Proposta Física do Ambiente 2007-2009 Agenda Científica O Grupo de física do ambiente tem por objetivo básico compreender a organização espacial da paisagem e os processos físicos, químicos e biológicos que conectam fluxos de matéria e energia entre organismos e seu ambiente na Amazônia. Os dados de observações de longo prazo em bacias hidrográficas instrumentadas, as imagens de sensoriamento remoto e os dados de experimentos são conjugados e utilizados para a construção e aferição de modelos de processo com dimensão espacial. Estes exercícios de modelagem visam criar os fundamentos em várias escalas para quantificar e compreender as transações da biosfera com a atmosfera, desenvolvendo assim capacidade preditiva para cenários de alteração, capacidade esta necessária para apoiar políticas públicas. A importância e as implicações dos processos biogeofísicos de superfície nos ciclos da água e do carbono, na fisiologia dos ecossistemas, na biodiversidade, no uso da terra e consequentemente no clima tornam sua compreensão e modelagem uma necessidade vital. A nossa proposta parte de vários estudos observacionais e experimentais em andamento, capturando destes a compreensão de processo e os dados básicos para montagem e calibração de modelos. Foram eleitos alguns ecossistemas pareados na Amazônia, pristinos e alterados, com potencial para explicar sua constituição, funcionamento e fenômenos chave da ecologia física. Por exemplo, para entender como as mudanças do uso e cobertura da terra, como a conversão de floresta para pastagem, modificam os fluxos de troca com o ambiente duas bacias hidrográficas instrumentadas próximas a Manaus, uma em floresta com quase 4 anos de operação, e outra recente em pastagem, são utilizadas como fonte de dados inicial para o foco de estudo. Outra abordagem crítica é de como processos de microescala (1-10 Km2) estudados nestas bacias se expandem para a macroescala (milhões de km2) da bacia Amazônica. A modelagem de processos de larga escala para a Amazônia baseia-se em suposições sobre a agregação de processos hidrológicos e biogeofísicos nunca devidamente testados. Os modelos hidrológicos de macroescala, por exemplo, limitam-se a comparar os volumes precipitados e escoados usando formulações empíricas, sem a devida atenção aos processos envolvidos na transformação chuva-vazão, que podem ser afetados por alterações na cobertura vegetal e nas propriedades dos solos. Para a consecução da agenda científica maior do Geoma, portanto, é necessária a compreensão dos mecanismos físicos envolvidos na mudança do uso da terra, e de que maneira esses mecanismos podem ser incorporados em modelos matemáticos. Essa estratégia permitirá a generalização de princípios para outras áreas da Amazônia.

No avanço desses objetivos científicos, estamos propondo para os próximos dois anos:

• I O desenvolvimento de modelos matemáticos em diferentes escalas para a simulação de processos hidrológicos e da dinâmica de carbono;

• II O desenvolvimento de ferramentas de software necessárias ao armazenamento e manipulação de informação geo-espacial, que possibilitem o uso por tomadores de decisão dos modelos de ambientes;

• III O Mapeamento funcional de ambientes como ferramenta necessária à generalização de modelos de larga escala para toda a bacia Amazônica.

Instituições e principais pesquisadores envolvidos (até o momento)

INPE CPTEC Dr. Javier Tomasella Coord. Geral MSc. Adriana Cuartas MSc. Daniel Andrés Rodrigues Msc. Rita de Cássia da Silva Analista Eduardo Batista de Moraes Barbosa OBT Dr. Joao V. Soares Coord. Dr. Marcio M. Valeriano Dr. Camilo D. Rennó MSc. Sergio Rosim INPA Escritório INPE Dr. Antonio Donato Nobre Coord. Dr. Arnaldo C. Filho MSc. Maria Terezinha Ferreira Monteiro MSc. Ralph Troncoso da Silva

1) Subprojeto I: Estudos numéricos e observacionais da dinâmica de água e carbono em áreas de florestas e pastagem na Amazônia Central. Coordenador Javier Tomasella 1.1) Justificativa Justificativa resumida A ocupação desordenada da Amazônia nas últimas décadas, sem nenhuma preocupação ambiental, levanta dúvidas quanto a sustentabilidade das populações locais no médio e longo prazo. Estudos numéricos, usando modelos atmosféricos, e observacionais indicam que a degradação dos ecossistemas tem a capacidade potencial de afetar o clima em nível regional e talvez global. Além disso, estudos recentes indicam que os cenários futuros de mudanças climáticas poderão ter conseqüências sobre a sustentabilidade da floresta, ainda no caso de que as políticas públicas sejam bem sucedidas no controle do desmatamento (Betts et al. 2004). Por outro lado, estudos recentes (por exemplo, Marengo 2005), demonstram que a Bacia Amazônica é um sistema aberto que transporta significativa quantidade de umidade para o Sudeste e Sul do Brasil (por exemplo, a bacia do Rio da Prata). Portanto, as mudanças na Bacia Amazônica, sejam por desmatamento, sejam por efeitos das mudanças climáticas, poderão ter conseqüências sobre o regime hidrológico das bacias do sudeste e sul do Brasil, afetando as regiões com maior desenvolvimento econômico do país. Para quantificar o impacto desses cenários futuros de ocupação da Amazônia sobre os recursos hídricos, a ferramenta mais adequada são modelos capazes de simular processos biogeoquímicos e hidrológicos de larga escala, isto é para Amazônia como um todo. Entretanto, a agregação de processos em modelos hidrológicos de grande escala nunca foi devidamente testada na Amazônia, pois não há uma compreensão dos mecanismos físicos envolvidos na geração de escoamento e das trocas de carbono no meio aquático nos ecossistemas Amazônicos de terra firme, dos efeitos da mudança do uso da terra sobre esses processos, e de que maneira esses mecanismos podem ser incorporados em modelos matemáticos. Por outro lado, os esquemas de transferência solo-planta-atmosfera utilizados em modelos atmosférico são eficientes na estimativa do balanço de energia e radiativo no nível do dossel (Shao e Henderson-Sellers, 1996), mas ainda apresentam limitações no trato da hidrologia do solo, profundidade e distribuição de raízes em áreas de floresta (Nepstad et al. 1994). Os modelos hidrológicos de macroescala, entretanto, limitam-se a comparar os volumes precipitados e escoados usando formulações empíricas, sem a devida atenção com os processos envolvidos na

transformação chuva-vazão: a parametrização dos processos hidrológicos na escala dos modelos climáticos globais não leva em conta os "detalhes" da Amazônia, tais como propriedades do solo, estrutura e fisiologia da vegetação. A estratégia científica contida nesta proposta se baseia no desenvolvimento de estudos observacionais detalhados que permitam a conceitualização de processos, e a sua modelagem matemática, bem como a formulação de estratégias que permitam agregar essas ferramentas em grande escala. Essa estratégia permite a generalização de princípios a outras áreas da Amazônia. Justificativa detalhada Apesar da enorme superfície ocupada pela floresta Amazônica, existem poucos estudos de processos em micro-bacias. A maior parte desses estudos visa entender, de uma maneira limitada, alguns aspectos do ciclo hidrológico, concentrando-se, muitas vezes, em processos pontuais ao nível de parcelas (perdendo-se o conceito de bacia) e, outras vezes, visa a simples comparação entre volumes precipitados e escoados na bacia (por exemplo Hodnett et al., 1996a,b; Tomasella and Hodnett, 1996; e Hodnett et al., 1997a,b). Estudos em micro-bacias na Amazônia Oriental (Schuler,2003; Wickel, 2004) mostram resultados contrastantes, sugerindo que a variedade de ambientes na Amazônia dificulta sua generalização a outras partes da bacia. Na Amazônia Central, estudos recentes em uma micro-bacia de floresta (Hodnett et al. 2004) forneceram resultados inéditos sobre a variabilidade interanual de interceptação (Cuartas et al. 2004) e seus efeitos sobre o funcionamento hidrológico (Tomasella et al. 2004); sugerindo novos mecanismos de geração de escoamento (Hodnett et al. 2004); sobre a dinâmica de carbono orgânico (Oliveira et al. 2004); e quantificando o transporte de carbono orgânico nessas bacias através do escoamento (Waterloo et al. 2004). Entretanto, estes resultados se concentraram em uma área de floresta não perturbada (descrita em detalhe mais adiante) e não podem ser generalizados a áreas ocupadas com pastagem sem estudos observacionais paralelos. De fato, não se conhece os verdadeiros efeitos da mudança de uso da terra sobre o tempo e volume de contribuição das bacias de meso e macro-escala, e quando essas alterações na resposta hidrológica se diluem pela influência da floresta circundante quando os rios escoam desde áreas fortemente perturbadas em direção a florestas inalteradas. Somadas à variabilidade interanual / interdecadal do clima da Amazônia, as alterações na resposta hidrológica devido ao avanço contínuo do desmatamento poderão colocar em risco a sustentabilidade das comunidades locais, agravando a situação social dessas populações. Sendo assim, a ocupação desordenada da Amazônia nas últimas duas décadas aumenta as incertezas no que concerne ao

fornecimento de água, a ocorrência de enchentes, a qualidade da água, e a disponibilidade de água para geração de energia diante do crescimento da demanda de eletricidade e do possível efeito do prolongamento da estação seca sobre o transporte fluvial. Do ponto de vista hidrológico, mesmo uma grade de 10 por 10 km é considerada grande quando comparada com a escala espacial da variabilidade dos processos hidrológicos. A integração de diagnósticos de modelos de biosfera, que representem explicitamente os processos biofísicos e biogeoquímicos, com os de modelos hidrológicos, considerando a mesma escala e mesmas forçantes climáticas, oferece amplas oportunidades para explorar as interações bidirecionais entre a vegetação e a hidrologia, e entre a vegetação e o clima. Nesse sentido, a proposta de pesquisa focaliza-se na aplicação de uma estratégia de modelagem para a Amazônia com dois enfoques - o primeiro apoiado nas medidas intensivas realizadas na micro-bacia buscando a verificação e o ajuste do modelo de biosfera; e o segundo voltado aos estudos de impacto ambiental sobre os recursos hídricos. O objetivo e dispor de um modelo fisicamente robusto para obter os limiares de sensibilidade do regime hidrológico, fluxos de carbono e energia, a diferentes níveis de perturbações na vegetação e no clima da Amazônia, com foco na micro-escala, para gerar subsídios científicos para análise de grande escala. Além disso, o papel da floresta Amazônica no balanço regional e global de carbono tem sido foco de muitos debates na comunidade científica. Há ainda incertezas em compreender se a floresta funciona como uma fonte ou sumidouro de carbono, e sobre como este delicado balanço será afetado pela conversão de floresta em pastagem. Esse conhecimento é chave para a condução, por parte do Governo Brasileiro, dos debates em fóruns globais de mudanças climáticas e protocolo de Kyoto. Estudos recentes por Richey et al. (2002) sugerem que o seqüestro de carbono por ecossistemas de terra firme é da mesma ordem à quantidade de carbono transportado e respirado em ecossistemas aquáticos. Os estudos de Richey et al (2002) concentraram-se nos grandes rios da Amazônia. Nesta proposta, através de estudos na bacia do Igarapé Asu e na Fazenda Colosso, pretende contribuir para determinar a quantidade de carbono transportado em ecossistemas aquáticos em áreas de terra firme. O conhecimento científico destes processos servirá de base para a formulação de políticas públicas que promovam o desenvolvimento sócio-econômico em equilíbrio com a necessidade de preservação dos ecossistemas. 1.2) Objetivos

Este subprojeto tem por objetivo principal entender como as mudanças do uso e cobertura da terra, em particular a conversão de floresta para pastagem, modificam o funcionamento hidrológico e do ciclo de carbono em diferentes escalas espaciais e temporais, indo desde a microescala (1-10 Km2) até macroescala (milhões de km2). Como objetivos específicos, este subprojeto se propõe a:

• Identificar quais são as principais diferenças entre bacias em áreas de floresta e desmatadas em processos tais como interceptação, evapotranspiração, infiltração e armazenamento de água e geração de escoamento; e qual a informação necessária para a sua modelagem.

• Avaliar a capacidade dos modelos hidrológicos e atmosféricos em representar os processos hidrológicos em diferentes escalas temporais e espaciais.

• Identificar de que maneira podem ser melhorados os modelos hidrológicos de meso e macroescala, cuja informação é relevante, a partir do conhecimento adquirido no estudo de microbacias.

• Acoplar rotinas de simulação da dinâmica de carbono aos modelos hidrológicos desenvolvidos.

• Avaliar o impacto da variabilidade climática interanual (El Niño, La Niña, variações decadais) sobre a disponibilidade hídrica em diferentes padrões de uso da terra.

• Determinar a escala de desmatamento na qual o impacto hidrológico sobre o ciclo de carbono é significativo.

• Apresentar cenários do impacto das mudanças de uso da terra e do clima sobre a disponibilidade dos recursos hídricos

• Fornecer para o Subprojeto 2 os algoritmos hidrológicos e informações básicas relevantes para o desenvolvimento de um sistema de visualização e simulação.

1.3) Principais resultados obtidos em 2005-2006. 1.3.1) Atividades de campo Na Reserva do Rio Cuieiras (80 km ao NNO de Manaus), do Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia - INPA, foi instalada em 2002 uma rede de instrumentos hidrológicos para monitoramento de uma bacia hidrográfica de 6,6 km2 pelos projetos LBA-Ecocarbon e LBA-Carboncycle. A bacia tem um estudo em detalhe da dinâmica de transferência e armazenamento da água nos variados compartimentos. As componentes do ciclo hidrológico que estão sendo monitoradas são precipitação em 4 pontos com resolução 5', umidade do solo até 5 m também está sendo medida com sonda de nêutrons em 11 pontos de um

transecto, com freqüência semanal ou mais freqüentemente, dependendo das chuvas. O lençol freático está sendo monitorado em 27 poços espalhados irregularmente pela bacia. Devido às dificuldades de acesso em alguns poços os dados estão sendo coletados com uma freqüência de 15 dias. No restante dos poços são feitas medições manuais de nível duas vezes por semana. No canal principal, foi instalado um instrumento que registra o nível de água a cada meia hora. Com os recursos do PDBFF e uma contribuição do Geoma, foi estabelecida em 2005 uma bacia em área de pastagem da Fazenda Colosso, localizada a aproximadamente 105 km ao NNE de Manaus. A bacia tem uma superfície de 0.9 km2. O instrumental instalado consiste em uma estação meteorológica e uma seção de monitoramento de nível de água para a estimativa de vazão. Ao mesmo tempo, foi instalado um sistema de três poços profundos que permitirão monitorar o lençol freático ao longo do ano. Na área desta bacia, é utilizada para pecuária extensiva, característica da região, e é submetida a queima uma vez por ano, no final da estação seca. A Fazenda Colosso faz parte de uma área de pesquisa do Projeto Piloto de Estudos de Fragmentos Florestais (PDBFF), coordenador pelo INPA.

Figura 1: Bacias experimentais localizadas na Amazônia Central, na Reserva Biológica do Rio Cuieiras e na Fazenda Colosso.

Com a finalidade de entender de que maneira processos de micro-escala se agregam em escalas maiores, em 2005 foram montadas duas novas seções na bacia, usando o conceito de bacias aninhadas, além de mais um ponto de coleta de precipitação. Isto permite o estudo de processos hidrológicos em micro-bacias de ordem 1 (1,16 km2), 2 (6,6 km2) e 3 (13,1 km2) em áreas de floresta prístina. Os dados observacionais deste experimento fazem parte da dissertação de Luz Adriana Cuartas.

Seção Perímetro (km) Área (km2)

1 5,22 1,16

2 11,8 6,6

3 17,7 13,1

Sistema de bacias aninhadas do Igarapé Asu instrumentado em 2005. A seção original corresponde a seção 2, indicada na figura 1.

Durante 2006, será instalada uma seção de floresta da micro-bacia da Fazenda Colosso, o que permitirá o estudo de comportamento hidrológico de fragmentos florestais. Este conhecimento é estratégico na Amazônia considerando que os padrões de ocupação e desmatamento seguem configurações geométricas, sem a preocupação com o funcionamento ecológico do ecossistema. Não se sabe qual o impacto destes padrões sobre o regime hidrológico, nem sobre os fluxos de carbono. Esta nova atividade faz parte da tese de doutorado de Rita de Cássia da Silva.

1.3.2) Resultados obtidos. Os resultados preliminares dos estudos observacionais nas micro-bacias em Amazônia Central indicam, de uma maneira inequívoca, os impactos das mudanças na cobertura da terra sobre a resposta hidrológica. A modo de exemplo, a figura a seguir mostra as diferenças na resposta das microbacias de floresta e pastagem a precipitações equivalentes para as mesmas condições antecedentes. Os eventos correspondem a aproximadamente 10mm (a) e 15 mm (b) de precipitação. A simples análise visual dos gráficos já é suficiente para verificar as diferenças na resposta das microbacias com floresta e pastagem.

Hidrogramas de eventos isolados com precipitação semelhante nas microbacias com floresta e pastagem: (a) aproximadamente 10 mm; (b) aproximadamente 15 mm. Apesar da semelhança na altura da precipitação, a quantidade de escoamento direto sempre é superior na pastagem, os picos da vazão também são mais rápidos e acentuados. Por um outro lado, na floresta a recessão é mais lenta, o escoamento direto é fortemente atenuado em virtude da maior capacidade de armazenamento do solo, interceptação da água precipitada no dossel e maior rugosidade da superfície. Os quatro parâmetros de tempo selecionados para documentar as diferenças na velocidade e forma da resposta hidrológica em virtude das mudanças na cobertura da terra mostraram diferenças significativas entre as microbacias com floresta e pastagem. A ANOVA indicou que para todos os parâmetros selecionados o tempo é sempre inferior na microbacia com pastagem. Para os quatro parâmetros testados

as diferenças foram estatisticamente significativas, sendo: tempo de concentração (F= 214,9; P<0,001; N= 80); tempo de recessão (F= 188,4; P<0,001; N= 80); tempo de base (F= 215.9; P<0,001; N= 40) e tempo de pico (F= 13.4; P<0,001; N= 40). A tabela apresenta a média e o desvio padrão para cada um dos parâmetros de tempo em horas nas microbacias com pastagem e cobertura florestal. Tabela 1: Parâmetros de tempo dos hidrogramas em horas para as microbacias com pastagem e cobertura florestal. Os valores foram obtidos pelo cálculo da média de 40 eventos isolados para cada microbacia. Cobertura da

terra Tempo de

concentração Tempo de recessão

Tempo de base

Tempo de pico

Pastagem 6.66 ± 1.46 5.90 ± 1.92 7.80 ± 1.83 2.53 ± 0.81

Floresta 19.43 ± 5.31 18.60 ± 5.53 21.36 ± 5.54 3.24 ± 0.93

Pode-se observar que o desvio padrão é sempre superior na floresta.

Primeiramente, vale ressaltar que se a ordem de grandeza do valor médio é maior, o mesmo tende a ocorrer com o desvio padrão. Porém é importante deixar claro que na floresta os parâmetros de tempo variam conforme a intensidade e freqüência da precipitação, além de outros fatores como dias anteriores sem chuva ou umidade do solo anterior à chuva. Sendo assim a velocidade e a forma da resposta hidrológica na floresta é função de uma série de fatores ambientais. Na pastagem a amplitude de variação dos parâmetros de tempo é muito menor, em outras palavras, não importa as características da precipitação, pois para eventos distintos relativos a intensidade e freqüência da precipitação, os parâmetros do hidrograma foram semelhantes. Isso se deve ao fato de que a conversão da floresta em pastagem deteriora a capacidade de infiltração e armazenamento e reduz a rugosidade da superfície. Além disso, o pisoteio do gado tende a compactar a superfície do solo e a incidência direta das fortes chuvas amazônicas sobre o solo agrava ainda mais esta situação. Conseqüentemente, a microbacia com pastagem apresenta menor capacidade de regularização, por esta razão ocorre maior quantidade de escoamento direto e maior velocidade de resposta à chuva. A semelhança entre os parâmetros de tempo da pastagem para eventos distintos de precipitação indica que a precipitação excede a capacidade de infiltração e armazenamento na maioria dos eventos e sai do sistema rapidamente via escoamento direto. A figura mostra a distribuição dos parâmetros de tempo dos eventos isolados nas microbacias com floresta e pastagem. É importante chamar a atenção para o fato de que os três primeiros parâmetros (tempo de concentração, recessão e base) são semelhantes, tanto relativo a distribuição dos eventos quanto as diferenças entre as microbacias. Porém no tempo de pico as diferenças, embora estatisticamente significativas, foram inferiores. Uma hipótese para isso diz respeito a resolução dos sensores ser de 30 minutos. Como o tempo de pico é naturalmente mais rápido e espera-se diferenças sutis neste parâmetro, as medidas a cada passo de tempo de 30 minutos podem ser inadequadas. Outra hipótese é a variabilidade na topografia, devido a microbacia com pastagem ter

mais platô e a microbacia com floresta ter mais baixio, diferenças sutis podem ser mascaradas. Existe ainda uma terceira hipótese de que as microbacias de cabeceira de drenagem naturalmente tendem a responder a chuva rapidamente independente da cobertura da terra. Dessa forma as alterações na cobertura da terra acarretariam em mudanças no tempo de pico, porém elas seriam sutis.

Boxplots para os parâmetros de tempo dos eventos isolados de precipitação e vazão selecionados nas microbacias com floresta e pastagem. O retângulo liga os quartis Q1 e Q3 aos valores mínimos e máximos desse conjunto de dados, a linha que secciona o retângulo é a mediana, as linhas horizontais externas ao retângulo correspondem às extremidades de Q1 e Q4 e os pontos fora deste conjunto constituem os dados discrepantes. A microbacia com pastagem apresentou maior velocidade de resposta à precipitação. A análise de eventos isolados indicou que os parâmetros de tempo do hidrograma (tempo de concentração, tempo de recessão, tempo de base e tempo de pico) são sempre superiores na floresta, sendo as diferenças estatisticamente significativas. A conversão de floresta em pastagens altera a velocidade e a forma da passagem da água pelo sistema. A perda da interceptação do dossel, redução da evapotranspiração e rugosidade da superfície juntamente com a deterioração da capacidade de infiltração e armazenamento proporcionam maior geração de escoamento superficial.

Uma das diferenças entra bacias em pastagem e floresta relaciona-se com a redução na evaporação na substituição da floresta por pastagem devido a fatores meteorológicos, tais como a diminuição da rugosidade da superfície, aumento de albedo e redução da capacidade de interceptação; bem como eco-fisiológicos tais como capacidade de adaptação ao estresse hídrico na estação seca e a menor profundidade radicular da pastagem comparada à floresta. A figura a seguir ilustra este efeito, onde se destaca a importância da interceptação no balanço de energia.

0

5

10

15

20

25

30

35

Mai-05 Jun-05 Jul-05 Ago-05 Set-05 Out-05 Nov-05 Dez-05 Jan-06 Fev-06

Eva

potra

nspi

raçã

o(m

m/s

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a)

Pastagem (Evaporação + Transpiração)

Floresta (Interceptação+Transpiração)

Floresta (Interceptação do dossel)

Comparação da evaporação entre pastagem e floresta na Amazônia Central. No caso da floresta, as estimativas foram obtidas a partir de medições por correlação turbulenta. Na pastagem, estimadas pelo método de Penman-Monteith (Fonte, Trancoso, 2006).

Isto sugere que as mudanças do uso da terra poderão trazer impactos tais como: aumento de erosão, aumento da incidência de enchentes, perda da capacidade de regularização, e conseqüentemente alterações em todo o ciclo biogeoquímico.

No curto prazo é de esperar um aumento do escoamento como resultado da conversão de floresta em pastagem devido à redução na evaporação. Entretanto, as evidências do efeito de desmatamento sobre o ciclo hidrológico observadas na pequena escala, não são evidentes em escalas maiores. O estudo de tendências estatísticas nas séries pluviométricas e fluviométricas em grandes rios da Amazônia não trazem resultados conclusivos sobre o sinal do impacto do desmatamento. Talvez o exemplo mais marcante seja a ausência de tendências na vazão na bacia do Ji-paraná na Rondônia (Linhares, 2005), uma das mais desmatadas da Amazônia. Trancoso (2006) demonstra que as séries hidrológicas que apresentam tendências estatisticamente significativas de aumento na vazão estão correlacionadas com tendências de igual sinal na precipitação em estações localizadas na mesma bacia. Isto sugere que o sinal detectado nas séries de vazão relaciona-se com variações interdecadais nas séries de precipitação e não propriamente ao sinal do desmatamento.

Esta aparente contradição é conseqüência de limitações no conhecimento de como os processos hidrológicos se agregam em escalas maiores; de qual o efeito da presença de fragmentos florestais na atenuação do impacto do desmatamento; e finalmente de qual o grau de desmatamento no qual o impacto da mudança do uso da terra se torna perceptível na série de vazões observadas. Sendo assim, estudos observacionais e de modelagem numéricas sobre agregação de processos hidrológicos são fundamentais para entender como a disponibilidade de recursos hídricos poderá ser alterada em razão do desmatamento.

VAZÃO ANUALJi-Paraná

200

400

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800

1,000

1,200

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1,600

1,800

1978 1980 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001

Anos

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zão

(mm

)

0.1

1

10

100

1000

0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00

Precipitação mensal (mm)

Coe

ficie

nte

de e

scoa

men

to

1977-1981

1991-2001

VAZÃO ANUALJi-Paraná

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1978 1980 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001

Anos

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Precipitação mensal (mm)

Coe

ficie

nte

de e

scoa

men

to

1977-1981

1991-2001

Série de vazões mensais na bacia de Ji-Paraná. Destaca-se a ausência de tendência na série de vazão, bem como mudanças no coeficiente de escoamento no período sujeito a desmatamento intenso. (Fonte: Linhares, 2005) Por outro lado, os estudos observacionais em áreas não perturbadas fornecem conhecimentos chaves para um melhor entendimento de ecossistemas Amazônicos. Os estudos na micro-bacia de floresta sugerem que as bacias da Amazônia apresentam memória hidrológica muito superior à maioria dos ecossistemas naturais (Tomasella et al. 2006b). A modo de exemplo, os resultados da seca de 2005 mostram que, ainda que foram observadas condições excepcionais em termos de umidade do solo em áreas de platô, o déficit de precipitação não teve impacto sobre a floresta de campinarana nem sobre os níveis de água no igarapé. Isto está relacionado com a enorme capacidade de armazenamento de água no sistema saturado (aqüífero) e não saturado do solo nas micro-bacias de terra firme, que é capaz de atenuar os efeitos de variabilidade interanual do clima, tais como os provocados por eventos El Niño (Tomasella et al. 2006a). Portanto, leva a concluir que na Amazônia Central, durante a estiagem de

2005, o aumento de déficit hídrico afetaram somente as espécies localizadas nas áreas de platô e de encosta.

2300

2350

2400

2450

2500

2550

2600

2650

2700

2750

2800

1/11/2001 1/11/2002 1/11/2003 31/10/2004 31/10/2005

Arm

azen

amen

to [m

m]

NP1 NP2 NP3

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100

200

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1/11/2001 1/11/2002 1/11/2003 31/10/2004 31/10/2005

Arm

azen

amen

to [m

m]

NP12 NP13

Variação da umidade do solo em tubos localizados em áreas de platô (NP1, NP2 e NP3) e em áreas de campinarana (NP12 e NP13). Claramente, a seca de 2005 não teve efeitos significativos na área de campinarana, entretanto na área de platô os dados observados em 2005 foram os mínimos de toda a série.

Isto sugere que os ecossistemas amazônicos apresentam mecanismos físicos e biológicos que permitem minimizar o impacto do clima. Como esta capacidade de regularização poderá ser afetada caso as florestas venham a serem substituídas por pastagem ou culturas temporárias é ainda uma questão não completamente entendida. 1.4) Formação de Recursos Humanos. Aluno Curso Nível Situação Título Orientadores Luz Adriana Cuartas

Pós-Graduação em Meteorologia

Doutorado em Meteorologia

Em andamento

Modelagem hidrológica de uma microbacia na Amazônia Central e seu acoplamento aos modelos de previsão climática.

Carlos Nobre/Javier Tomasella

Ralph Trancoso da Silva

Pós-Graduação em Biologia Tropical e Recursos Naturais

Mestrado em Ciências de Florestas Tropicais

Concluída Efeitos das mudanças do uso do solo na resposta hidrológica de bacias hidrográficas na Amazônia Brasileira.

Arnaldo Carneiro/Javier Tomasella

Daniel Andrés Rodriguez

Pós- Graduação em Meteorologia

Doutorado em Meteorologia

Em andamento

Javier Tomasella/Chou Sin Chan

Rita de Cássia da Silva

Doutorado Em andamento

Efeitos da variabilidade da cobertura vegetal

e da heterogeneidade topográfica e hidrológica

Pavel Kabat, Carlos Nobre, Ronald Hutjes, Javier Tomasella

1.5) Atividades futuras 1.5.1) Sítios experimentais. Nesta proposta, estamos solicitando recursos para: - Continuar a coleta de informações na micro-bacia de floresta da Reserva do Rio Cuieiras e na Fazenda Colosso;

- A ampliação da área de monitoramento nas áreas monitoradas para escalas significativamente maiores através de duas estações telemétricas (da ordem de centenas de km2). A observação simultânea em uma área de floresta e pastagem de variáveis hidrológicas tais como descarga, precipitação e lençol freático, é indispensável para o entendimento do impacto do desmatamento sobre o ciclo hidrológico. Esta estratégia de amostragem permite separar oscilações naturais do ecossistema de efeitos induzidos pela mudança do uso da terra. Os recursos solicitados pretendem viabilizar visitas em campo para a coleta de informações. Por outro lado, o novo aninhamento proposto para as bacias de floresta e pastagem permitirá o estudo simultâneo dos ciclos hidrológicos na superfície e da atmosfera, atividade fundamental para entender o feedback do sistema solo-vegetação-atmosfera, conforme descrito nesta seção na área de modelagem. Muitas destas atividades estão sendo desenvolvidas de uma maneira integrada com o grupo de mudanças climáticas. A figura a seguir ilustra essa estratégia

As seções indicadas em vermelho fazem parte da proposta para ampliação de escalas nas bacias do Igarapé Asu (Rio Cuieiras) e no Igarapé da Fazenda Colosso (Rio Preto da Eva). A estratégia é tentar entender como o sinal se propaga para bacias de centenas de km2. O estudo dos efeitos da variabilidade interanual (anos secos ou chuvosos) sobre o comportamento hidrológico e biogeoquímico é fundamental para entender o grau de fragilidade do ecossistema perturbado perante as oscilações naturais do clima.

Para tal fim, são necessárias medidas contínuas por um longo período de tempo. Sendo assim nossa proposta deverá ser desenvolvida em dois anos. Este conjunto de iniciativas na área observacional faz parte de um primeiro esforço para estabelecer uma base de dados que permita comparações entre micro-bacias em áreas perturbadas e de floresta com vistas a sua modelagem e posterior generalização ao restante da Amazônia. Estas atividades serão complementadas com uma série de estudos de modelagem. 1.5.2) Modelagem hidrológica usando o Modelo DHVSM. Os dados pré-existentes e provindos de futuras campanhas de campo serão utilizados para parametrizar e validar um modelo hidrológico distribuído que permite o escalamento de micro para meso-escala. O modelo a ser utilizado será o DHSVM (Distributed Hidrological Soil Vegetation Model, Wingmosa et al. 2002) desenvolvido na Universidade de Washington. O DHSVM (Distributed Hydrology Soil Vegetation Model) foi desenvolvido originalmente na Universidade de Washington (Wigmosta et al. 2002). É um modelo hidrológico conceitual distribuído, que fornece uma representação dinâmica da distribuição espacial da evapotranspiração, cobertura de neve, umidade do solo, e geração de escoamento na escala espacial do modelo digital de elevação. O DHSVM consiste num modelo de dossel de duas camadas para evapotranspiração, um modelo de balanço de energia e um modelo de massa de uma camada para a interceptação e liberação de neve no dossel, um modelo de balanço de energia e um modelo de massa de duas camadas para acumulação e derretimento da neve no solo, um modelo de solo de múltiplas camadas, escoamento superficial e sub-superficial e um modelo para escoamento em canal. Com isto pretende-se adquirir a capacidade de conhecer o comportamento do sistema subterrâneo e sub-superficial em pontos da bacia não monitorados. Este exercício de modelagem irá permitir: - Prever o comportamento hidrológico do sistema para condições não mensuradas. - Analisar a capacidade deste esquema de modelagem para simular processos em diferentes escalas. - Permitir validar as hipóteses básicas para agregação de informação utilizada em modelos hidrológicos de macroescala. 1.5.3) Agregação de processos para meso e macroescala hidrológica. A aproximação comumente utilizada para simular processos hidrológicos com alta variabilidade espacial em um domínio macro pressupõe que as equações que regem esses processos, originalmente desenvolvidas para a micro-escala, são válidas na macroescala. Supõe-se ainda que os parâmetros que regem essas

equações correspondem ao valor esperado (média probabilística) das medições pontuais desses parâmetros em cada bloco/célula do modelo. Esta aproximação é freqüentemente usada na área de modelagem atmosférica, por exemplo, na simulação de transporte de água no solo. A principal crítica a este método deve-se às características não lineares dos processos hidrológicos, o que limita (senão impede) a utilização dessas equações em uma escala macro, como a requerida pelos GCMs.

Um enfoque diferenciado para representar a variabilidade, geralmente usado em modelos hidrológicos (por exemplo, Liang et al., 1994), é o princípio da função distribuição de probabilidades. Diferentemente dos modelos distribuídos, a função de distribuição de probabilidade permite uma descrição concentrada dos processos hidrológicos, sem que seja necessário explicitar a variabilidade espacial do fenômeno considerado.

A dificuldade de utilização desses modelos na Amazônia é a natureza empírica dos parâmetros, os quais devem ser calibrados seguindo a metodologia tradicional de ajuste entre as descargas observadas e as geradas pelo modelo. Devido à baixa cobertura de informações em regiões de acesso remoto na Amazônia, há muitas incertezas sobre o valor a ser adotado para os parâmetros.

Os estudos visam avaliar a performance de modelos hidrológicos de macroescala na captação do impacto na mudança no uso da terra sobre as variáveis da componente terrestre do ciclo hidrológico. Com este fim serão desenvolvidos estudos dos parâmetros utilizados e testes de sensibilidade do modelo, visando encontrar relações entre os mesmos e os processos físicos que eles representam. Por outro lado a calibração do modelo para diferentes etapas de degradação da vegetação original ajudara no entendimento das variações destes parâmetros. Nesta atividade, pretende-se testar as seguintes hipóteses: - A função de distribuição de processos hidrológicos comumente usada em modelos de macro-escala é adequada para bacias da Amazônia? - Os parâmetros destas distribuições podem ser relacionados com aspectos físicos do terreno? - O impacto hidrológico nas mudanças do uso de terra, pode ser detectado e simulado nos modelos de macro-escala hidrológica disponíveis?

Para tal fim, as informações detalhadas geradas pelo modelo DHSVM serão utilizadas para traçar diferentes cenários hidrológicos e sua modelagem em escalas maiores. Pretende-se examinar se os processos de agregação seguem relações previsíveis em rios da Amazônia. O sistema de bacias aninhadas estabelecidas na

bacia do Igarapé Asu irá prover a evidência observacional necessária para a validação dessas hipóteses de agregação. 1.5.4) Modelagem da biosfera em meso escala atmosférica. Esta atividade será desenvolvida em conjunto com a componente mudanças climáticas do Geoma. Neste estudo, pretende-se avaliar também a parte atmosférica do ciclo hidrológico usando esquemas de transferência Solo-Planta-Atmosfera (SVATs). A melhoria na representação e parametrização de SVATs acoplados a modelos climáticos de meso-escala tem por intenção obter uma melhora nas previsões sobre o funcionamento do sistema em resposta às mudanças do uso da terra e climáticas. Incorporando informações mais realistas sobre o uso da terra e condições de umidade de solo, será verificado o impacto que a distribuição heterogênea da vegetação possui sobre a distribuição espaço-temporal das diferentes variáveis climáticas, as quais acabam forçando as variáveis da componente terrestre do ciclo hidrológico. A princípio, deverão ser utilizados os seguintes SVATs: - o modelo "Community Land Model" (CLM) versão 3.0 (Bonan et al. 2002), que incorpora em sua estrutura a representação de processos biofísicos, biogeoquímicos, hidrologia, escoamento de rios e dinâmica de ecossistemas de forma integrada. - o modelo ETA, acoplado com o modelo de superfície NOAH-OSU (Chen e Dudhia 2001). - o modelo RAMS, O diferentes esquemas serão configurado para a área da micro-bacia da Reserva do Rio Cuieiras e Fazenda Colosso, visando avaliar o comportamento do modelo na simulação de processos hidrológicos de superfície integrados aos mecanismos de troca superfície atmosfera. Uma vez calibrado estes esquema será utilizado para avaliar o impacto dos cenários de desmatamento e de mudanças climáticas nos recursos hídricos da sub-bacia. Pretende-se avaliar alguns prováveis estados futuros do clima e cenários de uso da terra considerados diferentes graus de alteração da cobertura vegetal. 1.5.5) Estudos de dinâmica de carbono em Igarapés da Amazônia O papel da floresta Amazônica no balanço regional e global de carbono tem sido foco de muitos debates na comunidade científica. Há ainda incertezas em compreender se a floresta funciona como uma fonte ou sumidouro de carbono, e sobre como este delicado balanço será afetado pela conversão de floresta em

pastagem. Esse conhecimento é chave para a condução, por parte do Governo Brasileiro, dos debates em fóruns globais de mudanças climáticas e protocolo de Kyoto. Estudos recentes por Richey et al. (2002) sugerem de que o seqüestro de carbono por ecossistemas de terra firme são aproximadamente iguais à quantidade de carbono transportado e respirado em ecossistemas aquáticos. Os estudos de Richey et al (2002) concentraram-se nos grandes rios da Amazônia. O grupo de física do ambiente, através de estudos na bacia do Igarapé Asu e na Fazenda Colosso, pretende contribuir para determinar a quantidade de carbono transportado em ecossistemas aquáticos em áreas de terra firme. Com isto pretendemos: - Contribuir ao entendimento do balanço de carbono em áreas de floresta; - Examinar como esse balanço é afetado pela mudança do uso do solo; - Confrontar as observações de Richey et al (2002), para determinar se as observações de terra firme são equivalentes às dos ecossistemas de várzea. Para tal fim, pretende-se reunir e sistematizar, em um banco de dados, os dados de carbono orgânico dissolvido e particulado (DOC e POC) gerados na área, tratados nas diferentes dimensões em que se encontram - temporal e espacial e considerando as correlações já verificadas. Além disso, será necessário conduzir experimentos para estimar as concentrações de carbono inorgânico dissolvido (DIC) no igarapé que complementem o conjunto de dados a ser utilizado. A partir da parametrização dos dados, a dinâmica do carbono pode ser acoplada ao modelo hidrológico proposto para a bacia.

1.6 Orçamento 2007-2009 sub-projeto 1 Descrição Valor unitário Quantidade Valor total Três bolsas para técnicos para operação das bacias

3150,00 20 63000,00

Viagens São – Paulo – Manaus –São Paulo

2100,00 10 21000,00

Diárias para atividade de campo (incluindo alimentação)

80 288 23040,00

Diesel 630,00 36 22680,00 Material de Consumo (cabos, andaimes, etc)

20000,00 20000,00

Conserto de equipamento científico

40000,00 40000,00

Material Permanente (dataloggers, pluviômetros, medidores de condutividade elétrica, estações hidrológicas, etc)

80000,00

Bolsista de modelagem de Carbono

1850,00 36 66600,00

Bolsista Modelagem Hidrológica

1850,00 36 66600,00

Total geral 402920,00

Contrapartida 2007/2009 Descrição Valor Unitário Quantidade 1) Bolsista PIBIC INPE 2) Bolsa Rita de Cássia da Silva

260,00 1850,00

12 36

3120,00 66600,00

Equipamento científico INPA (scan, dataloggers, sensores, etc)

50000,00 1 50000,00

Consumo INPE 20000,00 1 20000,00 Passagens INPE 2000,00 5 10000,00 Diárias INPE 140,00 20 2800,00 Total 152520,00 Referências Betts, R.A., P. M. Cox, M. Collins, P. P. Harris, C. Huntingford, and C. D. Jones. 2004. The role of ecosystem-atmosphere interactions in simulated Amazonian precipitation decrease and forest dieback under global climate warming. Theor. Appl. Climatol. 78, 157-175. Bonan, G. B.; Oleson, K. W.; Vertenstein, M.; Levis, S.; Zeng, X.; Dai, Y.; Dickinson, R. E.; Yang, Z.-L. The land surface climatology of the community land model coupled to the NCAR community climate model. J. Climate, 15, 3123-3149, 2002. Cuartas, L.A., Nobre A.D., Tomasella. J., Hodnett, M.G., Waterloo, M., Múnera, J.C.E. 2004. Estimativas das Perdas por Interceptação Mediante Novo Método de Medição Desenvolvido e Aplicado em Floresta Não Perturbada na Amazonia Central. Apresentado na III Conferência do LBA, Brasília. Hodnett, M.G., M.D. Oyama, J. Tomasella, and A.O. Marques Filho. 1996a. Comparisons of long-term soil water storage behaviour under pasture and forest in three areas of Amazonia. In: Amazonian Deforestation and Climate, Eds Gash, J., Nobre, C.A., Roberts, J.M., and Victoria, R.L. John Wiley, Chichester, U.K. pp 57-77. Hodnett, M.G., J. Tomasella, A.O. Marques Filho, e M.D. 1996b. Deep soil water uptake by forest and pasture in central Amazonia: predictions from long-term daily rainfall using a simple water balance model. In: Amazonian Deforestation and Climate, Eds Gash, J., Nobre, C.A., Roberts, J.M., and Victoria, R.L. John Wiley, Chichester, U.K. pp 79-99. Hodnett, M.G., I, Vendrame, A.O. Marques Filho, M.D. Oyama, J. Tomasella. 1997a. Soil and groundwater behaviour in a catenary sequence beneath forest in Central Amazonia: I. Comparisons between plateau, slope and valley floor. Hydrology and Earth Systems Sciences 1(2):265-277. Hodnett, M.G., I. Vendrame, M.D. Oyama, A.O. Marques Filho, J. Tomasella. 1997b. Soil water storage and groundwater behaviour in a catenary sequence beneath forest in Central Amazonia. II.

Floodplain water table behaviour and implication for streamflow generation. Hydrology and Earth Systems Sciences, 1(2):279-290. Hodnett, M.G, Tomasella. J., Waterloo, M., Cuartas, L.A., Nobre A.D. 2004. Examining the results from the Asu catchment in a wider Amazonian context. Apresentado na III Conferência do LBA, Brasília. Artigo submetido a Hydrological processes. Liang, X. D.P. Lettenmeier, E.F. Wood., and S.J. Burges. 1994. A simple hydrological model of land surface water and energy fluxes for GCM. J. Geophys. Res. 99:14415-14428. Linhares, C.A. 2005. Influência do desflorestamento na dinâmica da resposta hidrológica na bacia do Rio Ji-Paraná /RO. Tese de doutorado em Sensoriamento Remoto. INPE Marengo, J.A. 2005. Characteristics and spatio-temporal variability of the Amazon River Basin Water Budget Climate Dynamics, 24: 11-22 Nepstad, D. C.; Carvalho, C. R., Davidson, E. A.; Jipp, P. H.; Lefebvre, P. A.; Negreiros, G. H.; Silva, E. D.; Stone, T. A.; Trumbore, S. E.; Vieira, S. The role of deep roots in the hydrological and carbon cycles of Amazonian forests and pastures. Nature, n. 372, p. 666-669, 1994. Oliveira, S.M., Nobre, A.D., Waterloo. M., Cuartas, L.A., Tomasella, J., Donet, M.G., Melo, A.H.M., Gonçalves, G.S. 2004. Relação Entre Carbono Orgânico Dissolvido e Condutividade Elétrica na Bacia Asu, Amazônia Central, Brasil. Apresentado na III Conferência do LBA, Brasília. Richey, J. E., J. M. Melack, A. K. Aufdenkampe, V. M. Ballester and L. L. Hess. 2002. Outgassing from Amazonian rivers and wetlands as a large tropical source of atmospheric CO2. Nature, 416, 617-620. Schuler, M.A.E. 2003. Fluxo hidrológicos em microbacias com floresta e pastagem na Amazônia Oriental, Paragominas. Tese de Doutorado, CENA/Universidade de São Paulo. Shao, Y. e A. Henderson-Sellers, 1996: Validation of soil moisture simulation in land surface parameterization schemes with HAPEX data. Global and Plan. Change, 13, 11-46 Tomasella, J., e M.G. Hodnett. 1996. Soil hydraulic properties and van Genuchten parameters for an oxisol under pasture in Central Amazônia. In: Amazonian Deforestation and Climate. Gash, J.H.C., Nobre, C.A., Roberts, J.R., Victoria, R.L., (editores), John Wiley & Sons, Chichester, UK, pp. 101-124. Tomasella. J., Hodnett, M.G, Cuartas, L.A., Nobre A.D., Waterloo, M.. 2004. The water balance of a forested tropical basin near Manaus: Impacts of the interannual variability of climate on the hydrological cycle. Apresentado na III Conferência do LBA, Brasília. Tomasella, J., M.T.F. Monteiro, M.G. Hodnett, E.E.M. Alcântara, D.A. Rodrigues, L.A. Cuartas. 2006a. A seca de 2005 na micro-bacia do Igarapé Asú na Amazônia Central: análise preliminar de dados observados. Submetido a Acta Amazônica. Tomasella, J., M.G. Hodnett, L.A. Cuartas, A.D. Nobre, M.J. Waterloo, S.M. Oliveira. 2006b. The water balance of an Amazonian micro-catchment: The effect of interannual variability of rainfall on hydrological behaviour. Submetido a Hydrological processes. Trancoso, R.S. 2006. Mudanças na cobertura da terra e alteração na resposta hidrológica em bacias da Amazônia. Dissertação de mestrado em ciências de florestas tropicais. INPA.

Wickel, B.. 2004. Water and nutrient dynamics of a humid tropical agricultural watershed in Eastern Amazonia. Ecology and Development Series No. 21, Center for Development Research. University of Bonn. Waterloo, M.J., Nobre, A.D., Jans, W.W.P., Cuartas, L.A., Pimentel, T., Drucker, D.P., Heijmenberg, J.M., Gomes, W.N., Hodnett, M.G., Tomasella, J.. 2004. Water Balance and Carbon Leaching of a Rainforest Catchment at Cuieiras, Central Amazonia. Apresentado na III Conferência do LBA, Brasília. Artigo submetido a Hydrological processes. Wigmosta, M.S., B. Nijssen, P. Storck, and D.P. Lettenmaier, 2002: The Distributed Hydrology Soil Vegetation Model, In Mathematical Models of Small Watershed Hydrology and Applications, V.P. Singh, D.K. Frevert, eds., Water Resource Publications, Littleton, CO., p. 7-42.

2) Subprojeto II: Desenvolvimento de um sistema de visualização e simulação hidrológica Coordenador: João Vianei Soares. 2.1) Justificativa As questões científicas a cargo do grupo Física Ambiental incluem o entendimento de como as mudanças do uso e cobertura da terra, em particular a conversão de floresta para pastagem, modificam suas relações físicas com o ambiente, como alterações no escoamento das bacias hidrográficas, no tempo de residência da água e no seu balanço hídrico, além do seu funcionamento biofísico e biogeoquímico, podem ser representados em diferentes escalas espaciais e resoluções temporais. A manipulação da miríade de dados requeridos para integrar processos biogeofísicos no espaço e no tempo precisa de ferramentas computacionais de geoprocessamento poderosas e capazes. Os modelos existentes, como TOPOG e TOPMODEL, representam a hidrologia de superfície com implementações diferentes, mas são difíceis de operar, e suas interfaces não são flexíveis ou modulares. A possibilidade de desenvolvimento de um ambiente de modelagem flexível, com código aberto e com múltiplas funcionalidades ainda não foi devidamente explorada. Paralelamente ao desenvolvimento do sistema, construiremos um banco relativo aos dados SRTM, totalizando 334 quadrículas referentes à folha 1:250000, o que representa toda área da Amazônia Legal. Inicialmente, os esforços serão concentrados em algumas folhas a serem definidas, correspondentes às áreas de maior interesse do grupo. O dado SRTM deve ser previamente processado a fim de representar um MDE ajustado para fins de aplicação hidrológica. Medidas morfométricas serão calculadas, auxiliando na identificação de padrões que auxiliarão na escolha de áreas representativas da bacia amazônica. 2.2) Objetivos e metas Cabe à equipe desenvolver e adaptar modelos hidrológicos distribuídos que possibilitarão um melhor entendimento dos processos hidrológicos para bacias hidrográficas, com validação inicial para as de 1a e de 2a ordem. Além disso, estes modelos devem permitir a construção de cenários antecipando o impacto causado por mudanças de uso e de cobertura da terra, por alteração no regime pluviométrico, etc.

Especificamente, a equipe da OBT desenvolverá um sistema, preliminarmente denominado TerraHidro (Rosim et al., 2003), com ferramentas computacionais apropriadas para a manipulação de dados hidrológicos. Neste sistema, será inserido o próprio modelo hidrológico distribuído e permitirá a integração de diferentes tipos de dados básicos (SRTM, cartas topográficas, imagens, pontos de observação, etc), além de possibilitar a implementação de modelos hidrológicos que trabalhem com diferentes formatos de dados digitais de elevação (MDE): grade regular, grade triangular e vetorial (curvas de nível). A equipe utilizará na validação do modelo hidrológico, dados coletados na Bacia Hidrográfica do Igarapé Asu localizada ao norte de Manaus em área pertencente ao INPA, bem como os dados resultantes da bacia de Pastagem localizada na Fazenda Colosso (ZF3). Paralelamente ao desenvolvimento do sistema, o grupo estará envolvido na construção do banco relativo aos dados SRTM, totalizando 334 quadrículas referentes a folha 1:250000, o que representa toda área da Amazônia Legal. Inicialmente, os esforços serão concentrados em algumas folhas a serem definidas, correspondentes às áreas de maior interesse do grupo. O dado SRTM deve ser previamente processado a fim de representar um MDE ajustado para fins de aplicação hidrológica. Esta componente irá fornecer aos Subprojetos 1 e 3 um sistema integrado de modelagem e visualização de dados, com capacidades incorporadas de geo-processamento. Equipe (ver qualificação e experiência abaixo, item 7) 2.3) Coordenação: João Vianei Soares (DSR/OBT) Javier Tomasella (CPTEC) Antonio Donato Nobre (INPA) Suporte e desenvolvimento Márcio Valeriano (DSR) Camilo Daleles Rennó (DPI) Sérgio Rosim (DPI)

Colaboração Inter-institucional Arnaldo Carneiro (INPA) 2.4) Estratégias O grupo atuará sobre duas frentes simultâneas: uma relacionada com a construção do TerraHidro, e outra relativa aos dados SRTM. Com relação ao primeiro tema (TerraHidro), o grupo deverá contar com um bolsista com dedicação exclusiva e com experiência em programação C++. Este bolsista estará sob coordenação direta de Sérgio Rosim no que diz respeito a programação TerraLib (devendo contar com o apoio da equipe técnica responsável pelo desenvolvimento desta biblioteca), e de Camilo D. Rennó na definição de algoritmos relacionados ao modelo hidrológico. O TerraView será utilizado como base para o desenvolvimento do TerraHidro. Nele, serão incorporadas funções específicas para a análise e modelagem de dados hidrológicos. Já o segundo tema (SRTM), será coordenado por Márcio M. Valeriano e contará com um bolsista que receberá devido treinamento para o processamento dos dados SRTM. Estão previstas viagens durante o período do projeto a Bacia do Igarapé Asu com a finalidade de verificar os produtos resultantes dos dados SRTM, assim como, calibrar e ajustar os algoritmos do sistema TerraHidro. Alunos de mestrado e doutorado do SER e CAP serão motivados a interagir com a equipe, utilizando o sistema e desenvolvendo algoritmos. 2.5) Resultados e impactos na solução de problemas nacionais relevantes

A TerraHidro será uma plataforma computacional para desenvolvimento de simulações e aplicativos em recursos hídricos. Neste projeto, a estrutura de grades triangulares será incorporada a TerraLib, otimizando o uso desta biblioteca para aplicações em recursos hídricos. Isto será demonstrado em um conjunto de aplicações básicas. O conjunto de dados SRTM, ajustado para fins de aplicação hidrológica, estarão disponibilizados a todos os outros grupos que compõe a Rede Geoma, permitindo análises além da hidrológica. Ao final do primeiro ano, o sistema TerraHidro (ver paper anexo, que descreve as funções do sistema a ser desenvolvido) deverá conter módulos para manipulação de dados no formato grade: importação de MDE, correção de MDE (eliminação de

áreas planas e depressões), cálculo de LDD (Local Drain Direction), cálculo de área acumulada, extração de drenagem, extração automática de bacias hidrográficas, cálculo de comprimento de rampa, cálculo de parâmetros morfométricos (aspecto, inclinação, curvatura horizontal e vertical) e cálculo do índice topográfico. O banco de dados SRTM, relativos à Amazônia Legal, deve estar implementado com algumas quadrículas prontas e hidrologicamente corrigidas, em formato compatível ao sistema TerraHidro. No segundo ano, serão desenvolvidos os módulos para manipulação de dados no formato de grades triangulares, essenciais para implementação do modelo SASHI (Rennó, 2003). Esta etapa propiciará o desenvolvimento de estruturas básicas e métodos que serão incorporados à biblioteca TerraLib. Com relação ao SRTM, o banco de dados deve estar pronto e disponibilizado para toda comunidade científica. 2.6) Principais resultados obtidos em 2005-2006 Desenvolvimento de protótipo em IDL para correção dos dados SRTM Durante este período, foram desenvolvidos e implementados alguns algoritmos que visam a correção dos dados SRTM para fins hidrológicos (Figura 1). Apesar de representarem um importante avanço em relação às alternativas encontradas para algumas regiões, por terem sido gerados a partir da banda C, os dados SRTM não representam fielmente a realidade topográfica, uma vez que sofrem influência da vegetação.

Figura 1 – Protótipo do Sistema de Tratamento dos dados SRTM

Caracteristicamente, os dados SRTM apresentam muitos pontos de convergência (sinks), resultando em linhas de fluxo descontínuas, o que dificulta o uso de modelos hidrológicos distribuídos que pressupõe relações topológicas espaciais corretas. O protótipo desenvolvido visa basicamente corrigir as descontinuidades nas linhas de fluxo, produzindo um MDE hidrologicamente correto, ou seja, cujas linhas de fluxo formem uma rede contínua. Para tanto, faz-se a procura do caminho que conecte bacias fechadas através de canais abertos artificialmente (Figura 2). Ao final do processo, tem-se o MDE corrigido e uma matriz que define a orientação da linha de fluxo de cada célula do MDE conhecida como LDD.

Figura 2 – Exemplo de correção da descontinuidade das linhas de fluxo. Na parte superior, o elemento marcado representa um ponto de convergência (sink) e as linhas de fluxo. Na parte inferior, os elementos marcados representam o caminho

aberto artificialmente e as linhas de fluxo modificadas em vermelho.

Com o LDD, calcula-se a área acumulada (ou área de captação) a partir da qual procede-se à extração da drenagem, o que é feito através de um processo interativo (Figura 3) escolhendo-se um valor (limiar) que define a área mínima acumulada a ser considerada como uma drenagem. Com o estabelecimento da rede de drenagem, pode-se fazer a delimitação automática de bacias hidrográficas (Figura 4) e/ou calcular a diferença de nível entre um ponto qualquer e a drenagem mais próxima (Figura 5).

Figura 3 – Processo interativo para extração da drenagem

Figura 4 – Extração automática de bacias hidrográficas

Figura 5 – Diferença de nível para a drenagem mais próxima: menores que 8m (azul e ciano), entre 8 e 30m (verde e amarelo) e acima de 30m (vermelho).

2.7) Orçamento

Despesa Custo unitário -R$

Quantidade Custo total –R$

Passagens 1.700,00 16 27.200,00 Diárias 160,00 160 25.600,00 Viagem Técnico-Científica

5.000,00 2 10.000,00

Bolsista (TerraHidro) 5.000,00 36 180.000,00 Bolsista (SRTM) 1.500,00 36 54.000,00 Licença IDRISI Kilimanjaro

3.000,00 1 3.000,00

Licença Surfer 8.0 1.800,00 1 1.800,00 Total 301.600,00

- Viagem Técnico-Científica: participação em congressos e reuniões técnicas - Bolsista (TerraHidro) com experiência em programação C++ (valor líquido) - Bolsista (SRTM) com experiência em uso de sistemas computacionais (valor líquido).

2.8) Formação de Recursos Humanos. Aluno Curso Nível Situação Orientadores Sergio Rosim Pós-

Graduação em Computação Aplicada

Doutorado em Computação Aplicada

Em andamento

Antonio Miguel Monteiro/Camilo D. Rennó

Taise Farias Pinheiro

Pós-Graduação em Sensoriamento Remoto

Mestrado em Sensoriamento Remoto

Em andamento

João V. Soares/Camilo D. Rennó

Annette Pic Pós-Graduação em Sensoriamento Remoto

Mestrado em Sensoriamento Remoto

Em andamento

Camilo D. Rennó

3) Subprojeto III: Identificação, Modelagem e Mapeamento de Ambientes em alta resolução e Larga Escala Coordenador: Antonio Donato Nobre 3.1) Justificativa A Amazônia é melhor conhecida por suas enormes dimensões, por sua megadiversidade e por possuir o maior sistema fluvial do mundo. Pouco se sabe sobre a diversidade de ambientes determinada pela topografia, pelos solos e pela água no solo. Esta ignorância deriva provavelmente da imensidão e aparente continuidade do dossel verde que cria a ilusão de uma monótona fisionomia de floresta nas áreas da chamada terra firme. Porém, precisamente a água no solo tem efeito determinante no tipo de comunidade de plantas que se estabelece em uma dada área. As diferenças entre áreas inundáveis (várzea, igapó) e áreas saturadas (pântanos, baixios) são grandes e ecologicamente significativas. Similarmente, as diferenças entre áreas pantanosas e terrenos bem drenados (terra-firme) têm maior importância do que tem sido reconhecido. Aparte de mapas de solos e vegetação, genéricos e inacurados, o conhecimento sobre o particionamento de ambientes na Amazônia é incipiente e estereotipado. Estudos observacionais que procuram medir componentes dos fluxos de matéria e energia elegem suas áreas de estudo e amostragem baseados apenas nestes mapas e estereótipos. Não deveria surpreender então que as interpolações e extrapolações destes poucos estudos dispersos aleatoriamente em grandes superfícies gerem apenas grandes incertezas ao invés de números sólidos e verificáveis independentemente. Portanto, mapas podem ser representações numéricas de características da superfície, com maior ou menor relevância em relação às propriedades fisiológicas da paisagem. Talvez a ausência de representações acuradas das propriedades funcionais da paisagem seja também a responsável pela dificuldade dos modelos biogeofísicos e biogeoquímicos de simularem os fluxos de água, carbono e energia realisticamente. A disponibilidade de dados de sensores remotos passivos em alta resolução espacial e temporal pode melhorar muito as representações de superfície per se. Em muitos mapas digitais, como os relativos ao uso da terra, já se utilizam estes dados-imagens (landsat – Figura 1, cibers, ikonos, etc.), com avançado grau de sucesso na representação espacial, por exemplo, das alterações da vegetação (prodes, deter). A representação de áreas inundáveis também se beneficiou da disponibilidade de dados de sensores ativos (Jers 1, SRTM). Porém, as representações das áreas de floresta na terra-firme, a maior extensão na Amazônia, sofrem pela dificuldade encontrada pelos sinais imageadores em atravessar o dossel fechado e denso. Como então mapear a riqueza de ambientes na terra-firme?

O grupo de física do ambiente iniciou neste subprojeto uma original e bem sucedida abordagem para mapeamento em larga escala e alta resolução dos ambientes escondidos pela floresta. Para tanto conjugamos em um modelo os dados de topografia do SRTM (shuttle radar topographic mission) com os dados hidrológicos da bacia instrumentada do igarapé Asu. O método é descrito em um artigo em preparação por nosso grupo e consiste em: 1) refinar o modelo digital de terreno a partir dos dados SRTM para extração da rede de drenagem (subprojeto II, Figura 2); 2) a partir da rede de drenagem normalizada um algoritmo de continuidade lateral busca sobre o modelo de elevação as distâncias verticais (HND) de cada pixel para o corpo de água topologicamente mais próximo (Rennó et al); e 3) a grade de distâncias verticais normalizadas é seccionada em fatias calibradas com os dados hidrológicos da bacia instrumentada do igarapé Asu. Os mapas gerados a partir destas fatias têm relevância hidrológica e são poderosas e acuradas representações de ambientes com significância ecológica (Figura 3). Estes modelos de terrenos corrigidos e fatiados serão os mapas base de ambientes a serem utilizados pelo subprojeto I na ampliação de escalas, e seus algoritmos serão incorporados pelo subprojeto II no sistema Terra-hidro. Mais adiante, nosso grupo pretende utilizar os mapas de ambientes para modelagem acurada da dinâmica de biomassa e similares. As aplicações para além do grupo de física do ambiente serão extremamente relevantes, como para o grupo de biodiversidade que poderá estratificar seu espaço de estudo respeitando a significância dos ambientes; ou para o grupo de uso da terra que poderá modelar a dinâmica de ocupação levando em consideração as vantagens e dificuldades do terreno; o grupo de clima poderá utilizar o mapa de ambientes como um grande avanço na representação da superfície no acoplamento com a atmosfera; e o grupo de áreas inundadas poderá se beneficiar com preditores de qualidades e volumes de água chegando a seu sistema a partir das áreas de montante modeladas por nosso grupo.

Figura 1: Imagem Landsat ETM 5-4-3 indica aparente homogeneidade de ambientes na terra firme

Figura 2: Imagem SRTM para a mesma área da figura 1, com altimetria em tons de cinza, revela complexidade topográfica do terreno na terra-firme (Valeriano et al, em prep.).

Figura 3: Utilizando o modelo de terreno SRTM e dados hidrológicos da Bacia Asu, produziu-se um algoritmo particionador de ambientes: modelo HND. As classes de ambientes determinadas pelo parâmetro HND demonstram a complexidade de terreno e a conseqüente diversidade de ecossistemas que deve encontrar-se associada (Rennó et al, em prep). 3.2) Objetivos e metas Objetivo Geral Visa identificar funcionalmente e mapear a diversidade de ambientes na Amazônia, com relevância para o funcionamento hidrológico, biogeoquímico e biogeofisico, para a cobertura vegetal e a biodiversidade, e para a fragilidade em relação ao uso. Objetivos Específicos

• A partir de dados de sensores remotos, modelos digitais de terreno e sua análise morfométrica detectar e extrair padrões e feições associadas a propriedades funcionais da paisagem, como rede de drenagem, forma e propriedades das superfícies, desníveis, vegetação e alterações.

• Aplicar ferramentas computacionais para a conjugação dos dados topográficos/morfométricos com dados hidrológicos em modelos espaciais funcionais de ambientes

• Fornecer para o Subprojeto 1 mapas de ambientes para grandes áreas (até a Amazônia toda) nos esforços de escalonamento dos processos biogeofísicos entre micro e macro escalas.

• Fornecer para o Subprojeto 2 algoritmos morfométricos e topológicos/hidrológicos para representação da superfície de um modo significativo em termos de hidrologia e ambientes (anatomia da paisagem).

• Desenvolver e fornecer mapas funcionais de ambientes para os demais componentes do GEOMA (biodiversidade, uso da terra, áreas inundáveis, clima)

3.3) Participantes, interações e responsabilidades (na seqüência do trabalho): Dr. Camilo Rennó + bolsistas (componentes I, II e III) – Geoprocessamento, desenvolvimento e refinamento de algoritmos espaciais com calibrações hidrológicas, análise hidrológica de ambientes, integração de modelos hidrológicos nos modelos de ambiente; Dr. Javier Tomasella + MSc Adriana Cuartas (componentes I e III) – Interpretação hidrológica de ambientes; validação hidrológica; análise e refinamento dos modelos; Dr. Antonio Nobre + todos (componentes I e III) – Interpretação ecológica e fisionômica de ambientes, fisiologia da paisagem, validação de campo, análise e refinamento dos modelos; Dr. Arnaldo Carneiro + grupo Siglab (componentes I e III) - Interpretação paleoecológica e paleoclimatica de ambientes, análise geomorfológica e pedológica, validação de campo; 3.4) Estratégias A primeira e fundamental parte da estratégia deste subprojeto, que consistiu no desenvolvimento e validação do modelo HND, encontra-se quase concluída. Uma das estratégias também já foi concluída, a saber: 3.4.1) Testar a robustez do modelo HND para áreas na quadricula de Manaus fora da zona de calibração e validação (bacia Asu, reserva biológica do Cuieiras). Na seqüência temos que: 3.4.2) Validar as suposições sobre efeito mascarador da topografia pela cobertura vegetal, utilizando dados de sensores (altímetro a laser) ou biométricos (inventario florestal), desenvolvendo um aperfeiçoamento das conexões entre o modelo digital de elevação do dossel (SRTM refinado) com a topografia e os dados hidrológicos. 3.4.3) Desenvolver uma abordagem para o modelo de terreno para áreas alteradas, como desmatadas, já que o modelo tende a produzir aberrações na rede de drenagem nas bordas entre áreas florestadas e desmatamentos. Duas abordagens foram aventadas e precisam ser testadas. A primeira simplesmente remove do modelo de terreno os pixel das áreas desmatadas e produz uma

superfície “remendo” na área por interpolação das superfícies contíguas não perturbadas. A segunda utiliza geoestatistica para ponderar na superfície interpolada as feições de terreno da área desmatada. 3.4.4) A partir daí, e utilizando o modelo SRTM aperfeiçoado para várias quadrículas da Amazônia (produzidos pelo subprojeto II), o modelo particionador de ambiente seria validado e testado para outras regiões e feições de terreno. O desenvolvimento posterior na abordagem deste subprojeto virá da validação do modelo de ambientes por outros componentes do geoma. Por exemplo, o modelo de ambientes com calibração hidrológica poderia ser aperfeiçoado com informações de biogeoquímica, de florística (biogeografia), de biometrias (biomassa, demografia, etc), de forçantes climáticas, de solos e geologia, etc. 3.5) Resultados e impactos na solução de problemas nacionais relevantes O particionamento e mapeamento acurado de ambientes será uma capacidade chave para uma melhor gestão do território. Os esforços para o zoneamento ecológico econômico contarão com informações vitais sobre a distribuição de recursos, a riqueza de ecossistemas, o funcionamento da paisagem no que tange a água, carbono, nutrientes, potencial erosivo, entre outros. O mapeamento de ambientes viabiliza uma aceleração vertiginosa nos esforços para a prospecção dos tesouros da biodiversidade, já que a diversidade de organismos começa com a diversidade de plantas, e estas estão intimamente condicionadas pela disponibilidade ou excesso de água em seu habitat. Os acurados mapas de ambientes vão também melhorar a parametrização de superfície para modelos de tempo e clima, o que pode melhorar muito a capacidade preditiva destes, com impacto, por exemplo, nas previsões de chuvas de verão nas zonas meridionais da América do Sul (centro oeste, sudeste, sul, Paraguai, norte da argentina e outras áreas próximas). Estas capacidades derivam da exportação de umidade da Amazonia para a porção meridional da América do Sul meridional a leste dos Andes, e hoje os modelos ainda não resolvem bem as quantidades de água transportada, somente se sabe que o transporte ocorre e é importante para a zona que compreende atividades produtivas que suprem 70% do PIB da América do Sul. Os mapas de ambientes serão também importantes para um planejamento de uso da terra, para a reforma agrária, para a recuperação de áreas degradadas, entre outras aplicações.

3.5) Orçamento sub-projeto III Descrição Valor unitário Quantidade Valor total Viagens São Paulo – Manaus –São Paulo

2100,00 04 8400,00

Viagens São Paulo – Santarem; Porto Velho –São Paulo

1900,00 02 3800,00

Viagens São Paulo – Rio Branco –São Paulo

1900,00 02 3800,00

Viagens MAO – São Gabriel Cach –MAO

1200,00 02 2400,00

Viagens São Paulo – Belem –São Paulo

1900,00 02 3800,00

Diárias para atividade de campo (incluindo alimentação)

130 60 7800,00

Transporte Toyota Balsa (MAO-Santarem; PortoVelho-MAO)

4200,00 4200,00

Combustivel 2,50 1200 3000,00 Aluguel veiculo 150,00 20 3000,00 Material de Consumo (baterias, discos, memoria)

2000,00

Software (gps trackmaker professional)

400 2 800

Bolsista para aplicação do modelo

1850,00 36 66600,00

Total geral 109600,00 Contrapartida Descrição Valor Unitário Quantidade Toyota INPA 210,00 45 9450 Viagens SJK MAO SJK

1900,00 06 11400

Computadores INPA

7100 04 28400

Total 49250

Publicações do grupo no tema/área proposta) ALMEIDA, A. C.; SOARES, J. V. Comparação entre uso de água em plantações de Eucalyptus grandis e floresta ambrófila densa (mata Atlântica) na costa leste do Brasil. Revista Árvore, Viçosa, Minas Gerais, v. 27, n. 2, p. 159-170, 2003. NEPSTAD, Daniel ; LEFEBVRE, Paul ; SILVA, Urbano Lopes da et al. Amazon drought and its implications for forest flammability and tree growth: a basin wide analysis. Global Change Biology, v. 10, p. 704-717, 2004. TOMASELLA, J. . Variação espaço-temporal da umidade do solo no Brasil: análise das condições médias para o período de 1971- 1990. Revista Brasileira de Meteorologia, v. 19, n. 2, p. 113-122, 2004. TOMASELLA, J. ; Ya. Pachepsky ; CRESTANA, Silvio et al. Comparison of two techniques to develop pedotransfer functions for water retention. Soil Science Society of America Journal, Madison, WI, v. 67, n. 4, p. 1085-1092, 2003. HODNETT, M. G. ; TOMASELLA, J. . Marked differences between Van Genuchten soil water retention parameters for temperate and tropical soils: a new water retention PTF developed for tropical soils. Geoderma, Holanda, v. 108, p. 155-180, 2002. SOUZA, S. S. ; TOMASELLA, J. ; Gracia, M.G. et al. O programa de monitoramento climático em tempo real na área de atuação da Sudene: Proclima. Boletim da Sociedade Brasileira de meteorologia, São José dos Campos, v. 25, n. 1, p. 15-23, 2001. TOMASELLA, J. ; HODNETT, M. G. ; ROSSATO, L. . Pedo transfer functions for the estimation of soil water retention in Brazilian Soils. Soil Science Society of America Journal, v. 64, n. 1, p. 327-338, 2000. AMORIM, M. C. ; ROSSATO, L. ; TOMASELLA, J. . Determinação da evapotranspiração potencial do Brasil aplicando o modelo de Thornthwaite a um sistema de informação geográfica.. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, 1999. TOMASELLA, J. ; HODNETT, M. G. Estimating soil water retention characteristics from limited data in Brazilian Amazonia.. Soil Science, v. 163, p. 190-202, 1998. HODNETT, M. G. ; VENDRAME, I. ; OYAMA, M. D. et al. Soil water storage and groundwater behaviour in a catenary sequence beneath forest in Central Amazonia. II. Floodplain water table behaviour and implication for streamflow generation.. Hydrology and Earth Systems Sciences, v. 1, p. 279-290, 1997. HODNETT, M. G. ; VENDRAME, I. ; MARQUES FILHO, A. O. et al. Soil water storage and groundwater behaviour in a catenary sequence beneath forest in Central Amazonia. I. Comparisons between plateau, slope and valley floor.. Hydrology and Earth Systems Sciences, v. 1, p. 265-277, 1997. TOMASELLA, J. ; HODNETT, M. G. . Estimating unsaturated hydraulic conductivity of Brazilian soils using soil-water retention data. Soil Science, v. 162, p. 703-712, 1997. MARENGO, J. A. ; TOMASELLA, J. ; UVO, C. R. . Long-term streamflow and rainfall fluctuations in tropical South-America: Amazonia, East Brazil and Northwest Peru.. Journal of Geophysical Research, v. 103(D2, p. 1775-1783, 1997.

TOMASELLA, J. ; CAICEDO, N. L. . Fluxo não saturado em solos de várzea. Revista Brasileira de Engenharia - Caderno de Recursos Hídricos, v. 11, p. 95-106, 1993. TOMASELLA, J. ; CAICEDO, N. L. . Cálculo da recarga de aqüíferos através de um modelo de fluxo não saturado. Revista Brasileira de Engenharia - Caderno de Recursos Hídricos, v. 11, p. 5-22, 1993. RENNÓ, C.D. Construção de um sistema de análise e simulação hidrológica: aplicação a bacias hidrográficas. (Tese de Doutorado em Sensoriamento Remoto) - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, São José dos Campos, SP, 2004. RENNÓ, C.D.; SOARES, J.V. Discretização de Baciais Hidrográficas. In: X SIMPÓSIO BRASILEIRO DE SENSORIAMENTO REMOTO, 2001, Foz do Iguaçu. Anais do X Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto. 2001. RENNÓ, C.D.; SOARES, J.V. Uso do índice topográfico como estimador da profundidade do lençol freático. In: XI SIMPÓSIO BRASILEIRO DE SENSORIAMENTO REMOTO, 2003, Belo Horizonte. Anais do XI SBSR. 2003. ROSIM, S. Cálculo de Volume de Corte e Aterro usando Modelagem Numérica de Terrenos. In: VIII SIMPÓSIO BRASILEIRO DE SENSORIAMENTO REMOTO, Salvador, Ba, 14-19 Abril 1996. ROSIM, S.; FELGUEIRAS, C.A.; NAMIKAWA, L.M. Uma Metodologia para Geração de MNT por grades triangulares. In: VII SIMPÓSIO BRASILEIRO DE SENSORIAMENTO REMOTO, Curitiba, Pr, Maio 1993. ROSIM, S.; MONTEIRO, A.M.V.; RENNÓ, C.D.; SOUZA, R.M.; SOARES, J.V. TERRAHIDRO – Uma Plataforma Computacional para o Desenvolvimento de Aplicativos para a Análise Integrada de Integrada de Recursos Hídricos. In: XI SIMPÓSIO BRASILEIRO DE SENSORIAMENTO REMOTO, Belo Horizonte, MG, 05-10 de Abril de 2003. ROSIM, S.; ORTIZ, J.O. Delimitação de Áreas de Inundação utilizando Modelagem Numérica de Terrenos. In: VIII SIMPOSIO LATINOAMERICANO DE PERCEPCION REMOTA, Mérida, Venezuela, 2-7 Novembro 1997. ROSIM, S.; PELLEGRINO S.R.M. Extração de Rede de Drenagem de Imagem de Radar usando Modelos Digitais de Terrenos. In: GisBrasil’99, Salvador, Brasil, 19-23 julho. ROSIM, S.; PELLEGRINO S.R.M. O SPRING e a Hidrologia: Início de uma Caminhada. In: GeoInfo 2001, Rio de Janeiro, Brasil, 04-05 de outubro. SOARES, J. V.; ALMEIDA, A. C. Modeling the water balance and soil water fluxes in a fast growing Eucalyptus plantation in Brazil . Journal of Hydrology, The Netherlands, v. 253, n. 1, p. 131-148, 2001. SOARES, J. V.; ALMEIDA, A. C. Water budget model for eucalyptus forest using a canopy characterization by remote sensing techniques and a soil water flux parameterization. In: European Remote Sensing Symposium - EUROPTO, 2000, Barcelona, Espanha. Proceedings of the European Sensing Symposium EUROPTO Conference on Remote Sensing for Agriculture, Hydrology and Ecosystems. Bellingham, Washington, USA: SPIE - The International Society for Optical Engeneering, 2000. v. 4171. p. 108-116.

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A Amazônia é melhor conhecida por suas enormes dimensões, por sua megadiversidade e por possuir o maior sistema fluvial do mundo. Pouco se sabe sobre a diversidade de ambientes determinada pela topografia, pelos solos e pela água no solo. Esta ignorância deriva provavelmente da imensidão e aparente continuidade do dossel verde que cria a ilusão de uma monótona fisionomia de floresta nas áreas da chamada terra firme. Porém, precisamente a água no solo tem efeito determinante no tipo de comunidade de plantas que se estabelece em uma dada área. As diferenças entre áreas inundáveis (várzea, igapó) e áreas saturadas (pântanos, baixios) são grandes e ecologicamente significativas. Similarmente, as diferenças entre áreas pantanosas e terrenos bem drenados (terra-firme) têm maior importância do que tem sido reconhecido. Aparte de mapas de solos e vegetação, genéricos e inacurados, o conhecimento sobre o particionamento de ambientes na Amazônia é incipiente e estereotipado. Estudos observacionais que procuram medir componentes dos fluxos de matéria e energia elegem suas áreas de estudo e amostragem baseados apenas nestes mapas e estereótipos. Não deveria surpreender então que as interpolações e extrapolações destes poucos estudos dispersos aleatoriamente em grandes superfícies gerem apenas grandes incertezas ao invés de números sólidos e verificáveis independentemente. Portanto, mapas podem ser representações numéricas de características da superfície, com maior ou menor relevância em relação às propriedades fisiológicas da paisagem. Talvez a ausência de representações acuradas das propriedades funcionais da paisagem seja também a responsável pela dificuldade dos modelos biogeofísicos e biogeoquímicos de simularem os fluxos de água, carbono e energia realisticamente. A disponibilidade de dados de sensores remotos passivos em alta resolução espacial e temporal pode melhorar muito as representações de superfície per se. Em muitos mapas digitais, como os relativos ao uso da terra, já se utilizam estes dados-imagens (Landsat – Figura 1, cbers, ikonos, etc.), com avançado grau de sucesso na representação espacial, por exemplo, das alterações da vegetação (prodes, deter). A representação de áreas inundáveis também se beneficiou da disponibilidade de dados de sensores ativos (Jers 1, SRTM). Porém, as representações das áreas de floresta na terra-firme, a maior extensão na Amazônia, sofrem pela dificuldade encontrada pelos sinais imageadores em atravessar o dossel fechado e denso. Como então mapear a riqueza de ambientes na terra-firme? O grupo de física do ambiente iniciou neste subprojeto uma original e bem sucedida abordagem para mapeamento em larga escala e alta resolução dos ambientes escondidos pela floresta. Para tanto conjugamos em um modelo os dados de topografia do SRTM (shuttle radar topographic mission) com os dados hidrológicos da bacia instrumentada do igarapé Asu. O método é descrito em dois artigos submetidos por nosso grupo e consiste em: 1) refinar o modelo digital de terreno a partir dos dados SRTM para extração da rede de drenagem (subprojeto

II, Figura 2, Valeriano et al); 2) a partir da rede de drenagem normalizada um algoritmo de continuidade lateral busca sobre o modelo de elevação as distâncias verticais (delta z) de cada pixel para o corpo de água topologicamente mais próximo (Rennó et al); e 3) a grade de distâncias verticais normalizadas é seccionada em fatias calibradas com os dados hidrológicos da bacia instrumentada do igarapé Asu (Rennó et al). Os mapas gerados a partir destas fatias têm relevância hidrológica e são poderosas e acuradas representações de ambientes com significância ecológica (Figura 3). Estes modelos de terrenos corrigidos e fatiados serão os mapas base de ambientes a serem utilizados pelo subprojeto I na ampliação de escalas, e seus algoritmos serão incorporados pelo subprojeto II no sistema TerraHidro. Mais adiante, nosso grupo pretende utilizar os mapas de ambientes para modelagem acurada da dinâmica de biomassa e similares. As aplicações para além do grupo de física do ambiente serão extremamente relevantes, como para o grupo de biodiversidade que poderá estratificar seu espaço de estudo respeitando a significância dos ambientes; ou para o grupo de uso da terra que poderá modelar a dinâmica de ocupação levando em consideração as vantagens e dificuldades do terreno; o grupo de clima poderá utilizar o mapa de ambientes como um grande avanço na representação da superfície no acoplamento com a atmosfera; e o grupo de áreas inundadas poderá se beneficiar com preditores de qualidades e volumes de água chegando a seu sistema a partir das áreas de montante modeladas por nosso grupo.