LEAF-2LEAF-2((Land Ecosystem-Atmosphere Land Ecosystem-Atmosphere

Feedback modelFeedback model))

Dr. Edmilson FreitasDr. Edmilson FreitasDr. Pedro Leite da Silva DiasDr. Pedro Leite da Silva Dias

Departamento de Ciências Departamento de Ciências Atmosféricas – IAG/USPAtmosféricas – IAG/USP

Junho de 2003Junho de 2003

ObjetivoObjetivo

Apresentar algumas características do Apresentar algumas características do modelo de interação solo-vegetação-modelo de interação solo-vegetação-

atmosfera existente no modelo RAMS.atmosfera existente no modelo RAMS.

Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2

SoloSolo superfícies temporárias de água (ex. cobertura de neve)superfícies temporárias de água (ex. cobertura de neve) VegetaçãoVegetação corpos de água permanentes corpos de água permanentes Ar do dosselAr do dossel A atmosfera livre (mais baixo nível)A atmosfera livre (mais baixo nível)

LEAF-2 contém um conjunto de equações que representam o armazenamento e a troca de calor e umidade associada com a interface terra-atmosfera. É baseado num modelo conceitual que envolve as seguintes componentes físicas:

Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2 A componente solo é subdividida em vários níveis verticais para representar a variabilidade vertical. Cada camada tem normalmente de 4 a 20 cm de espessura, e junto representam o solo a uma espessura de 1 m ou mais. A energia interna e o conteúdo de umidade são prognosticados em cada camada de solo.

O prognóstico das variáveis de calor e umidade é governado pelas leis de conservação e incluem termos de armazenamento e vários fluxos entre as componentes do sistema representado no LEAF-2.

A implementação do LEAF-2 dentro do RAMS traz a vantagem de permitir múltiplos tipos de superfície coexistirem dentro de uma única célula de grade, resolvida numa coluna de ar (patches)

Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2 Os fluxos são denotados na forma

Fabc

sendo:

•a: o tipo de fluxo w (transferência de água); h (transferência de calor); r (transferência de radiação de onda longa)

•b: a fonte g (superfície); v (vegetação); c (dossel); a (atmosfera livre); s (neve)

•c: o receptor.

Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2 As equações gerais para o conteúdo de umidade para todas as variáveis dependentes do tempo no LEAF-2 são dadas por:

wcawgvcwgvcwvcwgcwscc FFFFFF

tW

12

,wvswavwvcv FFF

tW

,2wvswaswsswsc

s FFFFt

W

,1wgswss

s FFt

W

,22

2 wggwgvcwgswgcg FFFFt

Wz

,11

1 wggwgvcg FF

tW

z

Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2 As equações de conservação para a energia termal são dadas por :

,

atmosfera a para dossel docalor

dossel o para vegetaçãodacalor

dossel o parasolo docalor

dossel o para neve dacalor

dossel do atemperatur

hcahvchgchscc

c FFFFt

TC

,)(

vegetação viadosselo para superfície

da latentecalor

1

vegetação viadosselo para superfície

da latentecalor

2

dossel o para vegetação

da latentecalor

vegetaçãopela recebida curta

onda de radiação

vegetaçãoa para longa) onda (rad

superfície dacalor

vegetaçãoa paralonga) onda (rad

neve dacalor

atmosfera a para longa) onda (rad

vegetaçãodacalor neve a para

vegetaçãodacalor vegetaçãoa para atmosfera dacalor

dossel o para vegetaçãodacalor

vegetaçãoda ra temperatu

LFFFSF

FFFFFt

TC

wvgcwgvcwvcvrgv

rsvrvahvshavhvcv

v

Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2 Continuação :

,

)(

dossel o para neve da latentecalor

recebida curta onda

2

atmosfera a paraneve da longa onda

vegetaçãoa para neve da longa onda

neve a paraatmosfera dacalor

neve a para vegetaçãodacalor

outra paraneve de camada

uma decalor dossel o para

neve dacalor

neve de camada ª2

22

LFSF

FFFFFtQW

wscsrsa

rsvhashvshsshscss

,)( 1

ª1

11

recebidacurta onda

s

neve a parae superfícida calor

hgs

outra paraneve de camada

uma de calor

hss

neve de camada

ssSFF

tQW

Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2 Continuação :

dosselo para superfície

da latentecalor recebida

curta onda

vegetaçãoa para superfície

da longa onda

atmosferaa para superfície da longa onda

outra a para solo docamada uma decalor

neve a parasuperfície dacalor

dossel o parasuperfície dacalor

solo de camada 2ª

22

LFSF

FFFFt

Qz

wgcgrgv

rgahgghgshgcg

outra para solo de

camada uma decalor solo de camada 1ª

11 hgg

g Ft

Qz

Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2 Fluxos entre as camadas do solo :

zzKWF wswgg

)(

,KK3b2

ss

b

ss

,W

w

g

Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2 Fluxos turbulentos de calor e umidade :

,)(

d

csawsc r

F

,)()1(

d

cgawgc r

F

,)(2,2

b

wcvaswvc r

F

,)1)((

12cb

wcvaswgvcwgvc rr

FF

,** uF awca

,)(

d

csaphsc r

TTCF

,

)()1(

d

cgaphgc r

TTCF

,)(2,2

b

cvapshvc r

TTCF

,**TuCF aphca

Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2 A razão de mistura do ar do dossel é prognosticada utilizando-se a expressão :

ca

cc z

W

em que zc pode ser interpretado como a espessura efetiva do ar do dossel que controla a capacidade de armazenamento de umidade. O parâmetro w é a fração de área da folha que é coberta por água (chuva ou orvalho) e serve como uma função peso para dividir a folha em duas partes, uma que evapora e outra que transpira, e é dado por:

32

svm

vw W

W

em que Wvm = 0,2 kg m-2 é assumido como sendo a máxima capacidade de armazenamento de água pela superfície de uma folha individual (DEARDORFF, 1978), e Wv não pode exceder o produto Wvms

Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2 Na equação que determina o fluxo de umidade líquido para o ar do dossel por transpiração. A quantidade fracional dessa umidade, que é extraída de cada camada do solo, é calculada por:

i i

i

i

i

wgvci r

r

F

onde o índice i em F, r, e denota a camada do solo, ri é a densidade de raízes de uma camada, uma propriedade definida para cada tipo de vegetação, i é o potencial matricial para a camada.

Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2 Fluxos de radiação de onda longa

,111114gssvsLgsssvvrva RTF

,44vsssvrsv TTF ,)1( 44

vggvrgv TTF ,)1()1(4

ssLsssrsa RTF

,)1()1()1( 4gLggrga RTF

gsgs )1(

Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2 Fluxos de radiação de onda curta

ssvsSv RS 11

,)1)(1)(1( igssssSsi fRS

),1()1)(1( gsssSg RS

onde v, s e g são os albedos da vegetação, de todas as camadas de neve, e do solo, respectivamente; s é a transmissividade líquida de todas as camadas de neve; e fi é a fração da radiação total absorvida pela neve na camada i

Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2 Fluxos de precipitação

,swawav FF

),1( swawas FF

,shahav FF

),1( shahas FF

Quando o conteúdo de umidade sobre a superfície da vegetação (da combinação de precipitação interceptada e formação de orvalho) excede o valor limitante de Wvms, a quantidade em excesso é primeiramente trazida para o equilíbrio térmico com a vegetação por transferência de calor e, então, é perdida pela vegetação para cair na categoria corpo d’água. Esta quantidade define o fluxo Fwvs e, a energia por ela carregada define o fluxo Fhvs

Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2 Fluxos entre camadas de neve e o solo

As transferências de massa entre camadas de neve e da neve para o solo ocorrem no LEAF-2 através da percolação da água líquida, denotada pelos fluxos Fwss e Fwgs. Fluxos adicionais de calor são conduzidos como o produto FwssQs2 e FwgsQs1 pela percolação da água líquida. O fluxo líquido de calor entre camadas de neve é dado por:

,2swssshss QFzTKF

,)(5,0 1swgsgshgs QFzTCKF

é a condutividade térmica dada por:

1,510010186,400041,0

1,510010186,47,2100logexp2

210

10

10

log para

log para

e é dependente da umidade do solo através do potencial matricial .

Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2 Patches não vegetados

O comprimento de rugosidade para um corpo de água permanente é baseado numa altura de onda parametrizada, relacionada à velocidade instantânea do vento local (GARRAT, 1993), é dado por:

Gu

z g

2*

016,0

,0001,0max

Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2 Fluxos entre patches

Uma vez que os valores de para cada um dos patches são calculados através da teoria da similaridade da camada superficial (LOUIS, 1979), um fluxo de momento da camada superficial, integrado sobre todos os patches, é obtido de:

NP

ppp uA

vu

uwu1

2*22

)(''

NP

ppp uA

vu

vwv1

2*22

)(''

e os fluxos de temperatura média e vapor d’água de:

NP

ppp TuATw

1** )(''

NP

ppp uAw

1** )(''

Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2 Definição dos parâmetros da vegetação

Para a definição dos parâmetros da vegetação o LEAF-2 utiliza o BATS (Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme, DICKINSON et. al., 1986) para as classes de 1 a 17 e os parâmetros fornecidos pelo NASA/Land Data Assimilation Systems (NASA/LDAS) e podem ser verificados no endereço http://ldas.gsfc.nasa.gov. Os parâmetros de vegetação adotados no BATS incluem o índice de área foliar, cobertura fracional, altura do plano de deslocamento, rugosidade, albedo e emissividade. Algumas das categorias utilizadas no BATS podem ser vistas em SETH et. al. (1994) ou no arquivo RAMSIN (namelist para execução do RAMS).

Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2 Exemplo de uso do solo para o estado de São Paulo

Aplicações: Experimentos do Aplicações: Experimentos do impacto do desmatamentoimpacto do desmatamento

Mudanças climáticas causadas por alterações no uso do solo:

...•Grandes reservatórios•Irrigação•Vegetação: desmatamento provoca diminuição da chuva

Temperatura

Velocidade do Vento Umidade

específica

Desenvolvimento da Camada Limite PlanetáriaDesenvolvimento da Camada Limite Planetária

Fisch et al, 2000

IGPB News 2001

Niño

Cutrim et al, 1995, BAMS

Efeito do desmatamento ao longo de rodovias – Ex: Rondônia

0123456789

10

11:2212:25

12:2613:30

13:3114:35

14:3615:39

15:4016:44

UTC

Pasture

Pasture(interface)Forest

Forest(interface)

Primeiro eco do dia, detectado pelo radar - SPol

Local time = UTC-5 hours

WET SEASON, 1999

M.ª F.Silva Dias et al. 2001

Response of the Amazon ClimateAuthor albedo Rugosity T P E ( C) (mm) (mm)Dickinson & Henderson-Sellers(1988)

0,12/0,19 2,00/0.05 +3,0 0 -200

Lean & Warrilow (1989) 0,136/0,188 0,79/0,04 +2,4 -490 -310Nobre et al. (1991) 0,13/0,20 2,65/0,08 +2,5 -643 -496Dickinson & Kennedy (1992) 0,12/0,19 2,00/0,05 +0,6 -511 -256Mylne & Rowtree (1991) 0,135/0,200 --- -0,1 -335 -176Henderson-Sellers et al.(1993)

0,12/0,19 2,0/0,2 +0,6 -588 -232

Lean & Rowtree (1993) 0,136/0,188 0,79/0,04 +2,1 -296 -201Pitman et al. (1993) 0,12/0,19 2,00/0,05 +0,7 -603 -207Polcher & Laval (1994a) 0,098/0,177 2,30/0,06 +3,8 +394 -985Polcher & Laval (1994a) 0,135/0,216 2,30/0,06 -0,1 -186 -128Sud et al. (1996) 0,092/0,142 2,65/0,08 +2,0 -540 -445McGuffie et al. (1995) 0,12/0,19 2,0/0,2 +3,0 -437 -231Lean et al. (1996) 0,13/0,18 2,10/0,03 +2,3 -157 -296Manzi & Planton (1996) 0,13/0,20 2,00/0,06 -0,5 -146 -113Hahmann & Dickinson (1997) 0,12/0,19 2,00/0,05 +1,0 -363 -149Based on Hahmann & Dickinson, 1997.

Resumo: efeito do desmatamento uniforme na Amazônia

Efeito do desmatamento regional

DESMATAMENTO NA AMAZÔNIA E MUDANÇAS CLIMÁTICAS REGIONAIS QUESTÃO A cobertura vegetal influencia o clima diretamente através de mudanças nas trocas de energia entre a superfície e a atmosfera?

(Ainda em estudo...)

Sabemos alguma coisa...)

OU São mais importantes os processos de realimentação associados aos mecanismos biosféricos (por exemplo a geração de núcleos de condensação biogênicos - VOC's - e processos hidrológicos?

Topografia Vegetação

Maior parte da área desmatada está localizada em vales

Maior parte da floresta está nas encostas e terrenos elevados.

Rondonia – SW da Amazonia

RAMS (microfísica de nuvens completa) 2 km de resolução horizontal - 7 Fev 1999 – precipitação acumulada em 12 horas no período da tarde

Topografia e vegetação heterogênea

Terreno plano e vegetação heterogênea

Topografia e vegetação homogênea=floresta

(*) 11.3 mm (*) 9.5 mm (*) 10.2 mm

Silva Dias et al. 2002 - JGR

Controle (topografia real +vegetação heterogênea

Somente floresta com topografia real

Topografia plana com vegetação heterogênea

longitude

mm/12 horas

Precipitação total em 11,6S

Silva Dias et al. 2002 - JGR

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

1,2

0 20 40 60 80 100Def orestation (%)

Relat

ive P

reci

pita

tion

Conceptual impact of deforestation on relative precipitation. The three curves indicate different models, among many other possible ones (Avissar et al 2002 – JGR – LBA special issue)

Conclusão sobre o efeito do desmatamento na Amazônia e mudanças climaticas regionais

    Observações locais (Projeto ABRACOS):

Mudanças significativas nas trocas de calor, umidade e momentum entre a pastagem e a floresta; Evaporação na floresta parece ser aproximadamente constante durante o ano; Maior calor sensível na pastagem implica em camada limite planetária de maior espessura sobre a pastagem e influência na distribuição de nuvens.

    Modelagem do desmatamento – resultados mais recentes

A convecção é sensível ao tipo de vegetação e umidade do solo; Desmatamento total leva a um clima mais quente e seco ((1.5-3oC e 10-25% de redução na precipitação); A mudança climática observada pelo desmatamento é da mesma ordem que a mudança associada ao dobramento da concentração de CO2 Um possível efeito de realimentação pode ocorrer com o aumento do efeito estufa, diminuindo drasticamente a cobertura florestal; Entretanto, experimentos com distribuição realística de desmatamento coloca uma série de fatores complexos na análise dos modelos com desmatamento uniforme; Há indícios de que áreas desmatadas com escala da ordem de dezenas/centenas de km podem levar a um aumento da precipitação, através das circulações regionais induzidas. Áreas maiores de desmatamento levam a diminuição da precipitação; Aumento do efeito de borda devido a diminuição da precipitação na interface entre floresta e pastagem.

E quanto ao futuro? Qual é a previsão dos modelos globais de aquecimento pelo aumento do efeito estufa que simulam a interação com a biosfera???

Que tipo de modelo é necessário para responder esta questão?

•Introduzir C como variável prognóstica ....

Participação: Inst. Agronômico de Campinas e UNICAMP

Projeto Financiado pela FAPESP: coordenado pelo Dr. H. Rocha (IAG/USP)

Torre da Reserva Jaru –RO - 65m

Rocha 2001

12

3 4

LITERFALL

CARBON ECONOMY

L A IAssimilação de dados de LAI: Rocha 1999

G REEN FRAC TIO N

So il C O2 e fflux J a n

Ne t a ssim ila tio n J ul

So il C O 2 e fflux J u l

        

),,,,(),,,,( scvoaascvoaaaaa XXXXXFXXXXXNXL

tX

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,....),,,,,,,( irlva qqqqTwvuX

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ci

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vii

v NCVOCstomrootsiglaiX

,...),',,,,( 2342 SOsVOCNOOCHCOX xc

,....),,( ni

si

si

s NWTX

atmosfera

oceano

solo

vegetação

constituintes

Objetivo Final: Modelo de Previsão Ambiental

Hadley Centre Coupled Climate-Carbon Cycle Model

Change in Global Climate in Change in Global Climate in HadCM3LC (expt:abuig)HadCM3LC (expt:abuig)

Lat: 15oS - 0oNLon: 70oW - 50oW

Interactive CO2 and Dynamic Vegetation 2090s - 1990s

Climate-driven Amazon diebackClimate-driven Amazon dieback1850 2000 2100

Change in Amazon Climate and HydrologyChange in Amazon Climate and Hydrologyin HadCM3LC (expt:abuig)in HadCM3LC (expt:abuig)

Lat: 15oS - 0oNLon: 70oW - 50oW

Change in Amazon Carbon BalanceChange in Amazon Carbon Balancein HadCM3LC (expt:abuig)in HadCM3LC (expt:abuig)