while the last period was used to validate the model, between 1989 and 2009. The linear adjusting over the first period reach a determining coefficient equal to 78% and the normalized mean error obtained for the second period was equal to 40%. Thus, we conclude that the seasonal outflow for Madeira River is a climatic variable that can be forecast based on the SST variability over specific areas on Pacific and Atlantic oceans. The analysis of atmospheric behavior based on specific periods of SST anomalies in the tropical North Atlantic indicates that the occurrence of SSTs higher (lower) than normal was accompanied by easterly winds weak (strong). We analyzed the average atmospheric fields for the rainy months from November to March for variables Vertical Speed (Omega) at 500 and 850 hPa, divergence and vorticity of the wind. The results show that approximately the atmospheric variability was decisive with regard to the deficiencies presented by the ouflow.

Made available in DSpace on 2014-08-20T14:25:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertacao_guilherme_reinke.pdf: 5244899 bytes, checksum: 883a2f12008ef21f2da3eb9001e720b6 (MD5) Previous issue date: 2009-03-13 / The main objective of the study was to obtain the relation between Pacific and Atlantic Sea Surface Temperature (SST) anomalies and Outgoing Longwave Radiation (OLR) anomalies in South America (SA) and, moreover, evaluate the relationship of rainfall in Brazil to SST. Data from reanalysis of SST and OLR of the NCEP/NCAR were used, between the months of October and March of the period from 1982 to 2007, which was applied the statistical technique of Principal Components (PC), allowing the study of the correlation between the two variables. Data of precipitation of 691 stations in Brazil, obtained from the Instituto Nacional de Meteorologia (INMET), Agência Nacional de Águas (ANA) and Fundação Estadual de Pesquisa Agropecuária (FEPAGRO), were correlated with the scores of the SST and were used to prepare the rainfall climatology in the country, which enabled the understanding of the rainfall regime in spring and summer. Finally, a model was developed to forecast of the rainfall in Brazil with two months for advance, between December and March, using as predictors the first five scores of the SST. The correlations between the PC1 of the SST and the PC1 of the OLR shown to be significants at 1%, where the PC1 of SST is related with the ENSO pattern, showing in October: desintensification or intensification of convection in central and southern of Argentina; November: opposite pattern of OLR anomalies between south of Brazil and the area of activity of the South Atlantic Convergence Zone (SACZ); January: reduction or increase of convection in the northwestern of SA; December, February and March: intensification or desintensification of convection associated with the Bolivian High, and also in north of the North and Northeast Regions of Brazil. Moreover, in all months of the study, the PC2 of the SST showed the indication of a dipole pattern between the Central and Equatorial Atlantic adjacent to the northeastern coast of Brazil, and South Atlantic, in middle latitudes. In October, November and March, OLR anomalies areas associated with a pattern of more oceanic SACZ seem to be directly related to a strong gradient of SST anomalies, with positive anomalies in the northeast coast of Brazil and negative anomalies on the south-southeast coast of the country. When it was of the SST with the rainfall in Brazil, it was found in the months of November, December and January, similar patterns seen in the correlations between the SST and OLR. In the four months in which the model was applied to predict the rainfall, it was noted that South and Northeast regions of Brazil have the best potential for forecasting. / O principal objetivo do estudo foi obter a relação entre anomalias de Temperatura da Superfície do Mar (TSM) dos Oceanos Pacífico e Atlântico e anomalias de Radiação de Onda Longa (ROL) na América do Sul (AS) e, além disso, avaliar a relação da TSM com a precipitação no Brasil. Foram utilizados dados de reanálises de TSM e ROL do NCEP/NCAR, entre os meses de outubro a março do período de 1982 até 2007, aos quais foi aplicada a técnica estatística de Componentes Principais (CP), possibilitando o estudo da correlação entre as duas variáveis. Dados de precipitação de 691 estações no Brasil, obtidos junto ao Instituto Nacional de Meteorologia (INMET), Agência Nacional de Águas (ANA) e Fundação Estadual de Pesquisa Agropecuária (FEPAGRO), foram correlacionados com os escores da TSM e usados na elaboração da climatologia da precipitação no país, que permitiu um entendimento do regime de chuvas nos períodos de primavera e verão. Por fim, foi desenvolvido um modelo de previsão da precipitação no Brasil com dois meses de antecedência, entre dezembro e março, usando como preditores os cinco primeiros escores da TSM. As correlações entre a CP1 da TSM e a CP1 da ROL mostraram ser significativas a 1%, em que a CP1 da TSM está relacionada com o padrão ENOS, apresentando em outubro: intensificação ou desintensificação da convecção no centro e sul da Argentina; novembro: padrão oposto de anomalias de ROL entre o Sul do Brasil e a área de atuação da Zona de Convergência do Atlântico Sul (ZCAS); janeiro: redução ou aumento da convecção no noroeste da AS; dezembro, fevereiro e março: intensificação ou desintensificação da convecção associada à Alta da Bolívia e, também, no norte das Regiões Norte e Nordeste do Brasil. Além disso, em todos os meses do estudo, a CP2 da TSM mostrou no Oceano Atlântico a indicação de um padrão de dipolo entre o Atlântico Equatorial e Central adjacente à costa Nordeste do Brasil, e o Atlântico Sul, em latitudes médias. Em outubro, novembro e março, áreas de anomalias de ROL associadas com um padrão de ZCAS mais oceânica parecem estar diretamente relacionadas com um forte gradiente de anomalias de TSM, com anomalias positivas na costa nordeste do Brasil e negativas na costa Sul-Sudeste do país. Ao relacionar a TSM com a precipitação no Brasil foram encontrados nos meses de novembro, dezembro e janeiro, padrões semelhantes aos vistos nas correlações entre a TSM e ROL. Nos quatro meses em que foi aplicado o modelo de previsão da precipitação, pôde-se notar que as Regiões Sul e Nordeste do Brasil apresentam os melhores potenciais para a previsão.

Ce travail s'inscrit dans une démarche visant à quantifier l'impact de la diagenèse sur les ratios élémentaires Sr/Ca, Mg/Ca et U/Ca caractéristiques de l'exosquelette (aragonite biogénique) de coraux Porites sp. Ces ratios élémentaires sont très utilisés comme paléo thermomètres en paléo climatologie tropicale pour reconstruire les paléo variables environnementales comme la température de surface de l'océan. On considère dans un premier temps un corail moderne prélevé in vivo et un corail fossile daté au 14C de l'Holocène Moyen (5445 ans BP). Les deux coraux ne présentent aucune trace d'altération diagénétique. On mesure Sr/Ca, Mg/Ca, U/Ca dans l'exosquelette par spectrométrie de masse couplée à un plasma inductif et à la microsonde de Castaing pour Sr/Ca. Les températures de l'océan du temps du vivant des coraux sont alors reconstruites à partir de la géochimie des échantillons et validées. L'approche est ensuite étendue à des coraux pléistocènes (~125000 ans BP) altérés par la diagénèse e.g., apparition de calcite au détriment de l'aragonite initiale sous l'action de l'eau douce percolant dans les récifs. Cette calcitisation affecte les ratios Sr/Ca et Mg/Ca originels et est susceptible d'entacher les reconstructions d'un biais qu'il est important de bien connaître. En s'appuyant sur la spectrométrie Raman et la microanalyse X, on confirme les tendances qualitatives rapportées dans la littérature sur l'impact de la calcite sur les proxies du climat : la présence de calcite diminue (resp. rehausse) le ratio Sr/Ca (resp. Mg/Ca) créant donc des artéfacts chauds dans les températures reconstruites. / This work is part of an approach aimed at quantifying the impact of diagenesis upon the Sr/Ca, Mg/Ca and U/Ca elemental ratios that typify the exoskeleton (biogenic aragonite) of Porites sp corals. These elemental ratios are indeed routinely used as paleothermometers in tropical paleoclimatology in order to reconstruct environmental paleovariables such as the Sea Surface Temperature (SST). In a first step, we analyze a modern coral collected in vivo and a fossil coral dated by 14C to mid-Holocene (5545 year BP). Both corals are in pristine state. The Sr/Ca, Mg/Ca and U/Ca ratios are measured by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) and with a Castaing microprobe for Sr/Ca. The SSTs at the time when the corals were alive are reconstructed from the geochemistry of the samples and validated against in situ measurements / previous work in the same area. Next, the approach is extended to Pleistocene fossil corals (~125000 year BP) that have been altered by diagenesis e.g., calcitization of the samples to the detriment of the original aragonite due to the fresh water that percolates through the coral reefs. Calcitization alters the original Sr/Ca and Mg/Ca. The reconstructed SSTs can therefore include nontrivial biases whose magnitude must be evaluated. Relying on Raman spectrometry, we confirm published qualitative trends on the impact of calcite upon the climate proxies : calcite lowers (resp. increases) the Sr/Ca (resp. Mg/Ca) ratio leading therefore to warm artifacts in the reconstructed SSTs.

Fundação de Amparo a Pesquisa no Estado do Rio Grande do Sul / Extreme climatic events have been occurring with greater intensity and/or frequency over South America. Indicatives for these alterations encompass natural climate variability, land use (deforestation and urbanization), global warming, and increase of greenhouse gases and aerosols in the atmosphere. South America receives a great input of moisture from the Amazon rainforest, as well as a 37% contribution from the Atlantic Ocean. Considering the whole planet, some atmospheric events need to be analyzed when regarding moisture input towards a continent. Ocean circulation can interfere for example in sea surface temperature (SST), either influencing or not the input of moisture to the continent. The objective of the present study was to analyze the variability of atmospheric moisture in South America and its extreme values, as well as the relationships with the sea surface temperature of the adjacent oceans. The present study made use of ECMWF data, ERA-INTERIM reanalysis (pressure at sea level and surface pressure, evaporation, air and dew point temperatures at 2 meters, and zonal and meridional wind at 10 meters) and also sea surface temperature data from the MetOffice Hadley Centre (HADISST). The analysis period of the present study was between 1980 and 2009, encompassing a period of 30 years of data. First, climatology, trends and extremes of moisture and evaporation (frequency, intensity and reoccurrence of events) were calculated. These were followed by lagged compositions to assess the role of sea surface temperature anomalies during extreme moisture and evaporation events. The main results found were regarding an increase of the pressure at sea level gradient and SST in the southwestern Atlantic, increase evaporation in the eastern and northern coasts of South America, and its decrease in the center-southern region of the continent. Moreover, the center-southern region also demonstrated a decrease of dew point temperature and specific moisture, and an increase in the difference between air temperature and dew point temperature. Decrease in the moisture flow magnitude and intensification of dry events over the center-southern region of South America were also observed. Finally, results showed that an SST anomaly cycle during an extreme event in the continent lasted approximately five months and, at least one month prior to the event, signs of this SST anomaly were already observable. In summary, the most significant moisture alterations in South America were found in the center-southern sector of the continent and over the southwestern Atlantic Ocean, near the Brazil-Malvinas Confluence (BMC). Nevertheless, more studies are needed to understand the relationships between SST at the BMC and moisture extremes, particularly in the center-southern portion of South America. / Atualmente os eventos climáticos extremos têm ocorrido com maior intensidade e/ou frequência sobre a América do Sul. Os indicativos para essas alterações circundam a variabilidade natural do clima, uso da terra (desmatamento e urbanização), aquecimento global, aumento da concentração de gases do efeito estufa e aerossóis na atmosfera. A América do Sul recebe um grande aporte de umidade pela existência da floresta Amazônica em seu território e também cerca de 37% de contribuição oriunda do Oceano Atlântico. Considerando todo o globo terrestre, alguns dos eventos atmosféricos precisam ser analisados com relação ao aporte de umidade sobre o continente. Com relação ao oceano, a circulação dos oceanos podem interferir, por exemplo, na temperatura da superfície do mar (TSM), influenciando ou não no aporte de umidade para o continente. O objetivo do presente trabalho foi analisar a variabilidade da umidade atmosférica na América do Sul e de seus valores extremos e as relações com a temperatura da superfície do mar nos oceanos adjacentes. O presente trabalho utilizou dados do ECMWF, da reanálise do ERA-INTERIM (pressão ao nível do mar e pressão em superfície, evaporação, temperatura do ar e temperatura do ponto de orvalho a 2 metros e vento zonal e meridional a 10 metros) e também dados de temperatura da superfície do mar do MetOffice Hadley Centre (HADISST). O período de análise do presente trabalho foi de 1980 a 2009, compreendendo um período de 30 anos de dados. Primeiramente foram calculadas as climatologias, as tendências e os extremos de umidade e evaporação (frequência, intensidade e recorrência dos eventos). Posteriormente, foram realizadas as composições defasadas para verificar o papel das anomalias da temperatura da superfície do mar durante os eventos extremos de umidade e evaporação. Os principais resultados encontrados foram em relação a um aumento da pressão ao nível do mar e da TSM no Atlântico sudoeste, aumento também da evaporação na costa leste e norte da América do Sul, e sua diminuição na região centro-sul do continente. Além disso, a região centro-sul também demonstrou uma diminuição da temperatura do ponto de orvalho e da umidade específica, e um aumento na diferença entre a temperatura do ar e a temperatura do ponto de orvalho. Diminuição da magnitude do fluxo de umidade e intensificação de eventos extremos secos sobre a região centro-sul da América do Sul também foram observados. E por fim, os resultados mostraram que um ciclo de anomalia de TSM durante um evento extremo no continente durou aproximadamente cinco meses e, pelo menos um mês antes do evento, sinais da anomalia de TSM já era observada. Em suma, as alterações mais significativas na umidade sobre a América do Sul foram encontradas no setor centro-sul do continente e sobre o Oceano Atlântico sudoeste, próximo a Confluência Brasil-Malvinas (CBM).

Satellite data have shown that east-west oriented cloud bands, known as Intertropical convergence zone (ITCZ), propagate eastwards along the equator throughout the year and northwards during boreal summer on intraseasonal time scales. The northward propagations over Bay of Bengal have important connection with onset of south Asian monsoon and active-break cycles of the Indian monsoon. Some studies on mean structure of ITCZ have concluded that preferred location of ITCZ is governed by meridional variation of sea surface temperature (SST) while other studies have stressed the importance of heating in the free atmosphere. Studies on the migration of ITCZ have shown that northward migration of maximum convergence zone is due to generation of positive barotropic vorticity north of the convection in the boundary layer due to internal dynamics of the atmosphere. In the present study mean and transient structure of northward migration of ITCZ over Bay of Bengal is simulated with the help of a general circulation model (GCM). The mean ITCZ is found not to occur at SST maximum or SST gradient maxima. A new simple model for the mean state of ITCZ based on moisture budget, linear friction and hydrostatic assumption is proposed. It highlights the relative importance of SST and atmospheric effects in generation of maximum convergence. The large cancellation between the effect of SST on boundary layer and thermodynamic effects in free troposphere is shown to control convergence. The model also shows that latitude and time independent linear friction parameterization in a simple model is able to predict monthly mean location of ITCZ in a GCM. The results give a quantitative understanding about the relative role of surface effects and atmospheric effects in determining location of the mean ITCZ. A simple linear model for understanding the mechanism of instability that governs the northward migration of ITCZ is proposed. Vertical shear in mean winds couples the barotrpic and baroclinic modes in free troposphere in this model. The model is able to predict the correct scale with standard values of friction and diffusion parameters. The mechanism of instability is found to be due to internal dynamics of troposphere. It is shown that direction of propagation is decided by vertical shear in zonal as well as meridional mean winds. This is contrary to the previous studies which conclude that either vertical shear in zonal winds or vertical shear in meridional winds control the direction of propagation.