Projeções de Mudança Climática com o Modelo Eta

Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais CPTEC/CCST

André Lyra

Cachoeira Paulista, SP

INTRODUÇÃO

Diversos Modelos Climáticos Globais vem sendo utilizados para gerar projeções de mudança climática através de diferentes cenários futuros, entretanto possuem ainda resolução baixa. O aumento da resolução espacial pode ser alcançada através da técnica de Donwscaling. Aninhar modelos climáticos regionais as condições dos modelos globais

Reduzir o ponto de grade o que é mais adequado para estudos de impacto; Representar melhor a topografia e outras características da superfície da Terra o que ajuda detalhar a estrutura dos sistemas atmosféricos.

Geração de cenários climáticos com base no modelo Eta-CPTEC 40 km

Cenários IPCC AR4 (modelo global HadCM3-varias realizações) A1B para rodar o modelo regional Eta CPTEC 40 km

Climatologia do presente (1961-90)

Projeções para diferentes períodos (2011-2040, 2041-2070, 2071-2100) - variáveis climáticas e hidrológicas - Brasil e bacias da ANA

Eta CPTEC 40 km

Modelo global (HadCM3)

Validação do clima presente das rodadas do Eta CPTEC (1961-90)

Cenários por bacias (medias e mudanças relativas ao presente) para aplicar modelos hidrológicas-Brasil e bacias da ANA

4

HADCM3

Pope et al, 2000, Gordon et al, 2000. (Hadley Centre OAGCM ) variables: u, v, q, theta, surf press

•1960-2099 •LBC: 6/6h (360 day calendar) •flux adjustments and sulphur cycle included

Present climate: [all forcing run - antropogenic (greenhouse gases, sulphates, ozone) and natural (solar and volcanic)] •Data domain : 106.875 W a 1.875 W e 78.75 S a 18.75 N •Resolution: dx=3.75o and dy=2.75o •Number of files for LBC= 44640 (31 years)

Large Scale Cloud

Ice fall speed

Critical relative humidity for formation

Cloud droplet to rain: conversion rate and threshold

Cloud fraction calculation

Convection

Entrainment rate

Intensity of mass flux

Shape of cloud (anvils) (*)

Cloud water seen by radiation (*)

Radiation

Ice particle size/shape

Cloud overlap assumptions

Water vapour continuum absorption (*)

Boundary layer

Turbulent mixing coefficients: stability-dependence, neutral mixing length

Roughness length over sea: Charnock constant, free convective value

Dynamics

Diffusion: order and e-folding time

Gravity wave drag: surface and trapped lee wave constants

Gravity wave drag start level

Land surface processes

Root depths

Forest roughness lengths

Surface-canopy coupling

CO2 dependence of stomatal conductance (*)

Sea ice

Albedo dependence on temperature

Ocean-ice heat transfer

Parameter Perturbations

QUMP ensemble +300 members

Slab Ocean Model

Temperature HadCM3 qump Perturbed physics

.

.

.

.

•Convection:

Betts-Miller-Janjic scheme,

• Stratiform rain:

Zhao scheme

• Turbulence:

Mellor Yamada 2.5, MO surface layer, Paulson functions

• Radiation:

GFDL package

• Land surface scheme:

NOAH scheme, 4 soil layers,

• Initial conditions

HADCM3

•LBC: HadCM3 uptd 6/6 h,

• Domain

Most part of South America

Resolution: 40 km/38 layers;

Grid-point model

Arakawa E grid

• Eta vertical coordinate (Mesinger, 1984)

•Prognostic variables:

T, q, u, v, ps, TKE, cloud water/ice, hydrometeors

•Time integration:

2 level, split-explicit

Adjustmet: forward-backward

Advection: first forward and then centered

Eta Model 40km characteristics

Integrações continuas de 31 anos; 1 ano de spin-up; Temperatura da Superfície do Mar geradas pelos AOGCM (Média mensal), atualização diária; Atualização do CO2, anual, de acordo com os cenários; Geração dos coef. de transmissividade para cenários A1B, com atualização de 5/5 anos; Sazonalidade da vegetação; atualização 1/1 mês;

Modelo Eta (versão mudanças climáticas)

Veg greeness

1961-1990 CIRCULAÇÃO 200 hPa DJF

low mid high

low mid high

JJA

unprtrb

ERA40

ERA40

unprtrb

A A A A A

DJF

ERA40 low mid high

low mid high

JJA

unprtrb

1961-1990 CIRCULAÇÃO 850 hPa

ERA40

unprtrb

ligeira superestimativa na velocidade dos ventos alísios

Captura bem o posicionamento dos anticiclones

11

DJF

CRU low mid high

low mid high

JJA

CRU

1961-1990 PRECIPITAÇÃO

unprtrb

unprtrb

12

1961-1990 TEMPERATURA 2m DJF

CRU low mid high

low mid high

JJA

CRU unprtrb

unprtrb

Subestimativa da temperatura na região Amazônica Superestimativa no Norte da Argentina

Temperatura semelhantes às observações CRU grande dispersão entre os membros na Amazônia.

RMSE

Temp

DJF JJA

Ens Mean + Spread

DJF JJA

DJF JJA

mean errors > spread

precip

DJF JJA

>> Under dispersive ensemble

2 a 6 mm/d 0,5 a 1 mm/d

EGU, Vienna, 2009

Amaz: Amazonia Nord: Northeast Brazil Sud: Southèast Brazil Brazil

Ciclo Anual por região

EGU, Vienna, 2010 15

BR

AM NE

SU

Ciclo Anual – Precipitação Eta 40km

Ciclo Anual – Temperatura 2m Eta 40km

BR SU

AM NE

DJF

JJA

2011-40

HadCM3 Q0-aenwl

A-F: Precipitation P (%)

G-L: Surface air temperature ( C)

M-R: Precipitation-Evaporation P-E (%)

B

JJA

DJF

A C

D E F

G H I

J K L

2041-70 2071-2100 2011-40 2041-70 2071-2100

N M O

Q P R

0

1

2

3

4

5

6

7

2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090

oC

High

Medium

Low

Unperturbed

Brazil

0

1

2

3

4

5

6

7

2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090

oC

High

Medium

Low

Unperturbed

Amazon

Temperature increase

Precipitation Annual cycle 2071-2100

Brazil Amazônia

Marengo et al 2012

Brazilian major river basins

2011_2040 - 1961_1990 2041_2070 - 1961_19 90 2071_2100 - 1961_1990

Marengo et al 2012

Algumas conclusões Eta 40km

– O downscaling com o Modelo Eta-HadCM3 (4 membros) para o clima presente

reproduzem o padrão de circulação de grande escala da América do Sul

– O padrão de precipitação em DJF e JJA é bem representado pelos 4 membros e apresentam melhoria em relação ao modelo HadCM3

– Pequeno espalhamento entre os membros do ensemble. Necessidade de incluir mais membros

– As projeções futuras do Modelo Eta-HadCM3 para o cenário A1B sugerem uma redução na precipitação no Norte da America do Sul e aumento no Sul no Verão.

– Projeções sugerem redução da precipitação nas Bacias Amazônia e do rio São Francisco e as mudanças negligenciáveis de precipitação na bacia do rio Paraná.

Eta Model 20km characteristics

•Convection:

Betts-Miller-Janjic scheme,

• Stratiform rain:

Zhao scheme

• Turbulence:

Mellor Yamada 2.5, MO surface layer, Paulson functions

• Radiation:

GFDL package

• Land surface scheme:

NOAH scheme, 4 soil layers,

• Initial conditions

HADCM3

•LBC: HadCM3 uptd 6/6 h,

• Domain

Most part of South America

Resolution: 20 km/38 layers;

Grid-point model

Arakawa E grid

• Refined Eta vertical coordinate

(Mesinger, 1984; Mesinger et al 2012)

•Prognostic variables:

T, q, u, v, ps, TKE, cloud water/ice, hydrometeors

•Time integration:

2 level, split-explicit

Adjustmet: forward-backward

Horiz.Advection: first forward and then centered

Vert Advection: Piecewise Linear Scheme > finite volume Model

3877

1790

533

21

3464

1526

398

0

4319

2076

690

65

4792

2386

867

118

5298

2720

1065

191

5841

3079

1285

284

TOPOGRAFIA Eta

20km STEPS (225X485X38) 40km STEPS (113X243X38)

3877

1790

533

21

3464

1526

398

0

4319

2076

690

65

4792

2386

867

118

5298

2720

1065

191

3079

1285

284

TIPO DE VEGETAÇÃO Eta

20km VEGTYPE (225X485X38) 40km VEGTYPE (113X243X38)

1 - BROADLEAF-EVERGREEN TREES (TROPICAL FOREST)

2 - BROADLEAF-DECIDUOUS TREES

3 - BROADLEAF AND NEEDLELEAF TREES (MIXED FOREST)

4 - NEEDLELEAF-EVERGREEN TREES

5 - NEEDLELEAF-DECIDUOUS TREES (LARCH)

6 - BROADLEAF TREES WITH GROUNDCOVER (SAVANNA)

7 - GROUNDCOVER ONLY (PERENNIAL)

8 - BROADLEAF SHRUBS WITH PERENNIAL GROUNDCOVER

9 - BROADLEAF SHRUBS WITH BARE SOIL

10 - DWARF TREES AND SHRUBS WITH GROUNDCOVER (TUNDRA)

11 - BARE SOIL

12 - CULTIVATIONS (THE SAME PARAMETERS AS FOR TYPE 7)

AM BR

NE

CRU E40km E20km

Ciclo Anual – Precipitação CRU x Eta40km x Eta20km

N

SE

SF

S CRU E40km E20km

CO

Ciclo Anual – Precipitação CRU x Eta40km x Eta20km

CRU E40km E20km

AM BR

NE

( oC ) ( oC )

( oC ) ( oC )

N

Ciclo Anual – Temperatura 2m CRU x Eta40km x Eta20km

CO

CRU E40km E20km

SF

SE S

( oC ) ( oC )

( oC ) ( oC )

Ciclo Anual – Temperatura 2m CRU x Eta40km x Eta20km

FREQUÊNCIA RELATIVA vs PRECIPITAÇÃO (mm/dia)

Distribuição do Eta-20km mais próxima da distribuição dos dados CRU Bacia São Francisco

%

%

%

– Os campos horizontais apresentam padrões semelhantes ao Eta-40km (caso

piloto);

– A simulação do ciclo anual de temperatura e precipitação do clima presente apresenta pequena melhoria sobre dados do Eta-40km);

– A distribuição de frequência da precipitação do clima presente foi melhor descrita na versão Eta-20km

Algumas conclusões Eta 20km

- Versão Eta-5km NH, mudanças climáticas (aplicação em estudos de megacidades, desastres naturais);

- Preparação para leitura do alguns modelos globais do AR5: - BESM, HadGEM-ES, MIROC5, IPSL, ...

- Novos cenários AR5 (Representative Concentration Pathway) – Ex: RCP4.5;

- Inclusão de novos esquemas de superfície (Vegetação dinâmica): INLAND,

NOAH-MP;

- Inserção de áreas inundáveis;

- inclusão de cultura perene: café; - Acoplamento com modelo oceânico

- Esquema de radiação

Em andamento....

OBRIGADO !

andre.lyra@cptec.inpe.br

Eta-20km

JJA SON DJF MAM

JJA SON DJF MAM

CRU 1961-1990 PRECIPITAÇÃO

Eta-20km

JJA SON DJF MAM

JJA SON DJF MAM

CRU 1961-1990 TEMPERATURA

Eta-20km

JJA SON DJF MAM

JJA SON DJF MAM

1961-1990 CIRCULAÇÃO 200 hPa ERA 40

Eta-20km

JJA SON DJF MAM

JJA SON DJF MAM

ERA 40 1961-1990 CIRCULAÇÃO 850 hPa

MAM

2041-2070 1961-1990 2011-2040

DJF

2041-2070 1961-1990 2011-2040

2071-2099

2071-2099

PROJEÇÕES PRECIPITAÇÃO

SON

2041-2070 1961-1990 2011-2040

JJA

2041-2070 1961-1990 2011-2040

2071-2099

2071-2099

PROJEÇÕES PRECIPITAÇÃO

MAM

2041-2070 1961-1990 2011-2040

DJF

2041-2070 1961-1990 2011-2040

2071-2099

2071-2099

PROJEÇÕES TEMPERATURA

2071-2099

SON

2041-2070 1961-1990 2011-2040

JJA

2041-2070 1961-1990 2011-2040

2071-2099

PROJEÇÕES TEMPERATURA

MAM

2041-2070 1961-1990 2011-2040

DJF

2041-2070 1961-1990 2011-2040

2071-2099

2071-2099

PROJEÇÕES CIRCULAÇÃO 200 hPa

SON

2041-2070 1961-1990 2011-2040

JJA

2041-2070 1961-1990 2011-2040

2071-2099

2071-2099

PROJEÇÕES CIRCULAÇÃO 200 hPa

MAM

2041-2070 1961-1990 2011-2040

DJF

2041-2070 1961-1990 2011-2040

2071-2099

2071-2099

PROJEÇÕES CIRCULAÇÃO 850 hPa

SON

2041-2070 1961-1990 2011-2040

JJA

2041-2070 1961-1990 2011-2040

2071-2099

2071-2099

PROJEÇÕES CIRCULAÇÃO 850 hPa