Os rios atmosféricos são sistemas climáticos longos e estreitos que transportam grandes quantidades de humidade dos trópicos para as latitudes médias. Esta ilustração da NOAA de um sistema que se estende dos trópicos ao redor do Havaí até a costa oeste dos Estados Unidos, com tons de azul mais escuros representando maiores quantidades de água precipitável, retrata um rio atmosférico que encharcou o norte da Califórnia em Abril de 2018. Crédito: NOAA National Environmental Satellite, Data, e Serviço de Informação.

No início de Fevereiro de 2017, as autoridades no norte da Califórnia ordenaram que mais de 180.000 residentes ao redor da represa Oroville evacuassem por causa da preocupação de que chuvas fortes poderiam causar a quebra do vertedouro da represa. As chuvas foram trazidas por um rio atmosférico (RA) – um sistema longo e estreito de ar tropical húmido que pode depositar enormes quantidades de água – contribuindo para uma estação já chuvosa para a Costa Oeste dos Estados Unidos. RA ocorrem em todo o planeta, mas certas regiões – incluindo o oeste da América do Norte, onde a humidade dos trópicos perto do Havaí é repetidamente fornecida por eventos recorrentes do “Expresso do Abacaxi” – são especialmente propensas.

Entre Outubro de 2016 e Março de 2017, 45 RA pousaram na Califórnia, de acordo com pesquisadores da Scripps Institution of Oceanography (SIO) em San Diego. Destes, 12 foram considerados “fortes” e outros três foram considerados “extremos”. E em Outubro de 2017, um RA apelidado de “Big Dark” chegou ao noroeste do Pacífico, ficou mais de uma semana e deixou cair mais de 25 centímetros de chuva e neve. Embora as previsões oportunas e precisas dessas tempestades sejam vitais tanto para o planeamento público quanto para a resposta a emergências, existem lacunas de conhecimento e dados na ciência meteorológica necessária para fornecê-las. Novas ferramentas e teorias, no entanto, agora estão começando a fechá-los.

Presentes Caprichosos

O termo “rio atmosférico” começou a ser usado no início dos anos 1990 para caracterizar as formas desses sistemas meteorológicos, que normalmente têm várias centenas de quilómetros de largura, mas podem se estender por mais de 1.600 quilómetros. O “Big Dark”, por exemplo, estendeu-se por cerca de 8.000 quilómetros.

Oceanos tropicais aquecidos fornecem humidade para a atmosfera por meio da evaporação e aumentam sua capacidade de transporte de humidade, o que permite que o ar mova grandes quantidades de água. Embora os RA cubram apenas cerca de 10% do planeta em qualquer latitude, eles são responsáveis ​​por até 90% do transporte de água norte-sul na atmosfera de latitude média.

A precipitação de RA é responsável por 22 por cento do escoamento global, um número que sobe para 50 por cento em algumas regiões como Sudeste Asiático, Nova Zelândia e as costas da América do Norte. “Se você condensar o vapor de água total em um rio atmosférico em líquido, da superfície ao espaço, tem apenas cerca de um centímetro ou dois de profundidade”, disse Marty Ralph, director do Centro para Extremos de Água e Clima Ocidentais (CW3E) em SIO. No entanto, Ralph diz que um RA médio transporta água a uma taxa de cerca de 25 vezes a do rio Mississippi, e “há cerca de três ou quatro RA num determinado momento no hemisfério norte.” Embora a costa oeste dos Estados Unidos tenha muitos rios atmosféricos, esses sistemas podem impactar quase qualquer lugar do país. “Os RA às vezes atingem a costa leste e alimentam nevascas no inverno”, diz Ralph, “e as tempestades nas Grandes Planícies e no sudeste podem ter RA por trás delas”.

Uma revisão de 2013 dos dados meteorológicos europeus recolhidos entre 1979 e 2011 descobriu que até 8 dos 10 maiores eventos diários de chuva em partes da Europa Ocidental foram devido aos RA, e que esses sistemas alcançam o extremo leste da Alemanha e da Polónia. Os RA foram associados a muitas das maiores enchentes de inverno no Reino Unido nas últimas décadas, e as tempestades causadas por RA em 2012 contribuíram para cerca de US $ 1,6 bilião em danos relacionados às enchentes no Reino Unido.

Os Rios Atmosféricos chegam até mesmo às regiões polares da Terra. Em 2009, a queda de neve na Antárctica Oriental quebrou recordes que duraram 60 anos. Quando os pesquisadores examinaram os dados de satélite cobrindo o mesmo período, eles encontraram a primeira evidência de um enrolamento RA de Madagáscar até a costa da Antárctica Oriental, junto com dois outros padrões de RA que poderiam ser responsáveis ​​por fortes nevascas em outras regiões da Antárctica.

Os rios atmosféricos desempenham um papel importante no ciclo da água da Terra e podem aliviar os períodos de seca grave. Entre 1950 e 2010, as tempestades RA encerraram 40% das secas persistentes na Califórnia e 74 das secas persistentes no noroeste do Pacífico. O equilíbrio, no entanto, não é uma característica forte desses sistemas climáticos. As mesmas chuvas restauradoras que podem encerrar um período de seca podem, ao mesmo tempo, sobrecarregar reservatórios e rios e sobrecarregar a infraestrutura regional.

A Califórnia tem uma relação especialmente conflituosa com os RA. Logo depois que o ar úmido atinge a terra, o terreno montanhoso do estado o empurra para cima – um processo conhecido como levantamento orográfico. À medida que o ar ascendente esfria, ele liberta a humidade arrastada. Como resultado da precipitação derivada dos RA, a Califórnia sofre uma média de US $ 300 milhões por ano em danos causados ​​por enchentes. “Os rios atmosféricos mantêm o fornecimento de água e o risco de enchentes”, diz Mike Anderson, climatologista do estado da Califórnia. “Não pense nisso como uma enchente ou seca; pense nisso como uma enchente e seca – tudo ligado a este processo de RA. ”

Pesando Riscos Contra Recursos

A maioria dos estados do oeste dos EUA mantém agências responsáveis ​​pela gestão de reservatórios, agricultura, transporte e actividades de resposta a emergências – todas as quais são afectadas por condições climáticas extremas. Os formuladores de políticas administram planos, por exemplo, sobre quando drenar os reservatórios antes de fortes tempestades ou quando reter a água como reserva contra uma possível seca futura. O desafio é pesar o risco de danos por inundação e o desperdício de um recurso vital. Embora as previsões meteorológicas avançadas possam oferecer guias oportunos para tais decisões, raramente oferecem a precisão e exactidão necessárias para uma acção definitiva. A lei da Califórnia, por exemplo, exige que os gestores mantenham uma certa quantidade de espaço livre para armazenamento do reservatório durante a estação chuvosa de inverno em caso de tempestades inesperadas, independentemente da previsão do tempo, que às vezes força a libertação desnecessária de água.

“A maioria das agências de reservatório no oeste exige que a água esteja no solo antes que uma decisão possa ser feita para alterar as libertações do reservatório”, diz Ralph. As políticas relevantes foram promulgadas, no entanto, “quando as previsões eram incertas o suficiente para que você não soubesse o que aconteceria nos dois dias seguintes. Nossas previsões estão melhorando, então, no futuro, os operadores do reservatório podem ser capazes de manter com segurança um pouco de água extra, caso uma tempestade não se materialize ”, diz ele. “Se uma grande tempestade for realmente prevista, os reservatórios podem potencialmente libertar água extra que normalmente seria mantida para o Verão, sabendo que a tempestade iria reabastecer seus suprimentos.” Ralph observa, por exemplo, que uma análise que ele co-liderou com Jay Jasperse da Sonoma County Water Agency determinou, por exemplo, que uma previsão mais precisa poderia economizar até 25 milhões de metros cúbicos de água bienalmente no reservatório Lake Mendocino do norte da Califórnia – o suficiente para abastecer cerca de 50.000 casas por um ano.

Os planos de resposta a emergências, que consideram os piores cenários, também são frequentemente invocados sem as melhores informações meteorológicas. Em março, um RA rastreava regiões do sul da Califórnia que haviam sofrido grandes danos no ano anterior devido a incêndios florestais, incluindo o incêndio de Thomas, o maior da história do estado. Chuvas fortes causariam o risco de inundações repentinas e deslizamentos de terra em terras devastadas pelo fogo que o condado de Santa Bárbara experimentou em Janeiro, que matou 21 pessoas e feriu mais de 160. Em Março, até 30.000 pessoas em três condados foram obrigadas a evacuar. “O que acabou acontecendo”, diz Ralph, “é que a forte precipitação atingiu mais ao norte, em Big Sur. A parte mais pesada da tempestade não atingiu Santa Bárbara por cerca de 200 a 250 quilómetros. ” Embora as preocupações com a segurança tenham prevalecido compreensivelmente, uma melhor previsão pode ter minimizado a perturbação pública em comunidades que já experimentavam fadiga de evacuação.

Analisando os Números

Os modelos de previsão do tempo integram muitos fatores interconectados em escalas. As temperaturas da superfície do mar, por exemplo, afectam a quantidade de humidade fornecida à atmosfera e a quantidade de água que ela pode transportar. Os padrões climatológicos em grande escala, como o El Niño-Oscilação Sul (ENSO), que impacta as temperaturas equatoriais do Oceano Pacífico, também influenciam os RA em períodos de vários meses a anos. A fase quente do ENSO, chamada El Niño, aumenta as temperaturas da superfície do mar no Pacífico oriental, enquanto a fase fria, La Niña, tem o efeito oposto. O padrão pode, por sua vez, modular o quão fortes ventos de alta altitude, conhecidos como ondas de Rossby, interagem com gradientes de pressão atmosférica, a força de Coriolis e a corrente de jacto. Todas essas interações eventualmente influenciam onde os RA chegam ao continente.

A quantidade de precipitação que um RA cai também depende de factores como a quantidade de humidade que carrega, a topografia da terra sobre a qual viaja, as temperaturas e os ventos locais e a duração de sua passagem. Não é de surpreender que os modelos que processam todos esses factores sejam complexos.

A maioria dos modelos de previsão são desenvolvidos e aprimorados executando simulações usando dados meteorológicos históricos como condições de entrada e, em seguida, comparando os resultados do modelo com o que realmente aconteceu. Os meteorologistas operacionais usam o que chamamos de previsões por conjunto, diz Christine Shields, cientista atmosférica e paleoclimatologista do National Center for Atmospheric Research em Boulder, Colorado. Este método cria probabilidades para previsões meteorológicas com base em vários resultados modelados, em vez de apenas um resultado de modelo único . “Isso pode nos dar uma base melhor para previsões”, explica Shields. “Você executa um modelo várias vezes diferentes e ajusta a maneira como inicializa cada um para adicionar um pouco de aleatoriedade. O resultado é um conjunto de soluções. Então você dá uma olhada em … onde a maioria das previsões apontam e essa é sua melhor previsão. ”

Os modelos meteorológicos que apresentam melhor desempenho do que as previsões aleatórias têm “habilidade”, e a habilidade é uma função de quão longe no futuro uma previsão chega. Actualmente, os modelos meteorológicos operacionais demonstram boa habilidade até duas semanas, com melhor desempenho na primeira semana. “Para as previsões do tempo, usamos modelos numéricos que derivam suas habilidades do conhecimento preciso do estado actual da atmosfera”, diz Cory Baggett, um cientista atmosférico da Colorado State University. “Só temos habilidade em prever RA em prazos de entrega de até 14 dias”, diz ele. Enquanto isso, “para previsões sazonais, usamos características climáticas de grande escala, como a temperatura da superfície do mar ou o ENSO. As previsões sazonais vão de cerca de dois meses a 12 meses ou mais e têm apenas habilidades razoáveis.

Entre essas previsões de curto e longo prazo está a janela sazonal para subsazonal (S2S), normalmente definida como duas semanas a dois meses (embora algumas definições variem). “É mais difícil obter habilidade” para as previsões S2S, diz Baggett, à medida que combinam dados sobre as condições atmosféricas que estão além do prazo das previsões meteorológicas operacionais com dados de longo prazo sobre as condições climáticas. Essas previsões de médio porte podem ser particularmente úteis na tomada de decisões informadas sobre o armazenamento do reservatório e gestão da água.

Aplicando a Ciência

Em Maio, o Western States Water Council (WSWC), uma organização de agências de água para 12 estados, se reuniu em San Diego para se concentrar em uma melhor previsão de precipitação no período S2S. É um problema preocupante. “O estado actual das capacidades de previsão em escalas de tempo S2S não é realmente útil para tomar decisões de gestão de água”, disse Jeanine Jones, vice-presidente do WSWC. “A habilidade simplesmente não existe.”

Os gestores de recursos hídricos monitorizam a infraestrutura física como reservatórios, barragens e vertedouros para garantir a alocação eficaz de água em seus estados. Muitas dessas infraestruturas estão envelhecendo, como as barragens construídas antes da Segunda Guerra Mundial, apresentando riscos para as populações rio abaixo.

Praticamente todos esses estados também precisam lidar com a seca. As leis estaduais geralmente dão prioridade às necessidades humanas e do gado quando a água é escassa, mas isso pode ser de pouco conforto para outros interesses agrícolas e económicos. Gerenciar a bacia do rio Colorado é especialmente complicado, pois sua água deve atender às necessidades de sete estados ocidentais. A maioria das políticas é baseada no status dos níveis actuais da água e, embora as redes de sensores de campo forneçam aos gestores públicos dados para esse propósito, previsões confiáveis ​​da água futura podem simplificar muitos desafios de gestão.

A reunião do WSWC de Maio permitiu que os cientistas apresentassem novas ideias e ferramentas que podem melhorar a situação. “O que há de especial na previsão S2S agora”, diz Anderson, “é que ela está ganhando destaque porque você encontra a necessidade operacional com a capacidade técnica”. Se os pesquisadores continuarem a desenvolver essa capacidade, diz ele, “podemos realmente obter alguns resultados utilizáveis”.

Baggett é um pesquisador que está tentando esticar a janela de previsão de RA há duas semanas, incluindo informações sobre características adicionais em macroescala da atmosfera. Actualmente, a melhor medida da força do RA é um indicador chamado transporte verticalmente integrado de vapor de água (IVT), que é a quantidade total de vapor d’água transportado por um RA em todas as altitudes. Baggett está investigando a Oscilação Madden-Julian (MJO) e a Oscilação Quasi-Bienal (QBO) – dois padrões atmosféricos equatoriais que parecem modular a frequência na qual os RA ocorrem – para ver se o conhecimento desses fenômenos poderia melhorar a medida do IVT.

O MJO começa com tempestades tropicais que levantam enormes quantidades de ar húmido por convecção. Quando o ar ascendente atinge a tropopausa, cerca de 11 quilómetros acima, ele encontra a corrente de jacto, que então carrega a umidade do Pacífico Norte para a América do Norte por um período de sete a 10 dias (embora demore cerca de 30 a 90 dias para o oscilação para viajar completamente ao redor do equador). O QBO é uma oscilação consistente de ida e volta sobre o equador, cerca de 50 quilómetros acima na estratosfera. Os ventos QBO alternam de leste a oeste a cada dois ou três anos.

Nos últimos anos, os cientistas identificaram uma relação estatística entre a fase do QBO e a magnitude do MJO. Quando o QBO está para oeste, a convecção MJO é suprimida; quando o QBO está para o leste, a convecção MJO é aprimorada. “Portanto, o MJO produz um comboio de ondas que se instala no norte do Pacífico, o que pode aumentar o número de RA na costa oeste”, diz Baggett. “Ou pode bloquear os RA e desviá-los em direcção ao Alasca. Apenas saber o estado actual do MJO pode nos dar uma ideia do que os RA farão daqui a sete a dez dias. ”

Baggett testou suas ideias com dados históricos de AR de 1979 a 2015 e comparou a actividade de MJO durante os QBOs do leste e oeste. Os resultados são encorajadores há três semanas, diz Baggett. “Em alguns casos, a habilidade se estende muito bem por quatro ou cinco semanas.”

Na CW3E, Ralph e seus colegas também estão desenvolvendo uma melhor previsão de RA, fazendo medições directas desses sistemas enquanto eles ainda estão se movendo para o leste sobre o oceano. Nos últimos três anos, a CW3E e várias agências colaboradoras coletaram amostras de ARs no Pacífico um a três dias antes de chegarem ao continente. Dois “caçadores de furacões” C-130 da Força Aérea dos EUA e um NOAA Gulfstream IV sobrevoam faixas selecionadas do oceano para libertar dropsondes – pacotes de sensores dispensáveis ​​que medem temperatura, pressão, velocidade do vento e humidade conforme eles descem. Os dados do grupo mostraram que a distribuição vertical e horizontal do vapor de água em RA parece ser a maior fonte única de erros de modelagem – informações que podem ser usadas para melhorar as previsões futuras. Outra rodada de voos foi proposta para o inverno de 2019.

Mudança de clima, mudança de regras

Mesmo enquanto os cientistas reúnem e integram novos insights sobre a dinâmica do tempo em melhores modelos de previsão, uma mudança no clima pode estar alterando as regras do jogo. Embora a intensidade da RA tenha sido associada às temperaturas da superfície do oceano, essas temperaturas aumentaram em todo o mundo numa média de cerca de 0,6 graus Celsius desde o final dos anos 1940. Como a atmosfera pode reter cerca de 7% a mais de humidade para cada aumento de 1 grau Celsius na sua temperatura, o aumento do transporte de vapor de água RA quase certamente fará parte dos padrões climáticos futuros. Na verdade, o transporte de vapor de água por terra, incluindo a água transportada por RA, tem aumentado nos últimos 70 anos, em consonância com o aquecimento da superfície do oceano.

Os RA de 2017, por exemplo, trouxeram mais humidade para a Califórnia do que o estado havia visto em qualquer Inverno desde pelo menos 1948 – e isso poderia ser apenas uma salva antecipada. “A temporada 2016-2017 pela qual a Califórnia passou foi notável”, diz Baggett. “Acho que a maioria dos locais normais mais de 200% de sua preferência normal Inverno. Se você olhar alguns dos registos, no entanto, há uma preocupação de que haja eventos maiores por aí e anos maiores esperando por você. ”

As estações chuvosas podem ficar mais voláteis, bem como mais intensas. Dois estudos de 2017 liderados por cientistas da SIO resistente que a Califórnia está experimentando oscilações cada vez mais dramáticas na capacidade e projectou que essa variabilidade provavelmente ficará mais extrema. Além de tornar a gestão da água e a protecção contra enchentes mais desafiadores, o estado também pode ter que enfrentar os períodos de seca mais longos entre as tempestades. Resultados semelhantes foram produzidos para o norte da Europa.

Pelo menos um estudo de dados meteorológicos históricos desde a década de 1980 mostra um padrão de mais invernos com condições húmidas no norte da Europa devido a RA mais frequentes, mas menos invernos húmidos no sul da Europa devido a mudanças no transporte de humidade. O aumento do transporte de vapor de água RA também pode levar a maiores inundações de inverno na Grã-Bretanha. Duane Waliser e sua equipa no Laboratório de Propulsão a Jacto da NASA em Caltech em Pasadena, Califórnia, publicaram recentemente um trabalho que caracteriza sistematicamente esses efeitos globais. A equipa criou um banco de dados de rios atmosféricos com base em mais de 20 anos de dados meteorológicos globais e aplicou o banco de dados a um conjunto de 21 modelos para avaliar como os RA responderam num clima futuro. Os resultados sugeriram que o número de eventos RA distintos diminuirá em 10 por cento, mas aqueles que ocorrerem serão 25 por cento mais longos e 25 por cento mais largos em média, e eventos extremos irão transportar mais água. Isso significa que os locais “passarão por condições de RA com 40 a 50% mais frequência. Embora haja menos [eventos, eles] ficam maiores, então, em conjunto, as condições de RA ocorrem com mais frequência ”, diz ele. Os resultados também indicaram que a frequência das tempestades de RA mais intensas pode quase dobrar. “Este é o primeiro estudo como este feito globalmente”, diz Waliser.

Os modelos de previsão do tempo têm melhorado com novos dados e métodos. “Nós descobrimos as equações matemáticas de nossos modelos numéricos muito bem”, diz Baggett. Mas a previsão é uma ciência complicada, e “nossas equações baseiam-se em uma imagem precisa de como é … a atmosfera”, diz ele. “Até que possamos observar cada metro cúbico dele e modelar tudo perfeitamente, sempre haverá limites para a previsibilidade do clima.”

Fonte: earthmagazine.org /Steve Murray

Tradução: Redacção da Smartencyclopedia