AULA 8Disciplina INTERAÇÃO BIOSFERA-ATMOSFERAAGM 5724 Pós-Graduação 2o sem 2015 Departamento de Ciências Atmosféricas /Iag / USP Responsável: Prof. Humberto Rocha

8. Modelagem numérica do sistema solo-vegetação-atmosferaModelagem do sistema climático: atmosfera e biosfera

fenômenos de mesoescala: circulações secundáriasfenômenos de grande escala: equilíbrio de biomas, mudanças paleoclimáticas

Histórico dos modelos do sistema solo-vegetação-atmosferaO modelo SiB2 (Simple Biosphere Model)

transferência radiativa no dossel.Fotossíntese e Respiraçãocondutância estomática-fotossíntese; escalonamento folha-dosselbalanço de água no solo; inicialização da umidade do soloexercício de simulações numéricas.

Modelagem do sistema climático: atmosfera e biosfera

fenômenos locais: microclimas e ilhas de calorfenômenos de mesoescala: circulações secundáriasfenômenos de grande escala

equilíbrio de biomascontroles paleoclimáticos (Snowball earth)

O modelo da biosfera-atmosfera SiB2Notas de aulas AGM5724 (Interação Biosfera-Atmosfera, IAG/Usp)

A biosfera terrestre controla o clima ?

Os fluxos de água e calor terrestres controlam o

clima?

As tempestades elétricas (cumuliformes) predominam nos continentes. fonte slide :

R. Pielke

Land use Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (sensor ASTER) satélite Terra In Minnesota (first), very

regular grid pattern reflects early 19thcentury surveying; the size of the fields was determined by the need to have a big enough area to make

the use of machinery efficient. Dirt roads separate the fields. In Kansas (second), center-pivot irrigation is responsible for the field pattern. In northwest Germany (third), small size and random pattern of fields is leftover from the Middle Ages. Near Santa Cruz, Bolivia (fourth) a village appears the pie-shape or radial-pattern fields are part of a

planned settlement scheme in a rainforest area. At the center of each unit is a small community, which is surrounded by fields. A small

buffer of forest separates the settlements from one another. Bangkok, Thailand (fifth), rice paddies fed by an extensive network of canals

that is hundreds of years old appear as small skinny rectangular fields. Some fields appear flooded (deep purple). Cerrado (sixth) in southern

Brazil, its flatness have resulted in enormous farms and large field sizes (ASTER scene covers 10.5 x 12 km).

Modelos do sistema climático: componente atmosférica e de superfície

Fonte: Trenberth KE (eds) Climate system modelling. Cambridge University Press (1992).

Modelagem do sistema climático: escala de processos Notas de aulas AGM5724 (Interação Biosfera-Atmosfera, IAG/Usp)

Efeitos da vegetação na regulação da temperatura

1. Escala urbanapontuais : sombreamento e atenuação da radiação

parques : influência local e arredores

2. Escala urbana-rural: ilha de calor urbanaalta evapotranspiração vegetal

retenção de calor nas edificações

3. Escala regional de ecossistemasPartição do balanço de energia

Temperatura aerodinâmica

Temperatura de superfície satelital e distribuição da vegetação em São Paulo Fonte: Atlas ambiental SP

Estimativas de temperatura satelital: Mede a temperatura da superfície (diferente da

temperatura do ar), proporcional à emissividade do corpo

Máximos ocorrem no período diurno, dominadas pelo uso do solo com áreas de

pavimentos e grandes coberturas industriais

1. Escala urbanapontuais : sombreamento por atenuação da radiaçãoparques : influência em arredores

Fonte: Rivero (1986) apud Ayres (2004)

Temperatura média em Manaus (oC) (ago-set 2009)Fonte: Oliveira e Alvala (2010)

Microclimas urbanos em escala local – áreas

pavimentadas

Balanço de energia

Fluxo calor solo G (++)Emissao termal (+)

Transição pavimento-vegetação (noturno)

diferenças até 7o C

Condicionantes urbanas Roughness Albedo

Permeability Thermal conductivity

heat capacity Anthropogenic heat flux

Emissivity Aerossols

Resposta atmosférica‐ Turbulence

‐ Mixing height‐ Wind speed‐ Cloudiness

‐ Energy fluxes‐ Runoff

‐ Temperature‐ Solar and UV radiation‐ Visibility, air quality

‐ Precipitation

Gradientes verticais comumente observados

nas estações meteo• Diurno

• Noturno

Padrões observados na transição urbana-rural

• 2. Ilha de calor urbana: área metropolitana relativamente mais quente que áreas rurais vizinhas

Oke & East (1971); Runnalls & Oke (2000); Oke, T.R. 1987: Boundary Layer Climates. 2nd ed

ΔT = (Tu - Tr )

Ocorre com mais evidencia à noite, com vento fraco e

nebulosidade

• Ilha de calor urbana: processos diferentes

CAUSAS NO AMBIENTE URBANO: Radiação confinada (trapped) entre edificações

+ absorção radiação solar (também por menor albedo) - perda radiação termal + armazenamento de calor sensível (também por + capacidade calorífica) - mistura vertical turbulenta

Evaporação muito reduzida + Fontes antrópicas de calor sensível (motores e condicionadores) Poluição

+ radiação infravermelho incidente

• Ilha de calor urbana

• Mais intensa proporcionalmente à área metropolitana

• e ao Sky view factor (fator de visão - ou obstrução- do céu

Controle do balanço de energia

+ absorção radiação solar (também por menor albedo)

- perda radiação infravermelho (menor emissividade)

+ armazenamento de calor sensível (também por + capacidade calorífica)

0 3 6 9 12 15 18 21 24hora do dia

1 8

2 0

2 2

2 4

2 6

2 8

3 0

Tem

pera

tura

do

ar a

cim

a da

cop

a (o

C)

M é d ia n o pe ríod o ch u vo so

cana-de-açúcarCerradoeucalipto

Fontes: Gash (1996)Tatsch (2006)

Baldocchi e Ma (2003)

0 3 6 9 12 15 18 21 24Hora local

2 0

2 4

2 8

3 2

3 6

Tem

pera

tura

do

arac

ima

da c

opa

(o C)

Pastagem na Am azôniaFloresta amazônica

3. Escala regional de ecossistemasPartição do balanço de energia

Remoção de calor por turbulência mecânica (Temperatura aerodinâmica )

𝐻=ρ𝑐𝑝 (𝑇𝑎𝑒𝑟𝑜−𝑇𝑎𝑟 )

𝑟 𝑎

2. escala urbana : ilhas de calor

Radiação confinada entre edificações

+ absorção radiação solar (menor albedo)+ armazenamento calor sensível (também por + capacidade calorífica)- mistura vertical turbulenta

Evaporação reduzida+ Fontes antrópicas de calor sensível (motor, condicionador)Poluição

+ radiação infravermelho incidente

Camada limite

Padrões diurno e noturno, nas

áreas urbana e rural adjacentes

M ixed Layer

C onstantFlux

Layer

R oughnessLayer

UCL

Constant Flux Layer + Roughness Layer = Surface Layer

Mixed Layer + Surface Layer = UBL

Capping Inversion

Previous modelling sudies suggested that large scale

deforestation in Amazonia may lead to a reduction in rainfall and impact the biodiversity,

but the impact of deforestation over small areas is still a less

known matter.

Rainfall inhibition

Rainfall enhancement

Changes varied from 10 to 30

%

Deforestation strip

Qual o impacto do desmatamento na chuva ? 1. Circulações secundárias (mesoescala)

Desmatamento florestas tropicais P ↓, T↑Fonte : Snyder et al. (2004) (Climate Dynamics)

Qual o impacto do desmatamento na temperatura e na chuva ?1. escala continental

Desmatamento florestas boreais Neve ↑, T↓Fonte : Snyder et al. (2004) (Climate Dynamics)

Desmatamento floresta temperada

Inverno: neve ↑, T↓

Verão: P ↓ ,T↑

Balanço de água anual na Amazonia(precipitação) (evaporação)

P = E + Transporte 2200 mm 1277 mm 923 mm

P = E + Transport

reduz reduz também

220-650 mm/a 160-500 mm/a reduz

Simulação de Desmatamento com

modelos do sistema climático Henderson-Sellers & Gornitz

(1984)Dickinson & Henderson-Sellers

(1988) Lean & Warrillow (1989)

Nobre (2001)Rowntree (1996)

Costa & Foley (2000) ....

Impacto do desmatamento nos Cerrados reduz a chuva ~250 mm/aaumenta temperatura ~ 1 a 2º C

Fonte : Hoffman & Jackson (2000) simulação com modelo climático

seco (mm/ano) úmido

Escala paleoclimática: teoria da terra bola-de-neve (snowball earth)

Modelagem do sistema solo-vegetação

o Simple Biosphere Model (SiB2)

Célula

(área dos fluxos médios)

tipo vegetação: prescritotipo de solo : prescrito

Nível vertical das forçantes da 1ª camada do modelo atmosférico

Entradas : Ki, T, q, V, p, Prec, CO2

O modelo da biosfera-atmosfera SiB2Notas de aulas AGM5724 (Interação Biosfera-Atmosfera, IAG/Usp)

O conceito do SVAT (Surface-vegetation atmosphere transfer schemes)- modelos “Big-Leaf” para evapotranspiração e assimilação de CO2

- Fluxos verticais de água no solo

Célula

(área sobre onde se dá o fluxo médio)

prescreve tipo vegetaçãoprescreve tipo de solo

Nível vertical das forçantes da 1ª camada do modelo atmosférico

Entrada : Ki, T, q, V, p, Prec, CO2

Saidas :

fluxos de energia e massa H, LE, FCO2

O modelo da biosfera-atmosfera SiB2Notas de aulas AGM5724 (Interação Biosfera-Atmosfera, IAG/Usp)

Fluxos de água no solo: Rs, Rd

Fluxo de calor no solo G

Temperatura e umidade do solo

Rs

Célula com 2 coberturas (patches):vegetação V (fração de cobertura f1)solo nú S (fração de cobertura f2)tal que (f1 + f2) = 1 , ex:f1= 0,8;f2=0,2

ResultanteFluxo atmosférico = F1 . f1 + F2 . f2

Forçantes Ki, T, q, V, p, Prec, CO2

VS

O modelo da biosfera-atmosfera SiB2Notas de aulas AGM5724 (Interação Biosfera-Atmosfera, IAG/Usp)

F1 F2

Fronteira dossel - atmosfera

O modelo SiB2 (Simple Biosphere Model)

(Sellers et al. 1986, 1996)

MÓDULOS1. Transferencia aerodinâmica

- perfil vertical do vento

2. Transferência radiativa - albedo e saldo de radiação

3. Módulo hidrológicointerceptação da chuva, infiltração, retenção de umidade no solo, geração de escoamento (superficial e drenagem profunda)

4. Módulo de fotossíntese e transpiraçãocondutância estomática assimilação bruta e líquida CO2transpiração

Notas de aulas AGM5724 (Interação Biosfera-Atmosfera, IAG/Usp)

Variáves prognósticas (1/3)

O modelo da biosfera-atmosfera SiB2Notas de aulas AGM5724 (Interação Biosfera-Atmosfera, IAG/Usp)

Transferência de momentum (modelo SiB2)

1. Parâmetros calculados previamente submodelo MOMOPT (momentum otimo)

kLoL eII

extinction by a plant canopyI = radiative flux, k = extinction coefficient, L = leaf area index.

cos

para radiação direta na direção do angulo zenital ,k= coef extinção depende da direção e forma e estrutura do dossel G() e para radiação difusa

)(Gk

dG

kdiffuse

1

0 )(,1

• retroespalhamento do fluxo difuso emergente I• espalhamento do fluxo difuso descendente I• espalhamento do fluxo direto incidente Io

b, bo upscatter parameter for diffuse and direct radiation

kLo

kLo

ekIIdLdI

ekIIdLdI

bbb

bbb

])1(1[

)1(])1(1[

coef. Espalhamento = a + t = (reflectance +transmittance)

1oI

][ totalkLsoil eII a

Supondo o fluxo incidente no topo

do dossel normalizado

e no solo onde L = Ltotal

Limitante da transpiração por estresse hídrico (escala foliar) exemplo)Limitante da ET por estresse hídrico

dependências da ET por estresse hídrico

• Relevância da umidade do solo em modelagem do sistema climático• Modelagem climática: sensibilidade à umidade do solo• (ex estudos seminais : fonte Shukla & Mintz 1982 Sciene)

• Previsão numérica do tempo : influência no cálculo da temperatura do ar• (ex: fonte Yang et al 1994, MWR; Smith et al 1994 BAMS)

• Modelagem climática e hidrológica: spin up da umidade solo • (ex: fonte Du et al 2006)

Roff escoamento superficial

3 camadas (versão Sellers 1996) parâmetros homogêneos por camada

multi-camadas (nova versão) com parâmetros heterogêneos verticalmente

QG drenagem profunda (similar recarga aquífero)

Dinâmica de água no solo (modelo SiB2)

Variáves prognósticas (2/2)

4. Assimilação de carbono e transpiração

Limitantes da fotossíntese e

da condutancia estomática

•equação de Ball & Berry

• Scaling from leaf-to canopy-scale, retaining only fully green leaf of top canopy with Vmax0 (Ano):

4. Assimilação de carbono e transpiração• modelo conectado Fotosintese – Condutancia estomática

Operação

Arquivo dos parâmetros do sistema solo-

vegetação

(data1)

Arquivo das forçantes da simulação

(data2)