climatologia de frontogêneses usando a equação ... · norte do afeganistão e extremo oeste da...
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Climatologia de Frontogêneses Usando a Equação Frontogenética de Petterssen
Éder Paulo Vendrasco Departamento de Ciências Atmosféricas do Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas da
Universidade de São Paulo, Brasil.
Resumo Foi calculada a função frontogenética deduzida por Petterssen; para janeiro, abril, julho, outubro e para a média
anual, foi escolhido estes meses como sendo representativos de cada estação. A climatologia foi feita com um
banco de dados de mais de 50 anos cobrindo todo o globo e com mais detalhes foi analisado a América do Sul.
A função frontogenética reproduziu bem as regiões conhecidas na literatura como frontogenéticas. Depois
investigou-se o comportamento desta variável em anos com episódios de El Niños e La Niñas, apesar de
apresentar poucas variações, os resultados sugerem que em anos de Niños há um desfavorecimento de
frontogênese e favorecimento em anos de Niñas na região de São Paulo. Por fim, foi feito um estudo de caso
para dois sistemas que passaram por São Paulo no inicio de maio e agosto de 2003.
________________________
1.0 Introdução
Bjerknes, na Noruega por volta de 1918,
foi o pioneiro no estudo de sistemas frontais
(Petterssen, 1956), este definiu o conceito
de frente como sendo uma zona de transição
ou superfície de descontinuidade entre o ar
frio (denso) e o ar quente (menos denso).
Embora não houvesse dados aéreos naquela
época, as análises de Begeron já
evidenciavam uma estrutura tridimensional
para as superfícies frontais (Begeron, 1928).
Petterssen afirma que frontogêneses implica
uma tendência para a formação de uma
descontinuidade ou intensificação de uma
zona de transição já existente, enquanto o
termo frontólise indica o oposto,
(Petterssen, 1956).
Trabalhos mostram a importância do
campo de deformação horizontal associado
a ondas baroclínicas na formação de frentes
(Phillips, 1956) enquanto que Eady (1949)
afirma que a instabilidade baroclínica é
responsável pela intensificação de sistemas
extratropicais.
Begeron (1928) propõe que
frontogêneses atmosféricas são causadas
por campo de deformação horizontal do
vento agindo em um pré-existente gradiente
de temperatura. Mas existem estudos de
frentes particulares as quais não tem
nenhuma relação com o campo de
deformação horizontal (Reed e Sanders,
1953). Eliassen (1959) critica a hipótese de
Begeron dizendo que o campo de
deformação na superfície deve persistir por
2 ou 3 dias para produzir os gradientes
encontrados em frentes atmosféricas,
enquanto que estes campos persistem,
geralmente, por aproximadamente 1 dia.
Mais tarde, Eliassen conclui que a hipótese
de Begeron é plausível, (Eliassen, 1962).
Os oito mecanismos que atuam
modificando o gradiente de temperatura
são; 1) deformação horizontal ; 2)
cisalhamento horizontal ; 3) deformação
vertical ; 4) movimento vertical diferencial;
5) liberação de calor latente; 6) fricção na
superfície ; 7) mistura turbulenta ; 8)
radiação diferencial, (Hoskins e Bretherton,
1972), em geral os 4 últimos tendem a
desfavorecer a frontogênese.
Orlanski et al. (1985) concluíram que,
em baixos níveis, o campo de deformação
horizontal é o principal agente
frontogenético.
A motivação do estudo de frontogêneses
na América do Sul vem do fato de que há
poucos trabalhos nesta linha. Satyamurty e
Mattos (1989), fazem um estudo da
climatologia de frontogêneses para o globo
entre a latitude de 45S e 45N usando a
função frontogenética (Petterssen, 1956)
com um banco de dados de 7 anos (1975-
1981) com 5 graus de resolução, o trabalho
aqui apresentado tem como um de seus
objetivos investigar se uma climatologia
com mais de 50 anos de dados e com uma
maior resolução fará diferença nas
conclusões obtidas por Satyamurty e
Mattos.
Outro propósito é estudar a influência
de episódios de Niños e Niñas na formação
de frentes na região de interesse.
Por fim, pretende-se estudar mais
detalhadamente, usando a função
frontogenética, um caso intenso de uma
frente que tenha adentrado a América do
Sul atingindo o estado de São Paulo.
2.0 Dados e Métodos
2.1 Dados
Os dados utilizados neste trabalho foram
obtidos do banco de dados on-line no site do
Climate Diagnostics Center
(www.cdc.noaa.gov) da Reanálise
NCEP/NCAR.
Para a climatologia, foi feito ftp dos dados
no dia 13 de outubro de 2003. Os dados estão
separados em dois conjuntos, o primeiro são
dados de médias mensais de longo período, ou
seja, é uma média para todos os janeiros, todos
os fevereiros e assim por diante, o segundo são
apenas médias mensais. Para ambos, os dados
vão de 1 de janeiro de 1948 até 30 de setembro
de 2003, sua resolução espacial é de 2,5 graus
(o dobro da resolução dos dados utilizados por
Satyamurty e Mattos).
Para os estudos de episódios de El Niño
e La Niña, os dados foram baixados via ftp no
dia 22 de outubro e para os estudos de caso, 6
de novembro. Estes são dados de 1997, 1998,
1999 e 2003 com resolução temporal de 6 horas
e resolução espacial igual ao conjunto anterior.
Todos os conjuntos de dados
mencionados estão em níveis de pressão.
Também foram baixados no dia 21 de
novembro de 2003 os dados de pressão e
temperatura em superfície para avaliar a
evolução destas variáveis ao longo dos
episódios estudados.
Foram utilizados também dados de
precipitação da estação meteorológica situada
no prédio do IAG-USP e da Água Funda.
2.2 Métodos
A ferramenta principal neste trabalho é
a função frontogenética, calculada esta variável,
foram plotados vários gráfico de maneira que
tornasse fácil a compreensão dos fenômenos
que se almejava estudar.
Com o intuito de identificar regiões de
maior variação da função frontogenética, foi
calculado também o seu desvio padrão.
2.2.a Função Frontogenética
A função frontogenética é definida
como;
( )
+
∇=
22cos
2δβDTF v
(2.2.a.1)
onde;
( )
∂∂
∂∂
==−=
∂∂
+∂∂
=∇
∂∂+
∂∂=
∂∂+
∂∂=
∂∂−
∂∂=
+=
xT
yT
tgddtg
VirtualaTemperatur
deGradientejyTi
xTT
aDivergênciyv
xu
yu
xvd
yv
xud
HorizontalDeformaçãoddD
vvv
)()2(1
2
2
1
212
22
1
αθαθβ
δ
(2.2.a.2)
A função frontogenética tem domínio positivo
para frontogênese e negativo para frontólise.
2.2.b Desvio Padrão
O desvio padrão foi calculado da
seguinte maneira;
( )
dadosdosmédiovaloryidadoy
dadosdenúmeron
yyn
m
i
n
imi
==
=
+=
−= ∑=
2
1
22 1
σσ
σ
(2.2.b.1)
3.0 Resultados
3.1 Climatologia das Regiões
Frotogenéticas no Globo
Fazendo uso dos dados meteorológicos
e da função frontogenética citados acima,
foram produzidos gráficos desta variável
para os meses de janeiro, abril, julho e
outubro (meses representativos de cada
estação do ano) e para a média anual.
Figura 3.1
Figura 3.2
Figura 3.3
Figura 3.4
Figura 3.5
Figura 3.6
Figuras 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5, 3.6 são médias da função frontogenética, anual (valores positivos e
negativos), janeiro, abril, julho e outubro. Estas figuras foram obtidas do conjunto de dados de longo
período e estão multiplicados por 1011.
As figuras 3.1 e 3.2 mostram o campo
médio anual da função frontogenética,
notamos que as regiões mais propicias a
frontogênese localiza-se a sudoeste, norte e
nordeste da África, leste europeu (Portugal
e Espanha), algumas regiões da Ásia com
extensão para o noroeste do Oceano
Pacifico, leste da Austrália, Montanhas
Rochosas na América do Norte e Patagônia
na América do Sul. Por outro lado algumas
regiões frontolíticas são encontradas a
sudeste da África com extensão para o
Oceano Índico, norte da Líbia (Sul do Mar
Mediterrâneo), algumas regiões bem
intensas são encontradas no sudoeste da
China (norte da Índia), noroeste do Irã,
norte do Afeganistão e extremo oeste da
Mongólia, também no centro-sul da
Austrália, costa leste do Chile (Oceano
Pacifico), costa leste dos Estados Unidos
(Oceano Pacifico), extremo sul da América
do Sul, costa lesta da Argentina (costa de
Mar Del Plata) e algumas regiões do
Atlântico norte.
Para estudar as variações sazonais, vamos
olhar com mais detalhes os meses
escolhidos como sendo representativos de
cada estação.
Na figura 3.3, onde podemos observar a
função frontogenética média para o mês de
janeiro, a primeira coisa notável que
devemos nos ater é a escala, enquanto que
na média anual a variação e de -5 a 5
unidades, para janeiro estes valores
dobram, as três regiões que mais se
destacam como frontogenéticas são;
montanhas costeiras no Canadá (associado
às Montanhas Rochosas), Argentina
(Patagônia) e China, e, como frontolíticas
são; norte da Índia e sudoeste da China.
Na figura 3.4, a função frontogenética
média para abril diminui seu range com
relação ao mês de janeiro, mas ainda é
maior que a média anual. Duas regiões
frontogenéticas destacam-se na África
(Sudafrica e Nigéria), a região
frontogenética do leste da China (janeiro)
desloca-se para o leste da Mongólia,
enquanto que no oeste aparece uma região
frontolítica, outra região frontolítica
intensa que surge é no norte do Irã, centro-
sul da Austrália e sul dos Estados Unidos.
A região frontogenética localizada no
Canadá (janeiro) dá lugar a uma fraca
região frontolítica.
Na figura 3.5, notamos que para o mês
de julho, há uma grande intensificação nos
valores positivos da função frontogenética
próximo da Etiópia e Somália, segundo
Mattos (1988), isto se deve ao fato de ser
uma região monçônica com intensos jatos
de baixos níveis o que provoca um intenso
campo de deformação favorecendo a
frontogênese. Próximo ao Mar Arábico, há
uma grande região frontolítica.
Na figura 3.6, aparece um dipolo (já
visto na média anual) no sul da África,
onde o lado oeste fica favorável a
formação de frentes e o lado leste
desfavorável. Aparece também uma região
frontogenética na região central da China.
Com o intuito de verificar em que
regiões há maior variância da função
frontogenética, foi calculado o desvio
padrão da média para a média anual, figura
3.7.
Figura 3.7 – Média anual do desvio padrão da função frontogenética ao longo do ano. Os valores
estão multiplicados por 1011.
A região da Somália (monçônica) tem
uma grande variância ao longo do ano, o que já
era esperado pela alta variação sazonal dos
padrões atmosféricos. É evidente também a
pouca variância nos oceanos, já nos
continentes, o sul da Ásia e a região Amazônica
destacam-se pela pouca variância.
3.2 Climatologia das regiões
Frotogenéticas na América do Sul
Agora vamos observar com mais
detalhes a América do Sul.
Figura 3.8
Figura 3.9
Figura 3.10
Figura 3.11
Figura 3.12
Figura 3.13
Figuras 3.8, 3.9, 3.10, 3.11, 3.12, 3.13 são similares às figuras 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5, 3.6,
respectivamente, porém, agora somente para a América do Sul.
Como podemos ver nas figuras 3.8-3.9 e
citado anteriormente, há um núcleo positivo na
Argentina o qual lança um ramo para o Oceano
Pacífico e outro para o Oceano Atlântico. Há
outro núcleo também (bem menos intenso) no
Rio Grande do Sul. É notável quatro núcleos
intensos de valores negativos para a função
frontogenética, extremo sul da América do Sul,
costa de Mar Del Plata, costa do Chile (uma
região mais ao Sul e outra mais ao norte).
Em janeiro, figura 3.10, observa-se
pouca variação com relação a média anual.
Em abril, figura 3.11, já aparecem
mudanças significativas, a região
frontogenética estende-se com maior
intensidade para o Oceano Pacifico, enquanto
que as regiões frontolíticas no extremo sul da
América do Sul e na costa de Mar Del Plata
desintensificam-se.
Em julho, figura 3.12, o núcleo mais
forte desloca-se ainda mais para o Oceano
Pacifico adentro, a região norte do Uruguai, Rio
Grande do Sul, e Norte da Argentina, tornam-se
mais favoráveis a frontogêneses, o que está de
acordo com as observações de frentes para o
mês de julho nestas regiões. Destaca-se também
um grande núcleo frontolítico no Mato Grosso
do Sul.
Em outubro, figura 3.13, percebe-se o
retorno do núcleo mais intenso para o
continente e a região sul do Brasil já não é mais
tão favorável à frente como em julho.
Feita esta análise sazonal, fica evidente
que a região mais favorável a frontogênese na
América do Sul migra para o Oceano Pacifico
em julho e retorna em janeiro, também pode-se
mostrar a concordância da maior incidência de
observações de frentes em julho (na região sul
do Brasil) e os autos valores da função
frontogenética.
3.3 Episódios de El Niño e La Niña e
a Função Frontogenética
A questão abordada nesta seção é
analisar o comportamento da função
frontogenética em episódios de El Niño e La
Niña.
Primeiramente, escolheu-se, das figuras
3.8-3.9, o núcleo mais intenso de valores
positivos e outro de valores negativos, para
estes pontos plotou-se as séries dadas pelas
figuras 3.14 e 3.15.
Figuras 3.14 e 3.15 são series temporais da função frontogenética em uma região de valores positivos
e outra de valores negativos na média, respectivamente. Todos os valores estão multiplicados por 1011.
A figura 3.15 é um ponto situado em
42.5S e 80W no nível de 850hPa, representando
uma região frontolítica, analisando algumas
datas de El Niño e La Niña (tabela 3.1), não
fica evidente nenhuma relação direta entre tais
episódios e os valores da função frontogenética.
Para a figura 3.14, 37.5S e 69W ao nível 850
hPa, nota-se uma variação bem maior, porém,
como antes não fica evidente nenhuma relação.
Tabela 3.1 – Classificação de anos de El Niño e La niña com relação à temperatura do oceano,
N indica neutro, W indica quente, C indica frio, os sinais de + e – indicam mais quente ou mais frio.
Esta tabela foi retirada do site www.cpc.ncep.noaa.gov
Agora surge outra dúvida, será que
devido à constância de valores positivos e
negativos naqueles pontos, não aparecem
diferenças relacionadas a fenômenos de El Niño
e La Niña?
Para esclarecer isto, foi plotado a figura
3.16, onde foi escolhido um ponto nas figuras
3.8-3.9 que estivesse próximo de zero (40S e
75W).
Figura 3.17 - Serie temporal da função frontogenética em uma região de valores próximos de zero na
média. Todos os valores estão multiplicados por 1011.
A figura 3.17 confirma o que foi dito
acima, episódios de El Niño e La Niña não são
bem caracterizados pela função frontogenética.
Não pode-se daí concluir que estes episódios
nada tem a ver com sistemas frontais.
Outra coisa interessante de ser feita, é
analisar períodos menores com resolução
temporal bem maior os quais esteja bem
definido como períodos de El Niño, La Niña e
Neutro.
Figura 3.18
Figura 3.19
Figura 3.20
Figuras 3.18, 3.19 e 3.20 são series temporais da função frontogenética para o trimestre JFM nos
anos de 1997 (neutro), 1998 Eel nino) 1999 (La niña). Todos os valores estão multiplicados por 1011.
As figuras 3.18, 3.19 e 3.20 mostram
séries temporais da função frontogenética para
os três primeiros meses dos anos de 1997
(neutro), 1998 (El niño) e 1999 (La niña). O
que notamos nestas três figuras é que os valores
médios apresentam-se de maneira que quando
estes são maiores, estão associados a episódios
de La niña, valores menores a episódios de El
niño e valores intermediários a episódios
neutros. Estas conclusões devem ser encaradas
com uma certa cautela, visto que para obter
algo mais concreto a este respeito é necessário
uma climatologia com vários destes episódios.
À luz do que foi dito acima, é
interessante ressaltar que já esta razoavelmente
claro na literatura que em anos El Niño o jato
subtropical fica mais intenso durante o inverno,
contribuindo para o aumento da baroclinia no
sul do país e contribuindo para bloquear os
sistemas entre Uruguai e Santa Catarina. Desta
forma, existe uma tendência de temperaturas
acima do normal do Rio Grande do Sul para o
norte, e abaixo do normal do Rio Grande do Sul
para o sul, e provavelmente se fosse feito uma
contagem do número de frentes na altura de São
Paulo por exemplo ou mesmo mais ao sul
provavelmente ficaria abaixo da média.
Já em anos de La Niña a circulação é
mais livre, e os sistemas tenderiam a
fluir mais rapidamente para baixas latitudes,
com mais ciclones no Atlântico e
conseqüentemente seria de se esperar um maior
número de frentes.
O número de frentes a princípio poderia
ser uma boa indicativa para se avaliar isto,
porém, há alguns problemas, pois, muitas vezes
vemos casos em que o número de frentes esteve
próximo ao normal, entretanto houve anomalias
significativas de temperatura e precipitação
(para mais ou para menos). Então, muitas vezes
o que realmente muda é a abrangência
continental das frentes e sua intensidade, por
exemplo, alguns sistemas fracos acabam
passando somente pelo litoral e são contados
(pois a contagem de frentes em geral se faz pelo
litoral), mas com efeito praticamente nulo no
continente.
Outro exemplo é uma frente
extremamente fria que deixe uma circulação
pós-frontal de sul intensa por muitos dias
seguidos. Neste caso mesmo tendo
eventualmente um número de frentes abaixo do
normal, as temperaturas poderiam ficar normais
ou até abaixo também.
Até o momento não há nenhum trabalho
claro e conclusivo na literatura a respeito das
variações do número de frentes com respeito a
estes episódios.
3.4 Estudo de Caso
Ante de iniciar o estudo de caso, houve
a preocupação em estudar a relação entre a
função frontogenética e os valores de
temperatura. De acordo com a figura 3.21, fica
bem evidente a alta correlação negativa entre
estas variáveis, o que já era esperado visto que
grande quedas de temperatura estão associadas
com frontogênese.
Figura 3.21 – Série temporal da função frontogenética e da temperatura ao longo de todo o período
estudado. Valores da função frontogenética estão multiplicados por 1011.
Com base em imagens de satélite, dados
observados na estação meteorológica localizada
na Cidade Universitária (23.5 S – 47 W) e
edições mensais de 2003 disponíveis on-line da
CLIMANALISE, as datas de episódios frontais
estão em acordo com as datas de máximo da
função frontogenética, figura 3.21.
Esta figura também foi utilizada como
critério para escolha de dois sistemas frontais
os quais foi feito um estudo mais detalhado.
Estes episódios foram o sistema que passou no
inicio de maio (3-10) e o sistema que passou no
dia 9 de agosto, o primeiro foi escolhido pela
sua duração, o segundo pela grande amplitude
observada na função frontogenética.
A figura 3.22.a ilustra a evolução destes
dois sistemas.
Sistema ocorrido entre 3 e 10 de maio;
Sistema ocorrido entre 8 e 10 de agosto;
Figura 3.22.a – Imagens de satélite ilustrando os dois sistemas que serão estudados.
Figura 3.22.b – Precipitação Acumulada em 24h. Dados da estação meteorológica situada no prédio
do IAG-USP.
A figura 3.22 mostra que em ambos os
sistemas, apesar de muita nebulosidade, houve
pouca precipitação.
3.4.a Caso 1 Primeiro será analisado o caso ocorrido
no início de maio. Similar a figura 3.21, foi
plotada a figura 3.23, onde fica claro agora que
na região em questão, a temperatura começou a
cair no dia 2 às 6z tendo um mínimo relativo no
dia 3 às 12z, o sistema começa a
desintensificar-se, porém, no dia 6 às 6z um
novo sistema atinge a região que faz com que a
temperatura caia por volta de 7 graus Celsius no
dia 7 às 18z, daí em diante começa a
desintensificar-se.
Figura 3.23 – Série temporal da função frontogenética e da temperatura ao longo da primeira
quinzena de maio.
Figura 3.24 – Temperatura (C) e pressão atmosférica (hPa) na superfície.
Pode ser visto na figura 3.24 o
comportamento da pressão e da temperatura
em superfície, é evidente também que após a
passagem do sistema fica um período de
nebulosidade onde diminui a amplitude de
temperatura.
Figuras 3.25.a e 3.25.b – Linha de corrente em 250 hPa (a), temperatura, vetor vento, e função
frontogenética, todos os campos em 850 hPa (b).
O posicionamento do núcleo do jato em altos níveis é importante para o
desenvolvimento de sistemas convectivos
(Ucellini e Johnson, 1979), por esta razão foi
plotada linha de corrente em 250 hPa.
Fica claro na figura 3.25.a que o jato em
250 hPa tem uma certa relação com regiões
frontogenéticas na baixa troposfera.
Comparando o escoamento desta figura com o
da figura 3.25.b, notamos que a advecção de
massas de ar vindas do sul ocorre tanto em
baixos como em altos níveis.
A figura 3.23 mostra que a queda de
temperatura em São Paulo começa a ocorrer no
dia 2 às 6Z, a função frontogenética apresenta
valores altos neste horário na região
mencionada e aumenta as 12Z propagando este
núcleo para nordeste.
As duas últimas figuras mostram que
ainda há uma grande região propícia a
frontogênese.
3.4.b Caso 2
Agora vamos analisar o caso ocorrido
no dia 9 de agosto de 2003, serão plotados
figuras similares às anteriores para que seja
feita a mesma análise.
Figura 3.26 – Série temporal da função frontogenética e da temperatura ao longo da primeira
quinzena de agosto.
Figura 3.27 – Temperatura (C) e pressão atmosférica (hPa) na superfície.
De acordo com a figura 3.26, a partir do
dia 9 a temperatura começou a cair e a função
frontogenética dá um pico às 12Z. Diferente do
primeiro caso, o sistema passou e a amplitude
de temperatura diminuiu pouco.
Agora vamos ver como se comportou a
função frontogenética neste caso.
Figuras 3.28.a e 3.28.b – Linha de corrente em 250 hPa (a), temperatura, vetor vento, e função
frontogenética, todos os campos em 850 hPa (b).
Durante todo o dia 9 e estendendo-se
aos dias 10 e 11, São Paulo fica sob forte
advecção fria chegando a um mínimo de
temperatura em 850 hPa no dia 10 às 12Z
enquanto que na superfície o mínimo de
temperatura foi atingido no dia 11 às 6Z, figura
3.27.
Mais uma vez há uma coincidência da
posição do jato em 250 hPa e as regiões
propícias a frontogênese. Desta vez a função
frontogenética apresentou valores bem maiores
chegando a 30.10-11 K m-1 s-1 em vários horários
do dia 9, enquanto que no primeiro caso este
valor não passou de 20.10-11 K m-1 s-1.
4.0 Conclusões
A função frontogenética representou
satisfatoriamente regiões do globo as quais são
conhecidas na literatura como frontogenéticas,
mostrou-se coerente com a oscilação sazonal
das regiões frontogenéticas no globo em
especial na América do Sul. Pôde-se perceber
também que a região mais favorável a
frontogênese na América do Sul migra para o
Oceano Pacifico em julho e retorna em janeiro,
e de acordo com o esperado, valores mais altos
foram observados em julho.
Um dos objetivos deste trabalho foi analisar o
quanto se ganha, com relação ao trabalho de
Satyamurty e Mattos (1989), fazer esta análise
de regiões frontogenéticas com um conjunto de
dados bem maior e com o dobro da resolução
espacial e temporal, e o que se conclui é que foi
possível observar mais detalhes nos campos
desta variável assim como identificar regiões
com pouca intensidade em módulo, porém, o
padrão das regiões frontogenéticas e
frontolíticas um pouco mais intensas ficaram
bem similares aos encontrados no trabalho
citado acima.
O resultado do estudo das diferenças na função
frontogenética devido a episódios de Niños e
Niñas nos sugere que valores médios maiores,
estão associados a episódios de La Niña,
valores médios menores, à episódios de El Niño
e valores intermediários a episódios neutros. Já
foi mencionado antes, mas é importante
ressaltar que o ideal é fazer uma climatologia
com um maior número de episódios atípicos de
temperatura do Pacífico para que se possa
afirmar com convicção o que foi encontrado
aqui em apenas um episódio de Niño, um de
Niña e outro neutro.
No estudo de Caso ficou evidente como
valores altos de função frontogenética estão
associados com o jato em altos níveis, o que
está de acordo com (Ucellini e Johnson, 1979).
5.0 Referências Bibliográficas
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