Uma climatologia de ondas oceânicas para a Plataforma Continental Sul do Brasil

Abstract

Inicialmente, expusemos como feições geomorfológicas e medições visuais de onda, apresentadas em trabalhos anteriores, apontam para a possível existência de gradientes de energia de onda ao longo da costa sobre a Plataforma Continental Sul (PCS). Examinamos também as condições atmosféricas da PCS e encontramos que oscilações intrasazonais podem não somente modular diretamente os ventos e a pressão como também indiretamente modular o período e amplitude dos eventos de escala sinótica. Uma boa correlação entre a pressão e o índice da oscilação sul foi encontrada em escala de tempo interanual, atestando a modulação pelo ENSO. Em seguida, após descrever os dois modelos utilizados, as grades e as configurações, o presente estudo avaliou a validação dos resultados do modelo em escala de bacia versus a altimetria orbital e a validação dos resultados do modelo regional versus os dois dados de ondógrafo disponíveis sobre a PCS, discutindo o quanto o modelo reproduz a realidade local. Excluindo-se os erros localizados, os resultados de altura sig. do modelo WW3 na grade global e na grade do Atlântico Sul pode ser considerado como em muito boa concordância com as observações, apresentando semelhanças notáveis com os dados de altimetria. Em relação à modelagem regional, tanto a altura sig. quanto os períodos de pico como obtidos na grade de plataforma foram considerados como em boa concordância com as observações. As direções de pico, no entanto, foram classificados como pobre concordância. No entanto, as ondas de S ou SSE foram bem reproduzidas e são as ondas de ESE que foram erradamente representadas como E ou ENE pelo modelo. Os resultados na grade costeira também foram considerados como em muito bom acordo com observações para altura sig. e períodos de pico, mas apresentaram os mesmos conflitos sobre direções de pico. Acreditamos que essas ondas E ou ENE já foram produzidas de forma incorreta pelo modelo WW3 e em seguida transferidas através das condições de contorno. O aumento da resolução certamente desempenhou um papel e não pode ser descartada, uma vez que mostra melhores estatísticas e maior variabilidade dos resultados, mas foi a redução de atrito que representou a maior melhoria nas simulações da grade costeira. Por fim, utilizamos nossos resultados do modelo para mostrar como o bloqueio das ondas geradas pelos ventos de oeste pela América do Sul, caracterizando as plataformas do oeste do Atlântico Sul com um clima de ondas de baixa energia. Períodos de pico médios mais baixos foram encontrados sobre a PCS indicando duas regiões de geração de ondas. Em seguida, mostramos exemplos de ondas extremas induzidas por ciclones. Condições pré e pós-frontais particulares também foram mostradas para caracterizar as mudanças nas direções de onda em escala sinótica. Os espectros médios costa afora mostraram uma predominância das ondas S/SSW com um pico de energia secundária composta por ondas ENE/E, corroborando com a afirmação de que a PCS é essencialmente bimodal em direções de onda. A potência das ondas S/SSW diminui para o norte e das ondas ENE/E secundariamente diminui para o sul, o que nos permite afirmar que a PCS esta localizada entre a influência dos ventos de oeste e ciclones e a influência da Alta do Atlântico Sul. A distribuição interanual mostrou períodos distintos de ascensões da energia das ondas ENE/E e ESE, que são moduladas pelo ENSO. A distribuição intra-anual mostrou um núcleo de ondas S/SSW ocorrendo centrado no inverno entre abril e setembro. Há também um núcleo ENE/E que ocorre durante as primaveras em oposição as potências mais baixas encontradas durante o inverno. Máximas ondas de SE ocorrem durante abril e maio e, secundariamente, durante a primavera e estão associadas com os ciclones. Gradientes de energia de ondas junto à costa já são vistos na grade de plataforma, com maior energia localizada ao largo de ambos os cabos e da projeção costeira norte e apenas secundariamente ao largo da projeção costeira sul. Por outro lado, mínimo de energia é encontrado entre as projeções costeiras em Rio Grande e, secundariamente, entre os cabos e projeções costeiras. As declividades da plataforma média e externa não são refletidas nesse padrão de energia. Mais perto da costa, no entanto, em profundidades menores de 40 m o padrão de energia segue os contornos batimétricos após uma queda considerável da energia causada por atrito. Com base nestes resultados, sugere-se a profundidade de 40 m como o nível base de ondas dos dias de hoje e, consequentemente, o limite inferior da antepraia. O aumento da resolução na grade costeira permitiu-nos reconhecer que a energia das ondas possui uma relação mais direta com a largura da antepraia. Além disso, permitiu uma separação geomorfológica clara entre a enorme antepraia inferior e as maiores declividades da pequena antepraia superior e banco do Albardão. A energia das ondas na antepraia superior varia abruptamente ao longo da costa, diminuindo da metade norte para a metade sul, em uma relação clara com as declividades da plataforma média. Assim, a herança geológica expressa através da largura da antepraia e das declividades da plataforma média poderia ser mais importante para gerar variabilidade de onda do que as próprias variações de onda costa afora ao longo da costa. Uma refração quase completa é observada entre os espectros bimodais costa afora e os espectros na antepraia superior que foram encontrados principalmente como ondas ESE/SSE com maior importância da onda SE e em um espectro quase unimodal. Esses resultados mostram como a grande e rasa antepraia da PCS é responsável por uma refração intensa das ondas, forçando-as a aproximar-se do sistema praial com pequenos ângulos de ataque. Além disso, a semelhança entre os espectros na antepraia superior indicou o efeito de abrigo causado pelos cabos e projeções costeiras e uma “janela de refração” sobre a propagação de ondas até a costa, uma vez que ondas normais à costa chegam com energia maior do que ondas em ângulo. Entre cabos e projeções costeiras, onde as energias de onda mais baixas foram encontradas, há uma assimetria norte/sul notável com energias superiores para o norte por causa dessas janelas de refração, a qual se ajusta perfeitamente a posição relativa dos diferentes tipos de barreiras costeiras do Holoceno. Com isso, é possível afirmar que o atrito desempenha papel importante na diferenciação de onda ao longo da antepraia da PCS seja agindo sobre diferentes quantidades de refração ou agindo sobre as diferentes larguras da antepraia. Neste sentido, estes resultados permitem-nos definir que a orientação da linha de costa, a largura da antepraia e as declividades da plataforma média como os principais fatores que determinam o espectro de energia das ondas que chegam à costa da PCS. Os padrões gerais do clima de ondas da PCS puderam ser determinados aqui com a utilização de modelos numéricos, permitindo a quantificação dos gradientes de energia das ondas sobre a PCS e a argumentação sobre as razões de sua existência.

We initially expounded how geomorphologic features and sparse visual wave measurements, presented in previous works, point out to the possible existence of alongshore wave energy gradients over the Southern Brazilian Shelf (SBS).We have also examined the atmospheric conditions of the SBS, finding that intraseasonal oscillations can not only directly modulate the surface winds and sea level pressure but also indirectly modulate the period and amplitudes of synoptic-scale events. A good correlation between sea level pressure and the southern oscillation index on interannual timescales was also found, which attested the ENSO modulation. Then, after briefly describe the two models utilized and the model grids and settings, the present study evaluated the proposed validation of the basin-scale model results against orbital altimetry and the validation of the regional-scale model results against the two available wavebuoy data over the SBS, discussing the extent to which the model reproduced local reality. Excluding localized errors, the WW3 model results of sig wave height on the Global and on the S. Atlantic grid could be considered as in very good agreement with observations, presenting remarkable similarities with observed altimetry data. Regarding the regional-scale modeling, both sig. height and peak periods as obtained on the Shelf grid were considered as in a very good agreement with observations. The peak directions, however, were classified as in poor agreement with observations. Nevertheless, the S or SSE waves were closely reproduced and it is only the ESE wave that was erroneously represented as approximately E or ENE by the model. The model results on the curvilinear Coastal grid were also considered as in very good agreement with observations for sig. height and peak periods but presented the same conflicting results regarding peak directions. We believe that these E or ENE waves were already incorrectly produced by the basin-scale model WW3, which then transferred this error downwards through the boundaries conditions. Increased spatial resolution certainly played a role and cannot be discarded, once it shows overall better statistics and greater variability of results, but it was the lowering of bottom friction that represented the major improvement in the curvilinear grid simulations. Finally, we used our model results to show how the S. America blocks the waves generated by the westerlies, characterizing the western and southwestern S. Atlantic shelves with a general low energy mean wave climate. Lower mean peak periods were also found over the SBS indicating two important wave generation regions. We then showed examples of the extreme wave patterns induced by the presence of cyclones. Particular pre and post frontal conditions were also shown to fully characterize the synoptic-scale changes in the wave directions. The long-term mean offshore spectra showed predominance of S/SSW waves with secondary power peak composed by ENE/E waves, corroborating with the statement that SBS is essentially bimodal in wave directions. The power of S/SSW waves diminish northward and the power of ENE/E waves secondarily diminish southward, allowing us to state that SBS is located in the encounter between the influence of the westerlies and cyclones and the influence of the SAH. The interannual distribution as annual means showed distinctive rises periods in ENE/E wave power and secondarily in the ESE wave power, which are modulated by ENSO. The six-hourly intraxiannual distribution showed a core of S/SSW waves occurring centered in wintertime between April and September. There is also an ENE/E core that occurs mainly during the springs in opposition to the lower powers found during wintertime. Highest SE waves occur mainly during April and May and secondarily during the spring and are associated with the cyclones. Along-shelf wave energy gradients near the coast are already seen on the 2 km resolution shelf grid, with higher energy located off both capes and off the northern coastal projection and only secondarily off the southern coastal projection. On the other hand, energy minimum is found between coastal projections off Rio Grande and secondarily between capes and coastal projections. The outer and mid-shelf declivities are not reflected on this energy pattern. Nearer to the coast, however, over depths shallower than 40 m the energy pattern does follow the bathymetric contours after a considerable drop of wave energy caused by bottom friction. Based on these results, we suggest the 40 m depth as the present day mean wave base and consequently the lower limit of the present SBS shoreface. The increased resolution of the Coastal grid allowed us to recognize that mean wave energy is in a more direct relation with the local shoreface width. It also permitted a clear geomorphological separation between the huge lower shoreface and the greater declivities of the tiny upper shoreface and the Albardão ridge. The upper shoreface mean wave power varies abruptly, decreasing from the half north to the half south points, in a clear response to large-scale mid-shelf declivities. Thus, the geological inheritance expressed through the shoreface width and mid-shelf declivities might indeed most times be more important to generate wave variability than the offshore wave power along-shelf variations itself. Almost full refraction is observed between the bimodal offshore spectra and the upper shoreface spectra that were mostly found as ESE/SSE waves with increased SE wave importance and in an almost unimodal spectra. These results showed how the large and shallow SBS shoreface is responsible for an intense refraction of the waves, thus forcing them to approach the beach system with very small angles of attack. Additionally, the similarity between the mean power spectra of upper shoreface points indicated the sheltering effect caused by the capes and coastal projections and a windowing on the wave propagation until the shore, once shore normal waves reach the coast with higher energy than angled incoming waves. At between capes and coastal projections, where lower wave energies were found, there is a remarkable north/south asymmetry with higher energies to the north because of this refraction windowing, which closely fits the relative positioning of the different types of Holocene coastal barriers. Altogether, it is possible to state that bottom friction plays a major role on wave differentiation along the SBS shoreface either by acting over different amounts of refraction or by acting over the different shoreface widths. In this sense, these results allow us to define the shoreline orientation, the shoreface width and the mid-shelf declivities as the key factors determining the wave power spectra that ultimately reach the shore of the SBS. The general patterns of the SBS wave climate could indeed be successfully determined here with the use of numerical models, allowing the quantification of the wave energy gradients over the SBS and the argumentation about the reasons of their existence.