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INSTITUTO NACIONAL DE PESQUISAS DA AMAZÔNIA – INPA

UNIVERSIDADE DO ESTADO DO AMAZONAS – UEA

Programa de Pós-Graduação em Clima e Ambiente – PPG CLIAMB

RECICLAGEM DE PRECIPITAÇÃO NA AMAZÔNIA:

CLIMA PRESENTE E CENÁRIOS FUTUROS

VINÍCIUS MACHADO ROCHA

Manaus, Amazonas

Dezembro, 2016

VINÍCIUS MACHADO ROCHA

RECICLAGEM DE PRECIPITAÇÃO NA AMAZÔNIA:


ORIENTADOR: Prof. Dr. Francis Wagner S. Correia

Tese apresentada ao Instituto

Nacional de Pesquisas da

Amazônia e à Universidade do

Estado do Amazonas como parte

dos requisitos para obtenção do

titulo de Doutor em Clima e

Ambiente, área de concentração

Interações Clima-Biosfera da

Amazônia.

Manaus, Amazonas

Dezembro, 2016

iii

R672 Rocha, Vinícius Machado

Reciclagem de precipitação na Amazônia: clima presente e

cenários futuros / Vinícius Machado Rocha. --- Manaus: [s.n.],

2016.

xii,117 f.: il.

Tese (Doutorado) --- INPA, Manaus, 2016.

Orientador: Francis Wagner Silva Correia

Área de concentração: Clima e Ambiente

1. Precipitação. 2. Mudanças climáticas. 3.Amazônia. I. Título.

CDD 551.577

Sinopse:

Estudou-se a distribuição espaço-temporal da reciclagem de

precipitação na Amazônia para o clima presente, utilizando

dados de reanálises, e as mudanças climáticas projetadas ao

longo do século XXI, devido ao aumento na concentração dos

gases de efeito estufa na atmosfera, por meio de modelagem

numérica.

Palavras-chave: Amazônia, reciclagem de precipitação, balanço

de umidade, reanálises Era-Interim, modelo regional Eta.

iv

Dedico à minha esposa,

Paula Magalhães Villela Machado.

v

AGRADECIMENTOS

Gostaria de expressar meus sinceros agradecimentos:

ao Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia (INPA) e à Universidade do Estado do

Amazonas (UEA), pela oportunidade de ter participado do Programa de Pós-Graduação em

Clima e Ambiente (PPG CLIAMB);

à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), pela concessão

da bolsa de estudo no período de agosto de 2012 a agosto de 2016;

ao Dr. Francis Wagner Silva Correia, pela orientação segura e experiente que possibilitou a

conclusão da presente pesquisa;

à Dr. Sin Chan Chou, do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), por ter

disponibilizado os dados da simulação do modelo Eta-HadGEM2-ES, para o clima presente e

cenários futuros;

aos membros da Banca Examinadora, pelas críticas e sugestões apresentadas;

a todos os professores do PPG CLIAMB que contribuíram para o meu amadurecimento na

pesquisa científica;

aos colegas de trabalho do Laboratório de Modelagem do Sistema Climático Terrestre

(LABCLIM), da UEA, Paulo Ricardo Teixeira da Silva, Rildo Gonçalves Moura, Weslley de

Brito Gomes, Leonardo Alves Vergasta, Maximiliano da Silva Pereira Trindade, Adriano

Lima Pedrosa e Josyanne Jhennifer Santos da Silva, por todo o auxílio durante a execução da

pesquisa e pelos momentos de descontração e carinho;

à minha família: pais – Joubert Paschoalino Rocha e Cornélia Machado Soares Rocha; e

irmão – Augusto Machado Rocha; pelo total incentivo, amor e pela compreensão devido à

distância;

à minha querida esposa, Paula Magalhães Villela Machado, pela compreensão de minha

ausência em datas importantes nos últimos quatro anos, pela dedicação, pelo respeito e

admiração que sente por mim, e pelo apoio incondicional que me permitiu concretizar mais

um sonho na carreira profissional;

ao G.A.D.U., por ter me dado a oportunidade de estudar e aprimorar meus conhecimentos

para a lapidação da Pedra Bruta (que ainda sou).

vi

RESUMO

O presente trabalho tem como objetivo avaliar a distribuição espaço-temporal dos

componentes do balanço de água e da reciclagem de precipitação na Amazônia para o clima

presente, por meio de um estudo observacional com as reanálises do ECMWF (Era-Interim)

no período de 1980 a 2005, e seus impactos em cenários futuros regionalizados a partir do

Modelo Climático Regional Eta forçado com o cenário de emissões RCP 8.5 proveniente do

modelo do sistema terrestre HadGEM2-ES. Para estimar a reciclagem de precipitação foram

utilizados métodos fundamentados no balanço de umidade na atmosfera. De modo geral, o

estudo observacional com as reanálises do ECMWF revelou que, a bacia amazônica se

comporta como um sumidouro de umidade da atmosfera, recebendo vapor d’água tanto do

transporte de origem oceânica quanto da evapotranspiração da floresta por meio do

mecanismo de reciclagem. Em escala regional, a Amazônia representa uma importante fonte

de umidade para outras regiões da América do Sul, contribuindo para o regime da

precipitação em áreas remotas. Na média, a reciclagem de precipitação na Amazônia é de

aproximadamente 20%, com valores variando entre 10-15% na porção norte e 40-50% na

porção sul. Dessa maneira, do total da precipitação na bacia, cerca de 20% é decorrente do

processo de evapotranspiração local; indicando que, a contribuição local para a precipitação

total representa um percentual significativo no balanço de água regional e desempenha um

papel importante no ciclo hidrológico amazônico. Em média na bacia, a contribuição

advectiva é mais importante para a precipitação, enquanto que, na porção sul a

evapotranspiração local tem papel importante no regime da precipitação. Considerando a

simulação do modelo Eta-HadGEM2-ES para o clima presente (sem o cenário de emissões

RCP 8.5), na média, a reciclagem de precipitação na bacia amazônica é de 22%, apresentando

variação espacial e sazonal, com maiores valores na Amazônia meridional (27%). As

mudanças projetadas para o clima futuro mostram que, os impactos nos componentes do

balanço de umidade foram mais significativos durante a estação chuvosa e na porção sul da

bacia, sobretudo, no final do século. O mecanismo de retroalimentação positivo foi

configurado durante o verão austral e na média anual, isto é, a redução da convergência de

umidade (por meio da alteração na estrutura termodinâmica da atmosfera e na circulação

regional) e da evapotranspiração agiram no mesmo sentido para reduzir a precipitação total;

no entanto, o mecanismo de retroalimentação negativo se estabelece no inverno austral, em

que a redução da evapotranspiração é parcialmente compensada pelo aumento da

convergência de umidade, porém, não o suficiente para inibir a redução da precipitação. A

redução projetada da precipitação total na Amazônia foi decorrente tanto da redução da

precipitação de origem local quanto advectiva, sendo que a advectiva teve papel predominante

devido às mudanças na circulação regional e no transporte de umidade sobre a bacia. De

maneira geral, a redução da reciclagem de precipitação na Amazônia é mais pronunciada na

estação seca, atingindo 40% no final do século, sendo diretamente influenciada pela redução

da evapotranspiração da superfície, mas, principalmente, pela intensificação do fluxo de

umidade sobre a bacia. Contudo, a mudança na reciclagem é maior na Amazônia meridional –

redução da ordem de 50% na estação seca no final do século. Os resultados obtidos sugerem

que, a mudança do clima devido ao aumento dos gases de efeito estufa pode afetar de forma

significativa os componentes do balanço de água e a reciclagem de precipitação na bacia

amazônica, implicando em graves consequências ecológicas ao bioma, tais como: afetando a

dinâmica dos ecossistemas, reduzindo a capacidade da floresta em absorver o carbono da

atmosfera, favorecendo a ocorrência de eventos extremos (secas e enchentes), aumentando a

temperatura à superfície e, consequentemente, a frequência e intensidade das queimadas.

Palavras-chave: Amazônia; reciclagem de precipitação; balanço de água; mudanças

climáticas; modelo regional Eta.

vii

ABSTRACT

The objective of this work is to assess the spatiotemporal distribution of water budget

components and precipitation recycling in the Amazon basin for the present climate, through

an observational study using the ECMWF (Era-Interim) reanalysis for period 1980-2005, and

impacts in future scenarios using the Eta Regional Climate Model forced by RCP 8.5

emissions scenario from the HadGEM2-ES earth system model. To estimate precipitation

recycling were adopted methods based on the atmosphere moisture balance. In general, the

observational study with the ECMWF reanalysis showed that, the Amazon basin acts as a sink

for atmospheric moisture receiving water vapor transported from the ocean and from

precipitation recycled from evapotranspiration by the forest. At the regional scale, the

Amazon basin is an important source of water vapor, contributing to precipitation in other

remote locations of South America. On average, precipitation recycling in the Amazon basin

is 20%, approximately, varying between 10-15% in the northern portion and 40-50% in the

southern portion. Thus, 20% of the total rainfall in the basin is derived from local

evapotranspiration processes indicating that the local contribution to the total precipitation

represents a significant contribution to the regional water budget and plays an important role

in the Amazon water cycle. In the Amazon basin, on average, advection processes are more

important for precipitation while local evapotranspiration processes play a more important

role in the precipitation regime in the southern portion of the basin. Considering the Eta-

HadGEM2-ES model simulation for the present climate (without the RCP 8.5 emissions

scenario), on average, precipitation recycling in the Amazon basin is 22%, with spatial and

seasonal variation, and more intense recycling in the southern Amazon (27%). The changes

projected for future climate show that the impacts on the water budget components were more

significant during the rainy season and southern basin sector, especially at the end of the 21st

century. The positive feedback mechanism is configured during the austral summer and on

average annually, i.e., the reduction of moisture convergence (due to change the

thermodynamic structure of the atmosphere and regional circulation patterns) and surface

evapotranspiration acted in the same way to reduce total precipitation. The negative feedback

mechanism is seen during the austral winter, where the reduction of evapotranspiration is

partially offset by the increase in moisture convergence, however, not sufficient to offset the

reduction in precipitation. The reduction in total precipitation in the Amazon was due to both

the decrease of local and advective precipitation, but the advective had a major role due to

changes in the regional circulation and moisture transport over the basin. In general, the

reduction of precipitation recycling in the Amazon was predicted to be more pronounced in

the dry season, reaching 40% at the end of the 21st century, and was directly influenced by the

reduction in surface evaporation, but was primarily driven by enhancing the moisture

transport over the basin. However, the change in recycling is higher in the southern Amazon –

a reduction of around 50% in the dry season at the end of the century. The results suggest that

climate change due to increased greenhouse effects can significantly affect the components of

the water budget and precipitation recycling in the Amazon basin, resulting in serious

ecological consequences for the biome, such as affecting ecosystem dynamics, reduction in

the forest's ability to absorb carbon from the atmosphere, causing the occurrence of extreme

events (drought and flooding), increasing the surface temperature, and hence, the frequency

and intensity of fires.

Keywords: Amazon basin; precipitation recycling; water budget; climate change; Eta

regional model.

viii

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................... x

INTRODUÇÃO GERAL ....................................................................................................... 14

OBJETIVOS ........................................................................................................................... 17

CAPÍTULO 1 – RECICLAGEM DE PRECIPITAÇÃO NA AMAZÔNIA: UM

ESTUDO DE REVISÃO ........................................................................................................ 19

Resumo.................................................................................................................................. 20

Abstract ................................................................................................................................. 20

1. Introdução .......................................................................................................................... 21

2. Fontes de umidade para a Amazônia e o transporte de vapor d’água sobre a América do

Sul ......................................................................................................................................... 22

3. Mecanismos de retroalimentação do processo de reciclagem de precipitação .................. 27

4. Reciclagem de precipitação: estudos observacionais e de modelagem numérica ............. 29

5. Considerações finais .......................................................................................................... 33

CAPÍTULO 2 – RECICLAGEM DE PRECIPITAÇÃO NA BACIA AMAZÔNICA: UM

ESTUDO UTILIZANDO AS REANÁLISES DO ECMWF – ERA-INTERIM ............... 35

RESUMO .............................................................................................................................. 36

ABSTRACT .......................................................................................................................... 38

INTRODUÇÃO .................................................................................................................... 40

MATERIAL E MÉTODOS .................................................................................................. 42

Método da reciclagem de precipitação .............................................................................. 42

RESULTADOS E DISCUSSÃO .......................................................................................... 45

Precipitação e evapotranspiração ...................................................................................... 45

Transporte e convergência de umidade ............................................................................. 51

Reciclagem de precipitação ............................................................................................... 55

Ciclo anual ........................................................................................................................ 60

CONCLUSÕES .................................................................................................................... 62

AGRADECIMENTOS ......................................................................................................... 64

CAPÍTULO 3 – RECICLAGEM DE PRECIPITAÇÃO NA BACIA AMAZÔNICA: O

PAPEL DO TRANSPORTE DE UMIDADE E DA EVAPOTRANSPIRAÇÃO DA

SUPERFÍCIE .......................................................................................................................... 65

RESUMO .............................................................................................................................. 66

ABSTRACT .......................................................................................................................... 67

1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................. 68

ix

2. MATERIAL E MÉTODOS ............................................................................................... 69

2.1. MÉTODO DA RECICLAGEM DE PRECIPITAÇÃO ............................................. 70

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO ...................................................................................... 71

3.1. PRECIPITAÇÃO E EVAPOTRANSPIRAÇÃO ....................................................... 72

3.2. TRANSPORTE DE UMIDADE ................................................................................ 74

3.3. RECICLAGEM DE PRECIPITAÇÃO ...................................................................... 75

3.4. CICLO ANUAL ......................................................................................................... 77

4. CONCLUSÕES ................................................................................................................. 78

5. AGRADECIMENTOS ...................................................................................................... 80

CAPÍTULO 4 – RECICLAGEM DE PRECIPITAÇÃO NA BACIA AMAZÔNICA:

CLIMA PRESENTE E CENÁRIOS FUTUROS ................................................................ 87

RESUMO .............................................................................................................................. 88

ABSTRACT .......................................................................................................................... 90

INTRODUÇÃO .................................................................................................................... 92

MATERIAL E MÉTODOS .................................................................................................. 95

Modelo da reciclagem de precipitação .............................................................................. 95

Cenário de emissões .......................................................................................................... 98

Os modelos ........................................................................................................................ 98

Estratégia de integração numérica .................................................................................. 100

RESULTADOS E DISCUSSÃO ........................................................................................ 101

Precipitação e evapotranspiração .................................................................................... 102

Transporte e convergencia de umidade ........................................................................... 105

Reciclagem de precipitação ............................................................................................. 108

Balanço de umidade e ciclo anual ................................................................................... 113

CONCLUSÕES .................................................................................................................. 118

AGRADECIMENTOS ....................................................................................................... 120

SÍNTESE ............................................................................................................................... 121

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................... 124

x

LISTA DE FIGURAS

CAPÍTULO 1 – RECICLAGEM DE PRECIPITAÇÃO NA AMAZÔNIA: UM

ESTUDO DE REVISÃO

Figura 1: Modelo conceitual de reciclagem de precipitação. Os termos Pm e Pa referem-se às

taxas de precipitação provenientes da evapotranspiração e do vapor d’água advectados para a

região, respectivamente; Fin e Fout são os fluxos de vapor d´água que entra e sai da região

considerada, respectivamente; E é a taxa de evapotranspiração e W é o armazenamento de

água na atmosfera (água precipitável). Fonte: Adaptado de Brubaker et al. (1993). ............... 22

Figura 2: Modelo conceitual do jato de baixos níveis (JBN), a leste dos Andes, que transporta

umidade da Amazônia (flecha azul) e do oceano Atlântico subtropical (flecha verde). Fonte:

Marengo et al. (2004). .............................................................................................................. 24

Figura 3: Modelo conceitual do sistema de lagos e rios atmosféricos (RAs) sobre a América

do Sul na estação chuvosa. Fonte: Arraut et al. (2012). ........................................................... 26

Figura 4: Regiões onde a reciclagem de precipitação, apresentada na Tabela 1, foi calculada.

Fonte: Mohamed e Savenije (2002). ........................................................................................ 29

CAPÍTULO 2 – RECICLAGEM DE PRECIPITAÇÃO NA BACIA AMAZÔNICA: UM

ESTUDO UTILIZANDO AS REANÁLISES DO ECMWF – ERA-INTERIM

Figura 1. Diagrama conceitual dos processos considerados na reciclagem de precipitação: P

precipitação total (mm dia-1); E evapotranspiração (mm dia-1); Fin e Fout são os fluxos de vapor

d’água integrado na vertical (kg m-1 s-1) que entra e sai da região, respectivamente; F fluxo de

umidade médio na área (kg m-1 s-1); L escala de comprimento (km). Fonte: Adaptado de

Brubaker et al. (1993)............................................................................................................... 43

Figura 2. Domínio da área de estudo. Bacia amazônica (limite em preto), Amazônia

setentrional (limite em vermelho) e Amazônia meridional (limite em azul)............................ 45

Figura 3. Precipitação média sazonal (mm dia-1) sobre a América do Sul utilizando as

reanálises do ERA-Interim (ECMWF), para o período de 1980 a 2005: (a) verão – DJF; (b)

outono – MAM; (c) inverno – JJA; (d) primavera – SON........................................................ 48

Figura 4. Evapotranspiração média sazonal (mm dia-1) sobre a América do Sul utilizando as



xi

Figura 5. Média sazonal do fluxo de vapor d’água integrado verticalmente (kg m-1 s-1) sobre a

América do Sul utilizando as reanálises do ERA-Interim (ECMWF), para o período de 1980 a

2005: (a) verão – DJF; (b) outono – MAM; (c) inverno – JJA; (d) primavera – SON............. 53

Figura 6. Média sazonal da convergência de umidade (mm dia-1) sobre a América do Sul

utilizando as reanálises do ERA-Interim (ECMWF), para o período de 1980 a 2005: (a) verão

– DJF; (b) outono – MAM; (c) inverno – JJA; (d) primavera – SON...................................... 54

Figura 7. Média sazonal da reciclagem de precipitação (%) sobre a América do Sul utilizando

as reanálises do ERA-Interim (ECMWF), para o período de 1980 a 2005: (a) verão – DJF; (b)


Figura 8. Ciclo anual dos componentes do balanço de umidade e da reciclagem de

precipitação na (a) Bacia Amazônica, (b) Amazônia Setentrional e (c) Amazônia Meridional:

P precipitação (mm dia-1); E evapotranspiração (mm dia-1); C convergência de umidade

(mm dia-1); R escoamento superficial (mm dia-1); F fluxo de umidade integrado verticalmente

(kg m-1 s-1); REC reciclagem de precipitação (%). Climatologia gerada com base nas

reanálises Era-Interim (ECMWF) para o período de 1980 a 2005........................................... 62

CAPÍTULO 3 – RECICLAGEM DE PRECIPITAÇÃO NA BACIA AMAZÔNICA: O

PAPEL DO TRANSPORTE DE UMIDADE E DA EVAPOTRANSPIRAÇÃO DA

SUPERFÍCIE

Figura 1. Diagrama conceitual do volume de controle atmosférico. Fonte: Adaptado de

Eltahir e Bras (1994)................................................................................................................. 81

Figura 2. Domínio da área de estudo. Bacia amazônica (limite em preto).............................. 81



outono – MAM; (c) inverno – JJA; (d) primavera – SON........................................................82



outono – MAM; (c) inverno – JJA; (d) primavera – SON........................................................83



2005: (a) verão – DJF; (b) outono – MAM; (c) inverno – JJA; (d) primavera –

SON...........................................................................................................................................84

xii

Figura 6. Média sazonal da reciclagem de precipitação (%) sobre a América do Sul

utilizando as reanálises do ERA-Interim (ECMWF), para o período de 1980 a 2005: (a) verão

– DJF; (b) outono – MAM; (c) inverno – JJA; (d) primavera – SON......................................85

Figura 7. Ciclo anual dos componentes do balanço de umidade e da reciclagem de

precipitação na bacia amazônica: (a) P precipitação (mm dia-1), E evapotranspiração (mm dia-

1), C convergência de umidade (mm dia-1); (b) F fluxo de umidade integrado verticalmente

(kg m-1 s-1), REC reciclagem de precipitação (%). Climatologia gerada com base nas

reanálises Era-Interim (ECMWF) para o período de 1980 a 2005...........................................86

CAPÍTULO 4 – RECICLAGEM DE PRECIPITAÇÃO NA BACIA AMAZÔNICA:


Figura 1. Diagrama conceitual dos processos considerados na reciclagem de precipitação: P

precipitação total (mm dia-1); E evapotranspiração (mm dia-1); Fin e Fout são os fluxos de

vapor d’água integrado na vertical (kg m-1 s-1) que entra e sai da região, respectivamente; F

fluxo de umidade médio na área (kg m-1 s-1); L escala de comprimento (km). Fonte: Trenberth

(1999)........................................................................................................................................ 96

Figura 2. Domínio do modelo. Bacia amazônica, limite em preto; Amazônia setentrional,

limite em vermelho; Amazônia meridional, limite em azul....................................................101

Figura 3. Distribuição média da precipitação (mm dia-1) para o clima presente e a diferença

entre os períodos futuros e o clima presente projetada pelo modelo RCP 8.5 Eta-HadGEM2-

ES em DJF (linha superior) e JJA (linha inferior). Colunas da esquerda para a direita: 1 –

clima presente (1985-2005, sem o cenário RCP 8.5); 2 – 2015-2035; 3 – 2045-2065; 4 –

2079-2099. A magnitude das mudanças projetadas é destacada nas paletas de cores à

direita......................................................................................................................................103

Figura 4. Distribuição média da evapotranspiração (mm dia-1) para o clima presente e a

diferença entre os períodos futuros e o clima presente projetada pelo modelo RCP 8.5 Eta-

HadGEM2-ES em DJF (linha superior) e JJA (linha inferior). Colunas da esquerda para a

direita: 1 – clima presente (1985-2005, sem o cenário RCP 8.5); 2 – 2015-2035; 3 – 2045-

2065; 4 – 2079-2099. A magnitude das mudanças projetadas é destacada nas paletas de cores

à direita....................................................................................................................................105

Figura 5. Distribuição média do fluxo de vapor d’água integrado verticalmente (kg m-1 s-1)

para o clima presente e a diferença entre os períodos futuros e o clima presente projetada pelo

modelo RCP 8.5 Eta-HadGEM2-ES em DJF (linha superior) e JJA (linha inferior). Colunas

da esquerda para a direita: 1 – clima presente (1985-2005, sem o cenário RCP 8.5); 2 – 2015-

2035; 3 – 2045-2065; 4 – 2079-2099. A magnitude das mudanças projetadas é destacada nas

paletas de cores à direita.........................................................................................................107

xiii

Figura 6. Distribuição média da convergência de umidade (mm dia-1) para o clima presente e

a diferença entre os períodos futuros e o clima presente projetada pelo modelo RCP 8.5 Eta-




à direita....................................................................................................................................108

Figura 7. Distribuição média da reciclagem de precipitação (%) para o clima presente e a

diferença entre os períodos futuros e o clima presente projetada pelo modelo RCP 8.5 Eta-




à direita....................................................................................................................................110

Figura 8. Distribuição média da precipitação de origem local (mm dia-1) para o clima

presente e a diferença entre os períodos futuros e o clima presente projetada pelo modelo

RCP 8.5 Eta-HadGEM2-ES em DJF (linha superior) e JJA (linha inferior). Colunas da

esquerda para a direita: 1 – clima presente (1985-2005, sem o cenário RCP 8.5); 2 – 2015-


paletas de cores à direita......................................................................................................... 113

Figura 9. Distribuição média da precipitação de origem advectiva (mm dia-1) para o clima

presente e a diferença entre os períodos futuros e o clima presente projetada pelo modelo

RCP 8.5 Eta-HadGEM2-ES em DJF (linha superior) e JJA (linha inferior). Colunas da

esquerda para a direita: 1 – clima presente (1985-2005, sem o cenário RCP 8.5); 2 – 2015-


paletas de cores à direita......................................................................................................... 113

Figura 10. Média do ciclo anual dos componentes do balanço de umidade e da reciclagem de

precipitação simulado pelo modelo Eta-HadGEM2-ES para o clima presente (1985-2005) e

períodos futuros (2015-2035, 2045-2065 e 2079-2099) utilizando o cenário de emissão RCP

8.5 na bacia amazônica (coluna à esquerda), Amazônia setentrional (coluna central) e

Amazônia meridional (coluna à direita). Linhas de cima para baixo: 1 – precipitação total (P,

mm dia-1); 2 – evapotranspiração da superfície (E, mm dia-1); 3 – convergência de umidade

(+C convergência e -C divergência, mm dia-1); 4 – fluxo de vapor d’água integrado

verticalmente (F, kg m-1 s-1); 5 – reciclagem de precipitação (RP, %); 6 – precipitação de

origem local (Pl, mm dia-1); 7 – precipitaçãode origem advectiva (Pa, mm dia-1)..................118

14

INTRODUÇÃO GERAL

A Amazônia é a única grande extensão contínua de floresta tropical úmida da Terra,

com uma área de aproximadamente 6,5 milhões de km2 que corresponde a 56% das florestas

tropicais do planeta, e desempenha um importante papel nas trocas de energia, umidade e

massa entre a superfície continental e a atmosfera, fornecendo serviços ambientais

fundamentais para a manutenção do clima regional e global, tais como: o armazenamento e a

absorção do excesso de carbono da atmosfera, o transporte de gases traço, aerossóis e vapor

d’água para outras regiões do continente sul-americano e, principalmente, a geração de

chuvas locais por meio da reciclagem de precipitação (Artaxo et al., 2005; Fearnside, 2005;

Marengo, 2006; Malhi et al., 2008; Nobre et al., 2009a,b; Satyamurty et al., 2013).

Considerando o balanço de água, a bacia amazônica se comporta como um sumidouro de

umidade da atmosfera recebendo vapor d’água tanto do transporte de origem oceânica quanto

da evapotranspiração realizada pela própria floresta tropical. No que concerne à circulação

regional, a bacia atua como uma fonte de umidade para o Centro-Sul do Brasil, incluindo a

bacia do Prata, contribuindo para a ocorrência de precipitação nessas regiões (Marengo, 2004,

2005 e 2006; Vera et al., 2006; Correia et al., 2007; Satyamurty et al., 2013).

O conceito de reciclagem de precipitação refere-se ao mecanismo de retroalimentação

“feedback” entre a superfície e a atmosfera em que a evapotranspiração local contribui,

significativamente, para a precipitação total sobre uma região. Em outras palavras, a

reciclagem de precipitação pode ser definida como a quantidade de água que evapotranspirada

da superfície terrestre em uma determinada região retorna na forma de precipitação sobre a

mesma região (Brubaker et al., 1993; Eltahir e Bras, 1994; Trenberth, 1999; Rocha et al.,

2015). Os estudos sobre reciclagem tem demonstrado que o mecanismo é fortemente

influenciado pela precipitação total, evapotranspiração da superfície e pelo transporte de

vapor d’água sobre a região. Utilizando dados observacionais, reanálises e modelos numéricos

de diferentes centros meteorológicos, diversos trabalhos foram realizados com o objetivo de

quantificar e descrever a distribuição da reciclagem de precipitação na bacia amazônica:

Molion (1975) – 56%; Marques et al. (1977) – 50%; Brubaker et al. (1993) – 24%; Eltahir e

Bras (1994) – 25-35%; Trenberth (1999) – 34%; Costa e Foley (1999) – 20%; Nóbrega et al.

(2005) – 24%; Van der Ent et al. (2010) – 28%; Satyamurty et al. (2013) – 30%; entre outros.

Os resultados desses estudos, apesar de apresentarem diferenças quantitativas, demonstram

que o mecanismo de reciclagem é um forte indicador da importância dos processos de

15

superfície e do clima no ciclo hidrológico, assim como da sensibilidade climática relacionada

às alterações nesses processos. Embora a maior parte da umidade necessária para gerar as

chuvas na Amazônia seja proveniente de fora da região (oceanos adjacentes), conforme

verificado em vários estudos na literatura, a contribuição da evapotranspiração local para a

precipitação total sobre a bacia representa uma porção significativa do balanço de água

regional e desempenha um importante papel no ciclo hidrológico amazônico, influenciando os

padrões espaciais de umidade do solo, a produtividade e a ocorrência de eventos extremos,

tais como secas e enchentes (Correia et al., 2007; Rocha et al., 2009; Satyamurty et al., 2013).

A Amazônia é sensível às variabilidades e mudanças no sistema climático devido tanto

às variações naturais (não lineares) inerentes ao próprio sistema quanto às antropogênicas, tais

como: o aumento na concentração dos gases de efeito estufa (GEE) na atmosfera e as

mudanças no uso e cobertura da terra como, por exemplo, desflorestamento, atividades

agrícolas e urbanização (Scholze et al., 2006; Ambrizzi et al., 2007; D’Almeida et al., 2007;

Salazar et al., 2007; Sampaio et al., 2007; Correia et al., 2008; Rocha et al., 2012; Marengo et

al., 2012). Essas ações antropogênicas podem colocar em risco o funcionamento dos

ecossistemas amazônicos, reduzindo a capacidade de capturar o carbono da atmosfera,

aumentando a temperatura à superfície, reduzindo a umidade do solo, enfraquecendo o ciclo

hidrológico regional e, conseqüentemente, afetando a reciclagem de precipitação (Marengo et

al., 2011). Embora os estudos envolvendo reciclagem de precipitação tenham produzido

novos conhecimentos acerca da interação entre os processos de superfície e o ciclo

hidrológico, os efeitos das mudanças climáticas globais nesse mecanismo ainda não estão

completamente compreendidos. Apesar das mudanças projetadas no ciclo hidrológico da

Amazônia ao longo do século XXI pelos modelos globais adotados no Quarto e Quinto

Relatório de Avaliação do Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas – IPCC

(IPCC, 2007; IPCC, 2013) utilizando os cenários de emissões Special Report on Emissions

Scenarios – SRES (Nakicenovic et al., 2000) e Representative Concentration Pathways –

RCPs (IPCC, 2008), respectivamente, assim como pelos cenários regionalizados para a

América do Sul com o modelo regional Eta, do Instituto Nacional de Pesquisas Espacias –

INPE, forçado com o cenário SRES A1B produzido a partir de quatro membros do modelo

global HadCM3 do Met Office Hadley Centre – MOHC (Marengo et al., 2012) e com os

cenários RCPs 4.5 e 8.5 provenientes do modelo do sistema terrestre HadGEM2-ES (Chou et

al., 2014), ainda não se sabe quais as implicações que as mudanças no clima futuro podem

promover na reciclagem de precipitação sobre a bacia amazônica e quais mecanismos físicos

contribuirão para alterar a reciclagem.

16

Diante dos potenciais impactos no ciclo hidrológico da bacia amazônica decorrentes

da mudança do clima global, previstos pelos modelos climáticos, uma importante questão em

pauta na ciência climática é: “De que maneira a mudança do clima, devido ao aumento na

concentração dos gases de efeito estufa na atmosfera, pode afetar o balanço de água e,

principalmente, a reciclagem de precipitação na Amazônia durante o século XXI?”. Esta

Tese foi desenvolvida com o intuito de esclarecer a problemática supracitada por meio de um

estudo observacional, utilizando as reanálises do European Centre for Medium-Range

Weather Forecasts (ECMWF – Era-Interim), e de modelagem numérica com o modelo

regional Eta forçado com o cenário RCP 8.5 proveniente do modelo do sistema terrestre

HadGEM2-ES.

17

OBJETIVOS

Objetivo Geral

O objetivo geral desta Tese foi realizar um estudo observacional e de modelagem para

avaliar os impactos do aumento dos gases do efeito estufa (GEE) na distribuição espaço-

temporal dos componentes do balanço de água e da reciclagem de precipitação na Amazônia.

Para o cálculo da reciclagem utilizou-se métodos fundamentados no balanço de umidade na

atmosfera. Na análise observacional, foram utilizadas as reanálises do European Centre for

Medium-Range Weather Forecasts – ECMWF. Na etapa de modelagem, foram adotados o

modelo regional Eta do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) e cenários de

emissão dos GEE referentes ao clima presente e projeções para o século XXI.

Objetivos Específicos

Investigar a variabilidade espaço-temporal dos componentes do balanço de água e da

reciclagem de precipitação na bacia amazônica para o clima presente e cenários

futuros;

Investigar o papel dos mecanismos físicos que regulam o processo de reciclagem de

precipitação na Amazônia para o clima presente e cenários futuros;

Investigar os potenciais efeitos do aumento na concentração dos gases de efeito estufa

na atmosfera no balanço de água e na reciclagem de precipitação da Amazônia durante

o século XXI.

Esta Tese, em formato de artigo científico, possui quatro capítulos e está estruturada

da seguinte maneira: o Capítulo 1, publicado na Revista Brasileira de Meteorologia com o

título “Reciclagem de precipitação na Amazônia: Um estudo de revisão”, apresenta uma

perspectiva histórica da evolução do conhecimento sobre a reciclagem de precipitação e

fornece uma visão crítica do estado da arte atual. Neste capítulo também são retratadas as

principais fontes de umidade para a precipitação na Amazônia e o transporte de vapor d’água

sobre a América do Sul. Os Capítulos 2 e 3 referem-se à etapa observacional deste estudo,

realizada com as reanálises do ECMWF (Era-Interim) no período de 1980 a 2005 e os

métodos descritos por Brubaker et al. (1993) e Trenberth (1999) – Capítulo 2 – e Eltahir e

Bras (1994) – Capítulo 3 – que quantificam a reciclagem de precipitação na Amazônia tendo

como base o balanço de umidade da atmosfera. O Capítulo 4 refere-se à avaliação dos

18

impactos das emissões antropogênicas dos gases de efeito estufa sobre o balanço de água e a

reciclagem de precipitação na bacia amazônica simulados pelo modelo Eta-HadGEM2-ES ao

longo do século XXI. O método descrito por Brubaker et al. (1993) e Trenberth (1999) para

estimar a reciclagem é utilizado neste capítulo. Ao final, dispõe-se uma síntese dos resultados

obtidos em todos os capítulos, e também se apresentam sugestões para pesquisas futuras

associadas a temática.

19

CAPÍTULO 1

Rocha, V.M.; Correia, F.W.S.; Fonseca, P.A.M. 2015.

Reciclagem de precipitação na Amazônia: Um estudo de

revisão. Revista Brasileira de Meteorologia 30(1): 59-70.

20

RECICLAGEM DE PRECIPITAÇÃO NA AMAZÔNIA: UM ESTUDO

DE REVISÃO

PRECIPITATION RECYCLING IN THE AMAZON: A REVIEW STUDY

Vinícius Machado Rocha*1

Francis Wagner Silva Correia2

Paula Andrea Morelli Fonseca1 1Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia (INPA), Escritório Central do LBA – Campus 2. Avenida André Araújo, 2.936, Bairro Petrópolis, CEP: 69067375 - Manaus, AM. 2Universidade do Estado do Amazonas (UEA), Escola Superior de Tecnologia (EST). Av. Darcy Vargas, 1200, Bairro Parque 10 de Novembro, CEP: 69065020 - Manaus, AM. *Autor para correspondência: Vinícius Machado Rocha, e-mail: [email protected]

Resumo:

Este artigo traz uma perspectiva histórica da evolução do conhecimento sobre a reciclagem de

precipitação e fornece uma visão crítica do estado da arte atual. São retratadas as principais

fontes de umidade para a precipitação na Amazônia e o transporte de vapor d’água sobre a

América do Sul. A quantificação do mecanismo de reciclagem é um indicador da importância

dos processos de superfície e do clima no ciclo hidrológico, assim como da sensibilidade

climática relacionada às alterações nesses processos. Os aspectos climatológicos da

reciclagem na América do Sul mostram que a contribuição advectiva é mais importante para a

precipitação sobre a Amazônia e o Nordeste do Brasil, ao passo que na região Centro-Sul a

contribuição local tem importante papel na precipitação. Estima-se que a reciclagem de

precipitação na Amazônia é da ordem de 20-35%. A advecção de umidade domina o

fornecimento de vapor d’água em grande parte da região amazônica, entretanto, o papel da

evapotranspiração local na reciclagem é mais importante no setor sul da bacia. Embora os

estudos sobre reciclagem tenham produzido novos conhecimentos acerca da interação entre os

processos de superfície e o ciclo hidrológico, os efeitos das mudanças climáticas globais nesse

mecanismo ainda não estão completamente compreendidos.

Palavras-chave: Amazônia; reciclagem de precipitação; transporte de umidade; balanço de

água; interação biosfera-atmosfera.

Recebido em 17 de março de 2014.

Aceito em 21 de julho de 2014.

Abstract:

This paper constitutes a historical perspective in the evolution of the knowledge on

precipitation recycling and provides a critical view on the current state-of-the-art. The main

sources of moisture for Amazon rainfall and the transport of water vapor over South America

are described. The recycling mechanism quantification is an indicator of the importance of the

land-surface processes and climate to the hydrological cycle, as well as climate sensitivity

associated to changes in these processes. The climatological aspects of the recycling

precipitation over South America shows that the advective contribution is more important for

the precipitation over the Amazon basin and Brazil’s Northeast, while in the Central-South

region the local contribution plays an important role in the precipitation. It is estimated that

the precipitation recycling in Amazon basin is 20-35%. Over the Amazon, advection of

moisture dominates the supply of atmospheric water vapor over much of the river basin but

local evaporation is much more prominent over the southern region. Although the

21

precipitation recycling studies have produced new information concerning the interaction

between the land-surface processes and hydrological cycle, the effects of global climate

change in this mechanism are not yet fully understood.

Keywords: Amazon Basin; precipitation recycling; moisture flux; water budget; biosphere-

atmosphere interaction.

1. Introdução

A Amazônia é a única grande extensão contínua de floresta tropical úmida do mundo. Com

uma área de aproximadamente 6,5 milhões de km2, que corresponde a 56% das florestas

tropicais da Terra, a Amazônia desempenha um importante papel nas trocas de energia,

umidade e massa entre a superfície continental e a atmosfera, fornecendo serviços ambientais

fundamentais para a manutenção do clima regional e global, tais como: o armazenamento e

absorção do excesso de carbono da atmosfera, o transporte de gases traço, aerossóis e vapor

d’água para regiões remotas e, principalmente, a reciclagem de precipitação. A floresta

amazônica também atua como uma das fontes indispensáveis de calor para a atmosfera global

por meio de sua intensa evapotranspiração e liberação de calor latente de condensação na

média e alta troposfera em nuvens convectivas tropicais, contribuindo na geração e

manutenção da circulação atmosférica em escalas regional e global (Fisch et al., 1998; Rocha,

2001; Artaxo et al., 2005; Fearnside, 2005; Marengo, 2006; Malhi et al., 2008; Nobre et al.,

2009a,b; Satyamurty et al., 2013).

No que se refere ao balanço de água, a bacia amazônica comporta-se como um sumidouro de

umidade da atmosfera (precipitação maior que evapotranspiração), recebendo vapor d’água

tanto do transporte de origem oceânica quanto da evapotranspiração produzida pela própria

floresta tropical. Com relação à circulação regional, a Amazônia representa uma importante

fonte de umidade para o Centro, Sudeste e Sul do Brasil, assim como para o norte da

Argentina, incluindo a bacia do Prata, contribuindo para a ocorrência de precipitação nessas

regiões (Marengo et al. 2004, Marengo, 2004, 2005 e 2006; Vera et al., 2006; Correia et al.,

2007; Satyamurty et al., 2013). Nesse sentido, Arraut e Satyamurty (2009) mostraram que a

atividade convectiva sobre o sul do Brasil e norte da Argentina é influenciada pelo transporte

de umidade através da fronteira sul da bacia amazônica, realizado pelos Jatos de Baixos

Níveis (JBNs) a leste dos Andes.


“feedback” entre a superfície e a atmosfera onde a evapotranspiração local contribui,

significativamente, na precipitação total sobre uma região (Figura 1). Em outras palavras, a

reciclagem de precipitação pode ser definida como a quantidade de água que evapotranspirada

da superfície terrestre em uma determinada região retorna na forma de precipitação sobre a

mesma região (Brubaker et al., 1993; Eltahir e Bras, 1994; Trenberth, 1999).

22

Figura 1: Modelo conceitual de reciclagem de precipitação. Os termos Pm e Pa referem-se às

taxas de precipitação provenientes da evapotranspiração e do vapor d’água advectados para a

região, respectivamente; Fin e Fout são os fluxos de vapor d´água que entra e sai da região

considerada, respectivamente; E é a taxa de evapotranspiração e W é o armazenamento de

água na atmosfera (água precipitável). Fonte: Adaptado de Brubaker et al. (1993).

Com base na interpretação de dados observacionais, de reanálises e de modelos numéricos de

diferentes centros meteorológicos, diversos estudos foram realizados com o objetivo de

quantificar e descrever a distribuição da reciclagem de precipitação na bacia amazônica:

Molion (1975) – 56%; Marques et al. (1977) – 50%; Brubaker et al. (1993) – 24%; Eltahir e

Bras (1994) – 25-35%; Trenberth (1999) – 34%; Costa e Foley (1999) – 20%; Nóbrega et al.

(2005) – 24%; Silva (2009) – 27%; Van der Ent et al. (2010) – 28%; e Satyamurty et al.

(2013) – 30%. Os resultados desses estudos, apesar de apresentarem diferenças quantitativas,

demonstram que a quantificação desse mecanismo (reciclagem de precipitação) é um forte

indicador da importância dos processos de superfície e do clima no ciclo hidrológico, assim

como da sensibilidade climática relacionada às alterações nesses processos.

Este artigo traz uma perspectiva histórica da evolução do conhecimento sobre a reciclagem de

precipitação, abordando os mecanismos de retroalimentação envolvidos nesse processo, e

fornece uma visão crítica do estado da arte atual. São retratadas as características do clima da

Amazônia no que concerne às principais fontes de umidade para a precipitação regional,

assim como o transporte de vapor d’água sobre a América do Sul. Uma revisão dos estudos

observacionais e de modelagem numérica com o objetivo de quantificar e avaliar a reciclagem

de precipitação na Amazônia e em outras regiões do planeta é apresentada.

2. Fontes de umidade para a Amazônia e o transporte de vapor

d’água sobre a América do Sul

A grande maioria dos estudos sobre reciclagem de precipitação tem demonstrado que este

mecanismo é fortemente influenciado pela precipitação total, pela evapotranspiração da

superfície e pelo transporte de vapor d’água sobre a região.

O fluxo de umidade do Atlântico Equatorial associado com os ventos alísios é a principal

fonte de umidade para a Amazônia (Costa e Foley, 1999; Arraut e Satyamurty, 2009; Arraut

23

et al., 2012; Satyamurty et al., 2013). Avaliando o transporte de vapor d’água e a reciclagem

de precipitação na Amazônia utilizando dados de reanálises do National Center for

Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research – NCEP/NCAR (Kalnay

et al. 1996), Satyamurty et al. (2013) mostraram que: as fontes de umidade para a bacia

amazônica estão localizadas no Oceano Atlântico Tropical Norte e Sul; o transporte de

umidade que alimenta a bacia ocorre de leste para oeste durante todas as estações do ano; e a

reciclagem de precipitação, por meio da evapotranspiração, é estimada em cerca de 33% no

período chuvoso e apresenta valores menores na estação seca.

Drumond et al. (2014) utilizaram um modelo Lagrangiano (FLEXPART) e as reanálises

ERA-Interim no período de 1979-2012 para investigar o papel da umidade da bacia

amazônica no balanço hidrológico regional ao longo do ano. Os resultados obtidos indicam

que o Atlântico Tropical é a principal fonte de umidade para a Amazônia. O Atlântico

Tropical Norte contribui principalmente durante o verão austral, enquanto que a contribuição

do Atlântico Tropical Sul prevalece no restante do ano. Durante eventos de El Niño, a

contribuição do Atlântico Norte aumenta superficialmente entre junho-janeiro, ao passo que a

contribuição do Atlântico Sul é maior no outono do ano seguinte.

Drumond et al. (2008) investigaram as principais fontes de umidade para o Brasil Central e a

bacia do Prata num período médio de 5 anos (2000-2004), utilizando um método Lagrangiano

que identifica as contribuições de umidade no balanço de água de uma região. Os resultados

encontrados revelam a importância do Atlântico Tropical Sul, enquanto fonte de umidade

para o Brasil Central, assim como, da reciclagem de precipitação para a bacia do Prata,

sobretudo durante o verão austral. Ademais, o Atlântico Tropical Norte é também considerado

uma fonte adicional de umidade para ambas as regiões. Doyle e Barros (2002) verificaram

que a circulação associada à parte oeste da Alta Subtropical do Atlântico Sul transporta vapor

d’água do Oceano Atlântico Sul para a América do Sul Subtropical.

O papel climatológico do Oceano Atlântico Norte Subtropical como fonte de umidade para a

Amazônia foi discutido por Gimeno et al. (2012 e 2013), que avaliaram a influência das

regiões oceânicas na precipitação continental. De acordo com os autores, o Oceano Atlântico

Norte Subtropical fornece umidade para a precipitação em uma grande área continental, que

se estende do México até partes da Eurásia e, até mesmo, para o continente sul-americano

durante o inverno boreal.

A bacia amazônica também se comporta como fonte de vapor d’água para outras regiões,

fornecendo umidade predominantemente para o sudeste da América do Sul, região Central e

Sudeste do Brasil, e bacia do Prata, e principalmente nos meses de primavera e verão

(Marengo, 2005; Drumond et al., 2008; Arraut e Satyamurty, 2009). A umidade fornecida a

partir da evapotranspiração da Amazônia é transportada pelos ventos predominantes, e a

precipitação decorrente da evapotranspiração aumenta de nordeste para sudoeste na bacia

(Eltahir e Bras, 1994). Parte da umidade é interceptada pela Cordilheira dos Andes e

transportada através dos JBNs, a leste da cadeia de montanhas, para a bacia do Prata, sendo

que 70% da precipitação nesta região é de origem terrestre; isto significa que, a

evapotranspiração com origem na Amazônia tem uma contribuição significativa sobre os

recursos hídricos na bacia do Prata (Van der Ent et al., 2010). Ademais, segundo Drumond et

al. (2014), o transporte de umidade da Amazônia em direção ao sudeste da América do Sul

aumenta durante anos cujo fenômeno El Niño é configurado.

Os JBNs ocorrem com frequência em muitas partes do mundo. Estes ventos de máxima

velocidade nos baixos níveis da atmosfera são importantes no que concerne aos fluxos

verticais e horizontais de temperatura e umidade, e estão associados com o desenvolvimento e

a evolução da convecção profunda. Uma vez que a convecção profunda é ativada, uma

24

quantidade significativa de nebulosidade é produzida, sobretudo nos níveis superiores, e isto é

responsável por parte da precipitação sobre a América do Sul durante o verão. A relação entre

JBNs e convecção profunda sugere que os JBNs exercem um importante papel na manutenção

do clima regional (Stensrud, 1996).

Marengo et al. (2004) desenvolveram uma climatologia do JBN da América do Sul (Figura 2),

a leste dos Andes, utilizando os campos de umidade e circulação provenientes das reanálises

do NCEP-NCAR no período de 1950-2000 e observações de ar superior realizadas sobre a

Bolívia e o Paraguai desde 1998. Os campos de circulação nos níveis alto e baixo da

atmosfera foram derivados das médias sazonais e os compostos do JBN durante as estações de

verão e inverno. No que concerne às características da circulação regional, durante o verão os

compostos do JBN mostram o aumento no transporte de umidade meridional em baixos níveis

proveniente da América do Sul Equatorial, bem como, um trem de ondas em altos níveis

oriundo da parte oeste do Oceano Pacífico propagando-se para o continente sul americano. A

intensificação do JBN no verão austral associa-se ao estabelecimento de uma crista em altos

níveis no sul do Brasil e um cavado sobre grande parte da Argentina. As anomalias de

circulação nos níveis superior e inferior da atmosfera sugerem que a intensificação do JBN

afeta a Zona de Convergência do Atlântico Sul (ZCAS), intensificando-a e, posteriormente, a

penetração de frentes frias produz chuvas intensas na região de saída do jato, contribuindo

para a formação dos Complexos Convectivos de Mesoescala (CCM).

Figura 2: Modelo conceitual do jato de baixos níveis (JBN), a leste dos Andes, que transporta

umidade da Amazônia (flecha azul) e do oceano Atlântico subtropical (flecha verde). Fonte:

Marengo et al. (2004).

25

Com relação à variabilidade temporal, o JBN da América do Sul parece ocorrer durante todo

o ano, transportando massas de ar úmida tropical da Amazônia para o centro-sul do Brasil e

norte da Argentina, sobretudo no verão, e conduzindo massa de ar tropical marítima da alta

subtropical do Atlântico mais frequentemente no inverno. No verão, os JBNs são observados

principalmente ao norte de 20°S, aproximadamente, enquanto que ao sul eles parecem ocorrer

durante o ano todo. Em escalas de tempo interanual, embora exista uma fraca tendência para

fortes e mais frequentes episódios de JBN durante o verão em anos com águas superficiais

aquecidas anomalamente no Pacífico Tropical, não é possível afirmar que há uma relação

consistente entre a ocorrência de eventos de El Niño e o número e/ou intensidade de episódios

de JBN (Marengo et al., 2004).

Grande parte do vapor d’água, transportado meridionalmente através das latitudes médias,

ocorre por meio de corredores estreitos denominados Rios Atmosféricos (RAs) (Zhu e

Newell, 1998). Em outras palavras, o conceito de RAs remete-se às principais vias do fluxo

de umidade na atmosfera. Ao contrário dos rios de superfície, os rios atmosféricos ganham

(perdem) água por meio da evaporação (precipitação) (Arraut et al., 2012). Conforme salienta

Gimeno et al. (2014), os RAs são caracterizados pelo alto conteúdo de vapor d’água e ventos

fortes em baixos níveis (um JBN), e formam uma parte do extenso cinturão de correntes

quentes dos ciclones extratropicais que desempenham um importante papel no transporte de

calor sensível e latente em direção aos polos, para equilibrar a contribuição de outros

componentes do ciclone que transportam relativamente ar frio e seco para o equador.

Arraut et al. (2012) realizaram um estudo observacional do transporte de umidade em larga

escala sobre a América do Sul e sua relação com a precipitação subtropical. De acordo com os

autores, os ventos de leste (alísios) sobre a Amazônia juntamente com o fluxo norte/noroeste

para as regiões subtropicais, a leste dos Andes, constituem os RAs da América do Sul (Figura

3). Outrossim, definido pelos autores, os lagos atmosféricos são os setores da via de umidade

onde o fluxo desacelera e se alarga, devido à difluência, tornando-se mais profundo e com

maior água precipitável. Este é o caso sobre a Amazônia, região a jusante da confluência dos

ventos alísios. A descarga do RA nos subtrópicos é comparável à do Rio Amazonas. As

variações na quantidade de umidade proveniente da Amazônia tem um efeito importante na

variabilidade da descarga. No entanto, as correlações entre o fluxo oriundo da Amazônia e a

precipitação subtropical não são fortes.

26

Figura 3: Modelo conceitual do sistema de lagos e rios atmosféricos (RAs) sobre a América

do Sul na estação chuvosa. Fonte: Arraut et al. (2012).

O transporte de umidade das fontes oceânicas para os continentes estabelece a conexão entre a

evaporação oceânica e a precipitação continental. Um estudo detalhado deste transporte pode

fornecer uma melhor compreensão, tanto das mudanças observadas, quanto de alguma

evidência física para sustentar os resultados de projeções do clima futuro (Gimeno et al.,

2012). Cenários de mudanças climáticas sugerem que a alta sensibilidade da pressão de

saturação do vapor d’água à temperatura resultará em aumentos na evaporação e, portanto, na

precipitação, conduzindo a intensificação do ciclo hidrológico (Held e Soden, 2006). Nesse

sentido, Gimeno et al. (2013) investigaram duas questões chaves referentes ao ramo

atmosférico do ciclo hidrológico que, ainda, permanecem uma incógnita: (1) de que maneira

as mudanças climáticas afetam o transporte de umidade? e, em especial, (2) de que modo as

possíveis alterações na intensidade e localização das fontes poderiam afetar a distribuição da

precipitação continental num clima em mudança?. Os autores utilizaram um conjunto de

simulações de multi-modelos (multimodel ensemble) que permitiu delimitar as regiões

oceânicas onde as mudanças climáticas provavelmente conduzirão o aumento na evaporação

(E) menos precipitação (P). Um modelo Lagrangiano foi utilizado para identificar quais

regiões continentais serão afetadas pelas mudanças na precipitação (E – P < 0) proveniente de

cada fonte de umidade oceânica. De acordo com os resultados, durante o inverno boreal

grande parte da Europa, Ásia, Oriente Médio, América do Sul e África Meridional é afetada,

porém a América do Norte surge como a região continental mais impactada. No inverno

austral, as mudanças mais pronunciadas ocorrem, sobretudo, na América Central e do Norte.

Outra importante questão científica que necessita de melhor entendimento é o papel

desempenhado pela Oscilação do Atlântico Norte e pelo El Niño-Oscilação Sul na

27

variabilidade das regiões fontes de umidade, bem como uma avaliação detalhada da umidade

transportada pelos JBNs e os RAs.

3. Mecanismos de retroalimentação do processo de reciclagem de

precipitação

A umidade que origina a precipitação sobre regiões continentais é proveniente de duas fontes:

(i) advecção de vapor d’água oriundo de outras regiões por meio de movimentos de massas de

ar e (ii) o vapor d’água local por meio da evapotranspiração da superfície da região.

A reciclagem de precipitação é definida como a água que evapora da superfície continental

dentro de um volume de controle e precipita no mesmo volume (Brubaker et al.,1993), ou

como o índice da razão da precipitação reciclada em relação à precipitação total, e tem por

característica uma relação não linear entre a evapotranspiração, o transporte de umidade e a

precipitação total em uma região. O transporte de umidade para a região depende da dinâmica

atmosférica e das fontes de origem da umidade. A evapotranspiração, por sua vez, depende da

disponibilidade de umidade na área ou abaixo da superfície (zona insaturada), que é

evaporada diretamente ou através da transpiração da vegetação. Consequentemente, qualquer

alteração no uso e cobertura da terra e no clima que modifiquem esses processos pode afetar a

quantidade de precipitação sobre a região, assim como a reciclagem.

Por meio de estudos observacionais e de experimentos numéricos sabe-se que a

evapotranspiração da superfície tem dois efeitos:

1. A evapotranspiração aumenta a umidade atmosférica, o que favorece mais

precipitação. Dados observacionais sobre a Amazônia e outras regiões (Eltahir e Bras,

1994; Trenberth, 1999) mostram uma contribuição significativa da evapotranspiração

local para a umidade atmosférica. A importância relativa depende da quantidade de

umidade advectada para a região, isto é, a evapotranspiração terá efeito pronunciado

quando a umidade advectada for pequena. Bosilovich e Schubert (2001) calcularam

uma taxa de reciclagem de precipitação 20% menor sobre a região central dos Estados

Unidos durante a inundação de 1993, quando uma grande quantidade de umidade foi

advectada para a região. Esta taxa é maior que 60% durante o mesmo mês no ano seco

de 1988, associada com menores quantidades de umidade advectada;

2. A evapotranspiração altera a termodinâmica da coluna vertical de água, favorecendo

precipitações futuras. Maior evapotranspiração (associada com solos úmidos) reduz

tanto o albedo da superfície, quanto a razão de Bowen (Brutsaert, 1982). Isto resulta

em maior saldo de radiação à superfície e aumento na transferência de calor para a

atmosfera, o que implica em aumento na energia estática úmida da camada limite. A

energia estática úmida desempenha um importante papel na dinâmica das tempestades

convectivas locais, o que fortalece a circulação de monção em grande escala (Schar et

al., 1999; Eltahir, 1998).

Gimeno et al. (2012) identificaram as principais fontes de umidade atmosférica, tanto

oceânicas quanto terrestres, em escala global. Os autores avaliaram como as áreas

continentais são influenciadas pela água de diferentes regiões fontes de umidade. Segundo os

autores, algumas porções continentais somente recebem umidade da evaporação que ocorre

no mesmo hemisfério (por exemplo, a Europa Setentrional e a América do Norte Oriental);

28

enquanto que outras regiões são abastecidas de umidade de ambos os hemisférios, com

grandes variações sazonais, tais como a América do Sul Setentrional, incluindo a bacia

amazônica.

Drumond et al. (2011) investigaram o papel das águas quentes do Hemisfério Ocidental

Tropical (Tropical Western Hemisphere Warm Pool – WHWP) no fornecimento de umidade

para a atmosfera no decorrer do ciclo anual a fim de identificar as regiões que podem ser

afetadas pela precipitação cuja origem encontra-se nesta fonte. Utilizando o modelo

Lagrangiano FLEXPART e as condições médias mensais no período de 2000-2004, os

autores mostraram a contribuição da WHWP para os regimes de precipitação sobre o leste da

América do Norte, Atlântico Norte e na Zona de Convergência Intertropical (ZCIT),

considerada o mais importante sistema meteorológico de chuva para a região tropical,

sobretudo na Amazônia (Marengo e Nobre, 2009).

Embora a maior parte da umidade necessária para gerar as chuvas na Amazônia seja

proveniente de fora da região, a contribuição da evapotranspiração local para a precipitação

sobre a bacia representa uma porção significativa do balanço de água regional e desempenha

um importante papel no ciclo hidrológico amazônico, influenciando os padrões espaciais de

umidade do solo, a produtividade e a ocorrência de eventos extremos, tais como enchentes e

secas (Correia et al., 2007; Rocha et al., 2009; Satyamurty et al., 2013). O papel da vegetação

no abastecimento do transporte de umidade sobre a Amazônia foi discutido por Spracklen et

al. (2012). Os autores observaram que a massa de ar que passa sobre áreas de floresta densa

produz, pelo menos, o dobro de chuva em comparação ao ar que passa sobre superfícies com

pouca vegetação.

Angelini et al. (2011) quantificaram a extensão do acoplamento entre a vegetação e a

atmosfera sobrejacente utilizando dados climatológicos referentes à emissividade, temperatura

do ponto de orvalho, e os registros históricos de precipitação e cobertura florestal, dentre

outros. A partir da análise isotópica da precipitação, os autores encontraram que a chuva na

Amazônia ocorre, a princípio, devido a sistemas meteorológicos de grande escala, não sendo

acionada diretamente pela evapotranspiração local. De acordo com o estudo, alterações na

cobertura vegetal influenciam a temperatura e o conteúdo de umidade à superfície, assim

como a camada limite atmosférica, mas não se refletem em mudanças na precipitação; o que

significa, segundo os autores, que as mudanças na precipitação sobre grandes áreas

continentais são um produto de processos complexos apenas parcialmente influenciados, mas

não controlados, pelas fontes de água locais e/ou a vegetação.

As transições de fase da água na atmosfera desempenham um importante papel no sistema

climático terrestre, mas seu impacto direto na dinâmica atmosférica necessita de grande

atenção. Nesse sentido, Makarieva et al. (2013) avaliaram como a condensação influencia a

pressão atmosférica através da remoção da massa da água a partir da fase gasosa com um

balanço simultâneo da liberação do calor latente. Os autores mostraram que a condensação

está associada com uma diminuição da pressão do ar na baixa atmosfera. Esta diminuição

ocorre até certa altura, que varia de 3 a 4 km para temperaturas de superfície de 10º a 30ºC.

Makarieva et al. (2013) estimaram as diferenças de pressão horizontal associadas com a

condensação do vapor d’água e encontraram que estes são comparáveis em magnitude com as

diferenças de pressão conduzidas pelos padrões de circulação observados. O vapor d’água

fornecido para a atmosfera através da evaporação representa um estoque de energia potencial

disponível para acelerar o ar e, assim, conduzir ventos. Os resultados encontrados sugerem

ainda que a potência média global em que esta energia potencial é liberada pela condensação

é de, aproximadamente, 1% da energia solar global, isto é semelhante à energia dissipativa

estacionária da circulação geral da atmosfera.

29

4. Reciclagem de precipitação: estudos observacionais e de

modelagem numérica

Vários estudos observacionais e de modelagem numérica têm sido realizados com o objetivo

de avaliar a reciclagem de precipitação em diferentes regiões do planeta, como os de Budyko

(1974), Molion (1975), Marques et al. (1977), Brubaker et al. (1993), Eltahir e Bras (1994 e

1996), Savenije (1995), Trenberth (1999), Costa e Foley (1999), Bosilovich e Schubert

(2001), Nóbrega et al. (2005), Silva (2009), Van der Ent et al. (2010) e Satyamurty et al.

(2013).

Diversos trabalhos realizados anteriormente estimaram diferentes taxas de reciclagem de

precipitação sobre uma mesma região. Isto ocorre, dentre outros fatores, devido ao método

utilizado para quantificar a reciclagem de precipitação e a fonte de dados utilizados, e também

a estação do ano considerada no estudo. Bosilovich e Schubert (2001), utilizando as reanálises

do National Aeronautics and Space Administration Goddard Earth Observing System (GEOS-

1) e dois métodos distintos baseados no balanço de umidade, calcularam em dois diferentes

episódios de verão a taxa de reciclagem de precipitação sobre a região central dos Estados

Unidos. Os autores encontraram uma taxa de reciclagem de 25% e 36% a partir dos métodos

descritos por Brubaker et al. (1993) e Eltahir e Bras (1996), respectivamente.

A Tabela 1 apresenta uma comparação entre alguns dos resultados encontrados na literatura

referentes à reciclagem de precipitação anual em diferentes regiões do planeta. A localização

aproximada das regiões pode ser consultada na Figura 4.

Figura 4: Regiões onde a reciclagem de precipitação, apresentada na Tabela 1, foi calculada.

Fonte: Mohamed e Savenije (2002).

b

30

Tabela 1: Média anual da reciclagem de precipitação sobre diferentes regiões.

Bacia Amazônia Mississipi África Ocidental Eurásia Método e dados

Budyko (1974) 11% Modelo unidimensional de Budyko e dados observados

de várias fontes.

Molion (1975) e

Marques et al. (1977)

56%

50%

Observações de precipitação, vazões dos rios e dados de

radiossondagem.

Brubaker et al. (1993) 24% 24% 31% 11% Modelo de Budyko reformulado em duas dimensões e

dados observados.

Eltahir e Bras (1994) 25%

35%

Modelo numérico bi-dimensional e duas fontes de dados:

ECMWF1 (25%) e GFDL2 (35%).

Savenije (1995)

63%

Modelo numérico unidimensional e dados observados de

chuva e escoamento superficial, apenas na estação

chuvosa.

Trenberth (1999)

34%

21%

Modelo de Brubaker et al. (1993) com base na escala de

comprimento L. Na Amazônia L é 2750 km e no

Mississipi L é 1800 km. Dados do CMAP3, NVAP4 e

NCEP5.

Costa e Foley (1999)

20%

Modelo derivado de Eltahir e Bras (1994), cálculo do

fluxo de entrada do vapor d’água em cada célula de

grade e utilizando as reanálises do NCEP/NCAR (1976-

1996).

Nóbrega et al. (2005) 24% Modelo de Trenberth (1999) e as reanálises

NCEP/NCAR (1978-1998).

Silva (2009) 27% Modelo de Brubaker et al. (1993) e as reanálises do

NCEP/NCAR (1979-2007).

Van der Ent et al. (2010) 28% 27% 45% 28% Reanálises do ECMWF (ERA-Interim, 1999-2008).

Satyamurty et al. (2013) 30% Reanálises do NCEP/NCAR (1978-2010).

1European Centre for Medium-Range Weather Forecasts. 2Geophysical Fluid Dynamics Laboratory. 3Climate Prediction Center Merged Analysis of Precipitation. 4NASA Water Vapor Project. 5National Centers for Environmental Prediction.

31

Budyko (1974) desenvolveu um modelo unidimensional para estimar a contribuição da

evapotranspiração local e umidade advectada na precipitação sobre grandes regiões. O autor

definiu β como a razão entre a precipitação total e a precipitação que é originada devido à

umidade advectada. Calculando β para a Eurásia, o autor estimou que a contribuição local

para a precipitação média anual sobre a região foi de apenas 11%.

Os estudos sobre o balanço de umidade na região amazônica foram inicialmente realizados

com observações de precipitação, vazões dos rios e dados de algumas poucas estações de

radiossondagem. Esses estudos mostraram que, em média, 50% da precipitação é reciclada e

volta à atmosfera por meio da evapotranspiração (Molion, 1975; Marques et al., 1977).

Outrossim, as pesquisas pioneiras consideraram que toda a evapotranspiração na bacia era

transformada em precipitação na própria região.

No entanto, com base no estudo do balanço dos isótopos de O18 do vapor d’água que entra na

região e nas águas do Rio Amazonas, Salati et al. (1979) estimaram que grande parte do vapor

que entra na região pelos ventos alísios é transportado para fora da bacia e contribui para a

geração de precipitação em outras regiões. De acordo com os autores, esse fluxo de umidade é

da ordem de 3 a 5 1012 m3 ano-1 e parte desse vapor d’água dirige-se para a região Centro-

Sul do continente sul-americano.

Brubaker et al. (1993) adaptaram o modelo desenvolvido por Budiko (1974) em duas

dimensões, com fluxos de umidade entrando e saindo em um volume de controle. Utilizando

dez anos de dados observados de vento e umidade do Geophysical Fluid Dynamics

Laboratory (GFDL) – National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), os autores

determinaram a convergência de vapor d’água atmosférico e a fração da precipitação que tem

origem local, sobre quatro regiões continentais: Eurásia, África, América do Norte e

Amazônia. De acordo com os resultados obtidos, os autores verificaram que a contribuição da

evapotranspiração para a precipitação local varia sazonal e localmente. A reciclagem média

anual determinada para as quatro regiões foram: Eurásia – 11%; América do Norte – 24% e

África Ocidental– 31%. Na Amazônia, os valores máximo (32%) e mínimo (14%) foram

estimados nos meses de dezembro e junho, respectivamente.

Eltahir e Bras (1994) desenvolveram um modelo numérico bi-dimensional e utilizaram dados

de reanálises (ECMWF e GFDL) para quantificar a reciclagem de precipitação na bacia

amazônica. Os resultados encontrados revelaram uma reciclagem média anual da ordem de

25% e 35% de acordo com os dados do ECMWF e do GFDL, respectivamente. A distribuição

espacial da reciclagem de precipitação apresentou diferenças significativas. A razão máxima

de reciclagem foi identificada no setor sudoeste da bacia, com índices superiores a 50%.

Savenije (1995) utilizou um modelo unidimensional para calcular a reciclagem de

precipitação em Sahel (África Ocidental) com base em dados observacionais de chuva e

escoamento superficial no período de 1950-1990. Segundo o autor, a evapotranspiração é o

mais importante mecanismo de retroalimentação “feedback”, que sustenta as chuvas em

bacias continentais, especialmente em regiões semiáridas. A reciclagem no Sahel é

responsável por mais de 90% da precipitação na estação chuvosa; contudo, o valor encontrado

é considerado superestimado, uma vez que a umidade no modelo proposto por Savenije

(1995) não deixa a região através da atmosfera, mas apenas pelo escoamento superficial

“runoff”.

Trenberth (1999) utilizou o modelo proposto por Brubaker et al. (1993) e os dados do CMAP,

NVAP e reanálises do NCEP/NCAR, no período de 1979-1995, para avaliar a distribuição

espacial e sazonais na reciclagem de precipitação em escala global. Os resultados encontrados

mostram que o valor da reciclagem de precipitação depende da escala de comprimento L

considerada. Na Amazônia, a forte advecção de umidade domina o fornecimento de vapor

32

d’água em grande parte da região, porém, o papel da evapotranspiração local é mais

importante sobre o setor sul da bacia. Considerando o ciclo anual, cerca de 34% da

precipitação é reciclada localmente. Entretanto, para a bacia do Mississipi, a reciclagem de

precipitação estimada é da ordem de 21%.

Também utilizando as reanálises do NCEP/NCAR, a reciclagem de precipitação na Amazônia

foi estimada por Costa e Foley (1999) – 20%; Nóbrega et al. (2005) – 24%; Silva (2009) –

27% e Satyamurty et al. (2013) – 30%. Um resumo desses estudos sugere que: (a) os fluxos

de vapor d’água do Atlântico Equatorial associados aos ventos alísios são as principais fontes

de umidade para a bacia amazônica; (b) admitindo-se que o Atlântico Norte seja a única fonte

de umidade, é impossível explicar o padrão das chuvas na Amazônia, o que ressalta o papel

da floresta na reciclagem de precipitação; e (c) a Amazônia é a principal fonte de umidade

para o Brasil Central no período de setembro a fevereiro (Marengo e Nobre, 2009).

Costa e Foley (1999) analisaram a variabilidade dos componentes do balanço de umidade na

bacia para o período de 1976-1996. Os autores observaram que existe uma tendência de

diminuição no transporte de vapor d’água, tanto o que entra, quanto o que sai, sobre a

Amazônia. Essa tendência está associada com o “enfraquecimento” dos ventos alísios de

sudeste, assim como do gradiente de pressão leste-oeste, e com o aquecimento da temperatura

da superfície do mar (TSM) no Atlântico equatorial sul. Enquanto o transporte atmosférico de

vapor d’água através da Amazônia reduziu, a reciclagem de precipitação no interior da bacia

aumentou.

Nóbrega et al. (2005) analisaram os campos do fluxo de vapor d’água, evapotranspiração e

precipitação no período entre 1978-1998 para investigar a variabilidade sazonal e interanual

da reciclagem de precipitação sobre a América do Sul. Os resultados encontrados indicaram

valores de reciclagem relativamente pequenos sobre a Amazônia e o Nordeste do Brasil, e

maiores na parte central da América do Sul, com núcleos de até 50% durante o verão. De

acordo com os autores, os aspectos climatológicos da reciclagem de precipitação sobre a

América do Sul mostram que a contribuição advectiva é mais importante para a precipitação

sobre a Amazônia e o Nordeste do Brasil, ao passo que na região Centro-Sul a contribuição

local tem importante papel na precipitação. A reciclagem média anual verificada sobre a bacia

amazônica foi da ordem de 24%, com valor mínimo (21%) no bimestre junho-julho e máximo

(27%) no mês de novembro.

Silva (2009) avaliou a reciclagem e a precipitação de origem externa em seis regiões distintas

da América do Sul para o período de 1979-2007, conforme o modelo desenvolvido por

Brubaker et al. (1993). Os campos sazonais da precipitação de origem externa sobre a porção

norte da América do Sul indicam contribuição dominante da umidade de leste, principalmente

durante o inverno. Por outro lado, a maior parte da precipitação que ocorre sobre o Centro-

Oeste e Sudeste do Brasil deve-se à umidade proveniente do leste e do norte. Sobre o sul da

América do Sul, a maior contribuição para a precipitação é proveniente da umidade vinda do

oeste. Na Amazônia setentrional (central), verificou-se que 77% (73%) da precipitação é

proveniente de umidade externa e 23% (27%) de origem local; na região Centro-Oeste, 36%

da precipitação é de origem externa e 64% é gerada localmente; no Sudeste do Brasil, 30% da

precipitação é de origem externa e cerca de 70% é local; na bacia do Prata, aproximadamente

55% da precipitação é de origem externa e 45% é gerada localmente.

Van der Ent et al. (2010) demonstraram o quão importante é o papel da circulação geral da

atmosfera, topografia e uso da terra nos padrões de reciclagem de precipitação sobre os

continentes e na distribuição mundial dos recursos hídricos. Os autores utilizaram os dados de

reanálises do ECMWF (ERA-Interim, no período de 1998-2008) para quantificar os índices

globais de reciclagem. De acordo com o estudo, em média, 40% da precipitação sobre os

33

continentes tem origem na evapotranspiração da superfície terrestre; além disso, 57% de toda

a evapotranspiração da superfície retornam como precipitação sobre os continentes. Os

valores da reciclagem de precipitação estimada para o continente sul americano e,

especificamente, na Amazônia foram de 36% e 28%, respectivamente.

Viana et al. (2010) utilizaram o modelo regional BRAMS (Brazilian Regional Atmospheric

Modeling System) para avaliar os efeitos sobre a reciclagem de precipitação decorrentes do

desflorestamento de grande escala na bacia amazônica. As condições iniciais e de contorno

foram fornecidas pelo Modelo de Circulação Geral da Atmosfera (MCGA – CPTEC/INPE).

Para estimar a reciclagem de precipitação os autores se basearam no método desenvolvido por

Brubaker et al. (1993). Os resultados revelaram uma heterogeneidade na reciclagem de

precipitação, com valores mais intensos no centro-sul da bacia, principalmente no período

chuvoso. Na estação seca (chuvosa), a reciclagem de precipitação foi da ordem de 14,3%

(25%); sendo que, a redução na evapotranspiração e o aumento no transporte de umidade

contribuíram, significativamente, para a diminuição da reciclagem no período de estiagem.

Com base nos resultados dos estudos discutidos, estima-se que a reciclagem de precipitação

na bacia amazônica é da ordem de 20-35%. Tanto o desflorestamento, quanto as mudanças do

clima global, devido ao aumento das emissões antropogênicas dos gases de efeito estufa,

podem afetar o funcionamento dos ecossistemas amazônicos, reduzindo sua capacidade de

capturar o carbono da atmosfera, aumentando a temperatura à superfície, reduzindo a umidade

do solo, modificando o ciclo hidrológico regional e, conseqüentemente, a reciclagem

(Marengo et al., 2011). Embora os estudos sobre reciclagem de precipitação tenham

produzido novos conhecimentos acerca da interação entre os processos de superfície e o ciclo

hidrológico, os efeitos das mudanças climáticas globais nesse mecanismo ainda não estão

completamente compreendidos.

5. Considerações finais

O presente trabalho apresentou uma perspectiva histórica da evolução do conhecimento e uma

visão crítica do estado da arte atual sobre a reciclagem de precipitação, abordando os

mecanismos de retroalimentação envolvidos nesse processo. Foram retratadas as

características do clima da Amazônia no que diz respeito às principais fontes de umidade para

a precipitação na região, bem como o transporte de vapor d’água sobre o continente sul

americano. Uma revisão dos estudos observacionais e de modelagem numérica com o

objetivo de quantificar e avaliar a reciclagem de precipitação na Amazônia e em outras

regiões do planeta foi apresentado.

O transporte de umidade das fontes oceânicas para os continentes estabelece a conexão entre a

evaporação oceânica e a precipitação continental. Nesse sentido, o fluxo de umidade do

Atlântico Equatorial associado com os ventos alísios é a principal fonte de umidade para a

Amazônia. O transporte de vapor d’água que alimenta a bacia ocorre de leste para oeste

durante todo o ano. A Amazônia também se configura uma importante fonte de umidade para

o sudeste da América do Sul, região Central e Sudeste do Brasil, e bacia do Prata, sobretudo

durante a primavera e o verão. O vapor d’água fornecido a partir da evapotranspiração da

floresta é transportado pelos ventos predominantes, e a precipitação decorrente da

evapotranspiração aumenta de nordeste para sudoeste na bacia. Parte da umidade é

interceptada pelos Andes e transportada através dos JBNs para a bacia do Prata, no qual 70%

da precipitação nesta região é de origem terrestre.

34

A quantificação do mecanismo de reciclagem é um forte indicador da importância dos

processos de superfície e do clima no ciclo hidrológico, assim como, da sensibilidade

climática relacionada às alterações nesses processos. Os aspectos climatológicos da

reciclagem de precipitação sobre a América do Sul mostram que a contribuição advectiva é

mais importante para a precipitação sobre a Amazônia e o Nordeste do Brasil, ao passo que na

região Centro-Sul a contribuição local tem importante papel na precipitação. Com base nos

resultados dos estudos discutidos, estima-se que a reciclagem de precipitação na bacia

amazônica é da ordem de 20-35%. A advecção de umidade domina o fornecimento de vapor

d’água em grande parte da região, entretanto, o papel da evapotranspiração local na

reciclagem é mais importante no setor sul da bacia.

A Amazônia demonstra vulnerabilidade às variabilidades e mudanças do sistema climático. O

risco dos impactos no ciclo hidrológico regional, na reciclagem de precipitação e,

consequentemente, sobre os ecossistemas amazônicos é potencializado quando alterações nos

usos da terra em escala regional são acompanhadas por mudanças no clima em escala global.

Embora os estudos apresentados tenham quantificado a distribuição da reciclagem de

precipitação sobre os continentes, os efeitos das mudanças climáticas globais nesse

mecanismo ainda não estão completamente compreendidos.

Agradecimentos

Este artigo é parte da Tese de Doutorado do primeiro autor sob orientação do Dr. Francis

Wagner Silva Correia. O primeiro autor agradece ao orientador pela orientação segura e

experiente que possibilitou a conclusão do presente trabalho. O autor também agradece à

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – CAPES pela concessão da

bolsa de estudo.

35

CAPÍTULO 2

Rocha, V.M.; Correia, F.W.S.; Satyamurty, P.; da Silva,

P.R.T.; Gomes, W.B.; Jardine, A.; Vergasta, L.A.; Moura,

R.G.; Trindade, M.S.P.; Pedrosa, A.L.; Silva, J.J.S. 2016.

Reciclagem de precipitação na bacia amazônica: Um

estudo utilizando as reanálises do ECMWF – Era-Interim.

Manuscrito em preparação para Climate Dynamics.

36

RECICLAGEM DE PRECIPITAÇÃO NA BACIA AMAZÔNICA: UM ESTUDO 1

UTILIZANDO AS REANÁLISES DO ECMWF – ERA-INTERIM 2

3

RESUMO 4

O objetivo desse trabalho é avaliar os componentes do balanço de umidade e a 5

reciclagem de precipitação na bacia amazônica, abordando os mecanismos físicos 6

envolvidos neste processo, utilizando as reanálises do European Centre for Medium-7

Range Weather Forecasts – ECMWF (Era-Interim) para o período de 1980 a 2005. 8

Reciclagem de precipitação refere-se ao mecanismo de retroalimentação entre a 9

superfície e a atmosfera no qual a quantidade de água que evapotranspirada da 10

superfície terrestre de uma determinada região retorna na forma de precipitação sobre a 11

mesma região. De forma geral, a bacia amazônica se comporta como um sumidouro de 12

umidade da atmosfera, recebendo vapor d’água tanto do tranporte de origem oceânica 13

quanto da evaportranspiração da floresta por meio do processo de reciclagem de 14

precipitação. Em escala regional, a Amazônia representa uma importante fonte de 15

umidade para outras regiões da América do Sul, contribuindo para o regime da 16

precipitação em áreas remotas. Na média, a reciclagem de precipitação é da ordem de 17

22% na bacia amazônica, com valores variando entre 10% na porção norte e 50% na 18

porção sul. Dessa forma, do total da precipitação na bacia, aproximadamente, 20% é 19

decorrente do processo de evapotranspiração local; indicando que, a contribuição local 20

para a precipitação total representa um percetual significativo no balanço de água 21

regional e desempenha um importante papel no ciclo hidrológico amazônico. Na média 22

da bacia, a contribuição advectiva é mais importante para a precipitação, enquanto que, 23

na porção sul a contribuição local (evapotranspiração) tem importante papel no regime 24

37

da precipitação. Contudo, as variabilidades e mudanças no sistema climático devido 25

tanto às variações naturais e antrópicas, tais como: o aumento na concentração de gases 26

do efeito estufa na atmosfera e as mudanças no uso e cobertura da terra, por exemplo, 27

desflorestamento, atividades agrícolas, desertificação e urbanização, podem afetar o 28

ciclo hidrológico regional, influenciando os padrões espaciais de umidade do solo e a 29

ocorrência de eventos extremos (secas e enchentes) e, consequentemente, afetando a 30

reciclagem de precipitação. Embora os resultados apresentados tenham produzido novos 31

conhecimentos acerca da interação entre os processos de superfície e o ciclo 32

hidrológico, os efeitos das varibilidades e mudanças naturais e antropogênicas do clima 33

sobre a reciclagem de precipitação na Amazônia necessitam ainda ser investigados. 34

Palavras-chave: Amazônia, reciclagem de precipitação, reanálises ECMWF (Era-35

Interim). 36

38

PRECIPITATION RECYLCING IN THE AMAZON BASIN: A STUDY USING 37

THE ECMWF ERA-INTERIM REANALYSIS DATASET 38

39

ABSTRACT 40

The objective of this study is to assess the water budget components and precipitation 41

recycling in the Amazon basin, addressing the physical mechanisms involved in this 42

process, using the European Centre reanalysis for Medium-Range Weather Forecasts – 43

ECMWF (ERA-Interim) for period 1980-2005. Precipitation recycling refers to the 44

feedback mechanism between the Earth’s surface and the atomosphere wherein the 45

amount of water that is evapotranspired from a given region of the surface returns to the 46

same area in the form of precipitation. In general, the Amazon basin acts as a sink for 47

atmospheric moisture, receiving water vapor transported from the ocean and from 48

precipitation recycled from evapotranspiration by the forest. At the regional scale, the 49

Amazon basin is an important source of water vapor, contributing to precipitation in 50

other remote locations of South America. Here we show, on average, 22% of 51

precipitation in the Amazon basin is recycled, varying between 10% in the northern 52

portion and 50% in the southern portion. Thus, approximately 20% of the total rainfall 53

in the basin is derived from local evapotranspiration processes indicating that the local 54

contribution to the total precipitation represents a significant contribution to the regional 55

water budget and plays an important role in the Amazon water cycle. We also 56

demonstrate that in the center of the basin, advection processes are more important for 57

precipitation while local evapotranspiration processes play a more important role in the 58

precipitation regime in the southern portion of the basin. However, the variability and 59

changes in the climate system due to both natural and anthropogenic forcings such as 60

39

the increase in the concentration of greenhouse gases in the atmosphere and changes in 61

land use and land cover (i.e. deforestation, agricultural activities, desertification and 62

urbanization) can affect the regional hydrologic cycle, influencing the spatial patterns of 63

soil moisture and the occurrence of extreme events (droughts and floods) and 64

consequently impact precipitation recycling. Although the results presented here have 65

produced new knowledge about the interactions between surface processes and the 66

hydrologic cycle, the effects of varibility and of natural and anthropogenic climate 67

change on the precipitation recycling in the Amazon basin requires further investigation. 68

Keywords: Amazon basin, precipitation recycling, ECMWF (Era-Interim) reanalysis. 69

40

INTRODUÇÃO 70

A Amazônia é a maior extensão contínua de floresta tropical úmida do planeta, 71

com uma área de aproximadamente 6,5 milhões de km2 que corresponde a 56% das 72

florestas tropicais da Terra, e desempenha um importante papel nas trocas de energia, 73

umidade e massa entre a superfície continental e a atmosfera, fornecendo serviços 74

ambientais fundamentais para a manutenção do clima regional e global, tais como: o 75

armazenamento e absorção do excesso de carbono da atmosfera, o transporte de gases 76

traço, aerossóis e vapor d’água para regiões remotas e, principalmente, a reciclagem de 77

precipitação – de grande importância para a manutenção de seus ecossitemas. A floresta 78

amazônica também atua como fonte indispensável de calor para a atmosfera global por 79

meio de sua intensa evapotranspiração e liberação de calor latente na média e alta 80

troposfera tropical, contribuindo na geração e manutenção da circulação atmosférica em 81

escalas regional e global (Artaxo et al., 2005; Fearnside, 2005; Marengo, 2006; Malhi et 82

al., 2008; Nobre et al., 2009a,b; Satyamurty et al., 2013). 83

No que concerne ao balanço de água, a bacia amazônica se comporta como um 84

sumidouro de umidade da atmosfera, recebendo vapor d’água tanto do transporte de 85

origem oceânica quanto da evapotranspiração produzida pela própria floresta tropical. 86

Com relação à circulação regional, a Amazônia representa uma importante fonte de 87

umidade para o Centro, Sudeste e Sul do Brasil, assim como para o norte da Argentina, 88

incluindo a bacia do Prata, contribuindo para o regime da precipitação nessas regiões 89

(Marengo et al. 2004; Marengo, 2004, 2005 e 2006; Vera et al., 2006; Correia et al., 90

2007; Satyamurty et al., 2013). Arraut e Satyamurty (2009) mostraram que a atividade 91

convectiva sobre o sul do Brasil e norte da Argentina é fortemente influenciada pelo 92

41

transporte de umidade através da fronteira sul da bacia amazônica, exercido pelo jato de 93

baixos níveis (JBN) a leste dos Andes. 94

O conceito de reciclagem de precipitação refere-se ao mecanismo de 95

retroalimentação “feedback” entre a superfície e a atmosfera onde a evapotranspiração 96

local contribui, significativamente, na precipitação total sobre uma região. Em outras 97

palavras, a reciclagem de precipitação pode ser definida como a quantidade de água que 98

evapotranspirada da superfície terrestre em uma determinada região retorna na forma de 99

precipitação sobre a mesma região (Brubaker et al., 1993; Eltahir e Bras, 1994; 100

Trenberth, 1999; Rocha et al., 2015). Utilizando dados observacionais, reanálises e 101

modelos numéricos de diferentes centros meteorológicos diversos estudos foram 102

realizados com o objetivo de quantificar e descrever a distribuição da reciclagem de 103

precipitação em difentes regiões do planeta: Molion (1975), Marques et al. (1977), 104

Brubaker et al. (1993), Eltahir e Bras (1994), Trenberth (1999), Costa e Foley (1999), 105

Nóbrega et al. (2005), Van der Ent et al. (2010), Satyamurty et al. (2013), entre outros. 106

Os resultados desses estudos, apesar de apresentarem diferenças quantitativas, 107

demonstram que o mecanismo de reciclagem é um forte indicador da importância dos 108

processos de superfície e do clima no ciclo hidrológico, assim como da sensibilidade 109

climática relacionada às alterações nesses processos. Entretanto, devido à importância 110

da Amazônia para o balanço de água em escalas regional e global, é de fundamental 111

importância o entendimento da distribuição da reciclagem de precipitação na bacia 112

amazônica. Desta forma, este artigo apresenta um estudo observacional dos 113

componentes do balanço de água e da reciclagem de precipitação na Amazônia, 114

abordando os mecanismos físicos associados ao processo de reciclagem. 115

116

42

MATERIAL E MÉTODOS 117

Diferentes abordagens são utilizadas na formulação de métodos para quantificar 118

a reciclagem de precipitação. Os métodos pautados no balanço de umidade da atmosfera 119

(Budyko, 1974; Brubaker et al., 1993; Eltahir e Bras, 1994; Savenije, 1995; Schar et al., 120

1999; Trenberth, 1999), por exemplo, fazem uso de dados de estações meteorológicas, 121

reanálises ou simulações de modelos atmosféricos. Entretanto, métodos baseados na 122

trajetória de moléculas de água na atmosfera desde sua fonte de origem até a ocorrência 123

de precipitação também são utilizados (Koster et al., 1986; Dirmeyer e Brubaker, 1999). 124

Neste estudo, o método adotado para quantificar a reciclagem de precipitação baseia-se 125

no balanço de umidade na atmosfera, descrito por Brubaker et al. (1993) e Trenberth 126

(1999). Dados de reanálises do ERA-Interim, do European Centre for Medium-Range 127

Weather Forecasts – ECMWF (Dee et al., 2011), para o período de 1980 a 2005, foram 128

utilizados para estimar a variabilidade espaço-temporal dos componentes do balanço de 129

água e da reciclagem de precipitação na bacia amazônica. Os dados de reanálises são: 130

precipitação, evapotranspiração, pressão ao nível médio do mar e da umidade específica 131

do ar, velocidade zonal e meridional do vento nos níveis de 1000, 925, 850, 700, 600, 132

500, 400 e 300 hPa; encontram-se na resolução de 1,0° 1,0° de latitude x longitude, 133

abrangendo a América do Sul e estão disponíveis em: http://apps.ecmwf.int/datasets/. 134

135

Método da reciclagem de precipitação 136

O método descrito por Brubaker et al. (1993) e Trenberth (1999) define que, 137

considerando a escala de comprimento L, a evapotranspiração E e a precipitação total P 138

em uma determinada região, os fluxos de vapor d’água integrado na vertical que entra 139

(Fin) e sai (Fout) dessa região (Figura 1) podem ser determinados pela Equação 1: 140

http://apps.ecmwf.int/datasets/

43

141

142

Figura 1. Diagrama conceitual dos processos considerados na reciclagem de 143 precipitação: P precipitação total (mm dia-1); E evapotranspiração (mm dia-1); Fin e Fout 144

são os fluxos de vapor d’água integrado na vertical (kg m-1 s-1) que entra e sai da região, 145

respectivamente; F fluxo de umidade médio na área (kg m-1 s-1); L escala de 146 comprimento (km). Fonte: Adaptado de Brubaker et al. (1993). 147

148

LPEFF inout (1)

Onde o fluxo horizontal médio do vapor d’água na área é definido como: 149

LPEFFFF inoutin 5,05,0 (2)

No método proposto por Brubaker et al. (1993) e Trenberth (1999), a precipitação total 150

(P) na região é particionada em precipitação de origem local (Pl) e precipitação de 151

origem advectiva (Pa), ou seja: 152

al PPP (3)

Dessa forma, o fluxo horizontal médio proveniente da umidade advectada para a região 153

é dado por: 154

44

LPF ain 5,0 (4)

E o fluxo horizontal médio oriundo da evapotranspiração local é dado por: 155

LPE l5,0 (5)

Supondo que a atmosfera é bem misturada, de maneira que a razão da precipitação 156

proveniente da advecção versus aquela decorrente da evapotranspiração é proporcional 157

à razão entre o fluxo de umidade advectado e o evapotranspirado, então, tem-se a 158

seguinte expressão: 159

LPE

LPF

P

P

l

ain

l

a

5,0

5,0

(6)

Logo, a reciclagem de precipitação (β) pode ser determinada por: 160

in

l

FEL

EL

P

P

2

(7)

Utilizando a Equação 2, a reciclagem de precipitação (β) pode ser reescrita da seguinte 161

forma: 162

FPL

EL

2

(8)

Portanto, o pressuposto básico deste método é que a atmosfera é bem misturada e a 163

mudança no armazenamento de umidade na atmosfera é desprezível em comparação aos 164

outros termos. Brubaker et al. (1993) e Trenberth (1999) recomendam que para a bacia 165

amazônica seja utilizada a escala de comprimento L = 2.750 km na estimativa da 166

reciclagem. 167

45

168

RESULTADOS E DISCUSSÃO 169

A maioria dos estudos sobre reciclagem de precipitação tem demonstrado que o 170

mecanismo é fortemente influenciado pela precipitação total, evapotranspiração da 171

superfície e pelo transporte de vapor d’água sobre a região. A seguir, a variabilidade 172

espaço-temporal dos componentes do balanço de umidade e da reciclagem de 173

precipitação na bacia amazônica é avaliada. O domínio da área de estudo abrange a 174

maior parte da América do Sul (Figura 2). 175

176

Figura 2. Domínio da área de estudo. Bacia amazônica (limite em preto), Amazônia 177 setentrional (limite em vermelho) e Amazônia meridional (limite em azul). 178 179

Precipitação e evapotranspiração 180

As Figuras 3 e 4 apresentam, respectivamente, a distribuição média da 181

precipitação e evapotranspiração sobre o continente sul americano nas quatro estações 182

46

do ano (verão – Dezembro-Janeiro-Fevereiro, DJF; outono – Março-Abril-Maio, MAM; 183

inverno – Junho-Julho-Agosto, JJA; primavera – Setembro-Outubro-Novembro, SON). 184

Na Amazônia, a precipitação apresenta significativa variabilidade espaço-temporal 185

determinada pela influência de diferentes sistemas de escala local, mesoescala, escala 186

sinótica e de grande escala que atuam na região (Marengo e Nobre, 2009; Nobre et al., 187

2009b). A precipitação média anual é de aproximadamente 2.300 mm, apresentando três 188

núcleos com precipitação abundante. O primeiro localizado no noroeste da Amazônia, 189

com chuvas acima de 3.500 mm ano-1 associadas à condensação do ar úmido por efeito 190

orográfico sobre a Cordilheira dos Andres (Marengo e Nobre, 2009). A segunda 191

máxima de precipitação, localizada sobre a foz do Rio Amazonas, está associada à Zona 192

de Convergência Intertropical (ZCIT) e circulações locais (brisa marítima) relacionadas 193

às linhas de instabilidade que surgem ao longo da costa, principalmente ao final do 194

período vespertino (Cohen et al., 1995). O terceiro centro localiza-se na parte sul da 195

região amazônica, sobretudo durante os meses de janeiro/fevereiro/março (verão 196

austral), sendo influenciado pela presença constante de aglomerados convectivos 197

associados a sistemas frontais sob a área de influência da Zona de Convergência do 198

Atlântico Sul (ZCAS). A maior parte da América do Sul tropical e subtropical recebe 199

mais de 50% do seu total anual de precipitação no verão austral, sob a forma de 200

precipitação convectiva com forte variação sazonal e diurna (Nobre et al., 2009b; 201

Satyamurty et al., 2013). 202

Na escala sazonal, a Figura 3(a-d) mostra o início da estação chuvosa, ou forte 203

atividade convectiva, no sul da Amazônia durante a primavera (SON). Observa-se que 204

os máximos de chuva situados na parte oeste e central da Amazônia ocorrem em DJF, 205

associados com a posição da Alta da Bolívia (AB). No outono, a banda de máxima 206

47

precipitação está localizada na Amazônia central, extendendo-se desde o setor oeste da 207

bacia até a foz do Rio Amazonas. Em JJA, o centro de máxima precipitação desloca-se 208

para o norte e situa-se sobre a América Central, estabelendo a estação seca (sem grande 209

atividade convectiva) sobre a Amazônia central e meridional que se encontram sob o 210

domínio do ramo descendente da Célula de Hadley. Entretanto, neste período, o 211

máximo de precipitação ocorre na Amazônia setentrional. Os trimestres mais secos na 212

região Norte do Brasil mudam progressivamente de setembro/outubro/novembro no 213

extremo norte, para agosto/setembro/outubro, numa longa faixa latitudinal desde o oeste 214

da região Nordeste do Brasil, para julho/agosto/setembro no vale da bacia amazônica, 215

sobretudo a oeste, e para junho/julho/agosto na parte sul. 216

48

217

Figura 3. Precipitação média sazonal (mm dia-1) sobre a América do Sul utilizando as 218 reanálises do ERA-Interim (ECMWF), para o período de 1980 a 2005: (a) verão – DJF; 219 (b) outono – MAM; (c) inverno – JJA; (d) primavera – SON. 220 221

49

Diferentes estudos apontam para o importante papel da superfície vegetada, 222

notadamente a floresta tropical amazônica, como fator regulador do clima regional ao 223

fornecer grande quantidade de vapor d’água para a atmosfera durante todo o ano por 224

meio da evapotranspiração (Gash et al., 1996). A evapotranspiração oriunda da floresta 225

amazônica representa uma das principais fontes de vapor d’água tanto para a própria 226

bacia quanto para regiões remotas, exercendo um papel fundamental no processo de 227

geração de chuvas. Além disso, a contribuição da evapotranspiração local para a 228

precipitação sobre a bacia amazônica representa uma porção significativa no balanço de 229

água regional e exerce papel de destaque no ciclo hidrológico amazônico, influenciando 230

os padrões espaciais de umidade do solo, a produtividade e a ocorrência de eventos 231

extremos, tais como enchentes e secas (Rocha et al., 2009; Satyamurty et al., 2013). 232

Outrossim, essa variável está diretamente associada ao mecanismo da reciclagem de 233

precipitação sobre o continente. 234

De acordo com a Figura 4(a-d), observa-se que evapotranspiração está próxima 235

daquela encontrada em experimentos micrometeorológicos realizados na Amazônia, tal 236

como o Programa de Grande Escala da Biosfera-Atmosfera na Amazônia – LBA 237

(Avissar e Nobre, 2002), com valores variando entre 3,5 e 4,0 mm dia-1. Os altos índices 238

de evapotranspiração na bacia amazônica em SON e DJF estão associados à maior 239

disponibilidade de energia durante as estações de primavera e verão, respectivamente. 240

Durante o outono e inverno austral, devido à variação sazonal da ZCIT e o 241

deslocamento da banda de nebulosidade para o norte, diminui a atividade convectiva 242

sobre a Amazônia central e meridional, aumentando a radiação solar incidente à 243

superfície e, consequentemente, a evapotranspiração. 244

245

50

246

Figura 4. Evapotranspiração média sazonal (mm dia-1) sobre a América do Sul 247

utilizando as reanálises do ERA-Interim (ECMWF), para o período de 1980 a 2005: (a) 248 verão – DJF; (b) outono – MAM; (c) inverno – JJA; (d) primavera – SON. 249

250

51

Transporte e convergência de umidade 251

As Figuras 5 e 6 apresentam, respectivamente, os campos médios sazonais do 252

fluxo de vapor d’água integrado verticalmente e sua convergência sobre a América do 253

Sul para as quatro estações do ano. Em DJF, a circulação atmosférica apresenta uma 254

baixa térmica persistente sobre a região do Chaco, posicionada entre 20° e 30°S, 255

associada à máxima nebulosidade sobre a Amazônia central e o Altiplano da Bolívia, no 256

período em que a ZCAS é mais ativa e intensa. Uma importante característica da 257

circulação equatorial durante o verão e outono são os ventos alísios que transportam 258

umidade para o interior da bacia amazônica, associados à maior pressão atmosférica no 259

Oceano Atlântico tropical norte. Conforme salientam Arraut e Satyamurty (2009), 260

Arraut et al. (2012), Satyamurty et al. (2013) e Drumond et al. (2014), esse fluxo de 261

vapor d’água proveniente do Atlântico equatorial é a principal fonte de umidade para a 262

Amazônia. Quando os ventos alísios encontram os Andes, então, o fluxo de vapor 263

d’água é desviado para sudeste e a umidade, por sua vez, é transportada da Amazônia 264

para o Centro-Sul do Brasil, bacia do Prata e norte da Argentina através do jato de 265

baixos níveis (JBN), canalizado à leste dos Andes (Figura 5a). Nesse período, a 266

atividade convectiva e a precipitação na Amazônia central e meridional (Figura 3a) 267

estão associadas à intensa convergência de umidade sobre essas áreas (Figura 6a). O 268

JBN da América do Sul parece ocorrer durante todo o ano, transportando massas de ar 269

úmida tropical da Amazônia para o Centro-Sul do Brasil e norte da Argentina, 270

principalmente no verão, e conduzindo massa de ar tropical marítima da Alta 271

Subtropical do Atlântico Sul (ASAS) mais frequentemente no inverno. Drumond et al. 272

(2008) adotaram um método Lagrangiano que identifica as contribuições de umidade no 273

balanço de água de uma região para investigar as principais fontes de umidade para o 274

52

Brasil Central e a bacia do Prata, no período entre 2000 a 2004. Os resultados 275

encontrados revelam a importância do Atlântico tropical sul como fonte de umidade 276

para o Brasil Central. Doyle e Barros (2002) verificaram que a circulação associada à 277

parte oeste da ASAS transporta vapor d’água do Oceano Atlântico sul para a América 278

do Sul subtropical. As características da circulação atmosférica observadas sobre a 279

América do Sul tropical e subtropical durante o verão austral configuram o que Arraut e 280

Satyamurty (2009) e Nobre et al. (2009b) denominam de regime de Monção de Verão 281

da América do Sul (MVAS), determinado pela intensa convergência de umidade sobre a 282

Amazônia e o Brasil Central. A MVAS se enfraquece entre março e maio, quando a 283

atividade convectiva (Figura 6b) progride-se em direção ao norte. Neste período, a 284

precipitação se intensifica, sobretudo, na Amazônia setentrional e no Nordeste do Brasil 285

(Figura 3b). 286

Em JJA, a climatologia sazonal da circulação em baixos níveis (Figura 5c) 287

mostra que há uma convergência dos ventos alísios de sudeste e nordeste transportando 288

umidade para a América Central, e também para o leste do Nordeste do Brasil e o 289

noroeste da América do Sul, o que aumenta a precipitação sobre essas áreas. Por outro 290

lado, a divergência de umidade em baixos níveis é preponderante sobre a Amazônia 291

meridional e a porção central do continente (Figura 6c), determinando a redução da 292

atividade convectiva e, portanto, da precipitação, configurando-se a estação seca na 293

América do Sul. 294

53

295

Figura 5. Média sazonal do fluxo de vapor d’água integrado verticalmente (kg m-1 s-1) 296 sobre a América do Sul utilizando as reanálises do ERA-Interim (ECMWF), para o 297 período de 1980 a 2005: (a) verão – DJF; (b) outono – MAM; (c) inverno – JJA; (d) 298 primavera – SON. 299

54

300

301

Figura 6. Média sazonal da convergência de umidade (mm dia-1) sobre a América do 302 Sul utilizando as reanálises do ERA-Interim (ECMWF), para o período de 1980 a 2005: 303 (a) verão – DJF; (b) outono – MAM; (c) inverno – JJA; (d) primavera – SON. 304 305

55

Reciclagem de precipitação 306

A umidade que da origem à precipitação sobre regiões continentais é 307

proveniente de duas fontes: (i) advecção de vapor d’água oriundo de outras regiões por 308

meio de movimentos de massas de ar e (ii) o vapor d’água local por meio da 309

evapotranspiração da superfície da própria região. A evapotranspiração tem efeito 310

pronunciado quando o fluxo de umidade é menos significativo. O transporte de umidade 311

para a região depende da dinâmica atmosférica e das fontes de origem da umidade. A 312

evapotranspiração, por sua vez, depende da disponibilidade de umidade na área ou 313

abaixo da superfície (zona insaturada), que é evaporada diretamente ou através da 314

transpiração da vegetação. Consequentemente, qualquer alteração de uso e cobertura da 315

terra e do clima que modifiquem esses processos pode afetar a quantidade de 316

precipitação sobre a região, assim como a reciclagem. 317

Vários estudos observacionais e de modelagem numérica têm sido realizados 318

com o objetivo de avaliar a reciclagem de precipitação em diferentes regiões do planeta, 319

como os de Budyko (1974), Molion (1975), Marques et al. (1977), Brubaker et al. 320

(1993), Eltahir e Bras (1994 e 1996), Savenije (1995), Trenberth (1999), Costa e Foley 321

(1999), Bosilovich e Schubert (2001), Nóbrega et al. (2005), Silva (2009), Van der Ent 322

et al. (2010), Satyamurty et al. (2013), entre outros. A Tabela 1 apresenta os principais 323

resultados encontrados na literatura. A diferença nas estimativas sobre uma mesma 324

região deve-se, entre outros fatores, ao método adotado para quantificar a reciclagem, a 325

fonte de dados utilizada e a estação do ano considerada no estudo. 326

A Figura 7(a-d) apresenta os campos médios sazonais da reciclagem de 327

precipitação sobre a América do Sul nas quatro estações do ano. De modo geral, a 328

reciclagem de precipitação é mais intensa sobre a porção centro-sul do continente, 329

56

sendo diretamente influenciada pela evapotranspiração da região. Em DJF, a reciclagem 330

de precipitação apresenta valores maiores (menores) sobre o setor sul (norte) da bacia 331

amazônica associados à menor (maior) intensidade do fluxo de umidade e valores altos 332

(baixos) da evapotranspiração. No entanto, os máximos são registrados na região da 333

bacia do Prata, especificamente, no Sul do Brasil, Uruguai, leste do Paraguai e nordeste 334

da Argentina, área em que a evapotranspiração apresenta valores significativos e onde 335

ocorre a desintensificação do JBN situado a leste dos Andes. Os valores da reciclagem 336

de precipitação na Amazônia tendem a aumentar de leste para oeste devido à redução da 337

intensidade do fluxo de vapor d’água para oeste. Este padrão é claramente identificado 338

durante o outono. Os maiores valores de reciclagem observados no sudoeste da bacia 339

amazônica em MAM mostram que o efeito do aumento na evapotranspiração se 340

sobrepõe a redução do transporte de umidade naquela região. Os máximos observados 341

sobre o continente ocorreram no Pantanal e Sudeste do Brasil e, segundo Trenberth 342

(1999) e Nóbrega et al. (2005), estão associados à evapotranspiração, devido ao alto teor 343

de umidade do solo, e a redução do transporte de umidade próximo a ASAS. 344

Em JJA, embora sobre a Amazônia setentrional a evapotranspiração, 345

convergência de umidade e precipitação tenham apresentado valores significativos, o 346

aumento na intensidade do fluxo de umidade foi preponderante para que a reciclagem 347

de precipitação apresentasse valores inferiores (~ 16%) em relação à Amazônia 348

meridional (~ 28%). Os máximos observados sobre a América do Sul estão situados na 349

faixa que se estende desde o oeste da bacia amazônica a região Sudeste do Brasil, 350

incluindo o Pantanal, também associados à desintensificação do fluxo de vapor d’água 351

sobre essas áreas. A primavera é a estação em que a reciclagem de precipitação 352

apresentou os maiores valores sobre a bacia amazônica (~ 27%). A evapotranspiração 353

57

da floresta, que é maior neste período, se sobrepôs ao efeito do fluxo de umidade 354

apresentando-se como o fator preponderante para a reciclagem e a precipitação regional. 355

Considerando a América do Sul, os valores médios da reciclagem de 356

precipitação variaram entre 10% e 80%, com índices extremos da ordem de 70% a 80% 357

sobre os Andes. Sazonalmente, os valores diminuem do verão para o inverno. Na média 358

anual, a reciclagem de precipitação na bacia amazônica foi de 22%, com valores 359

variando de 50% na porção sul a 10% na porção norte. Com base nos resultados de 360

trabalhos anteriores e deste estudo, estima-se que a reciclagem de precipitação na bacia 361

amazônica é da ordem de 20-35%. Esses resultados mostram que, do total da 362

precipitação sobre a bacia amazônica, aproximadamente, 20% é decorrente do processo 363

de evapotranspiração local; mostrando que, a contribuição local para a precipitação total 364

representa um percetual significativo no balanço de água regional. A contribuição 365

advectiva é mais importante para a precipitação sobre a bacia amazônica do que a 366

contribuição local, isto é, aquela decorrente da evapotranspiração. Em outras palavras, a 367

advecção de umidade domina o fornecimento de vapor d’água em grande parte da 368

região, no entanto, o papel da evapotranspiração local na reciclagem de precipitação é 369

mais importante no setor sul da bacia. Entretanto, as variabilidades e mudanças naturais 370

e/ou antropogênicas no sistema climático podem afetar de maneira significativa os 371

componentes do balanço de água e, consequentemente, a reciclagem de precipitação, 372

influenciando os padrões espaciais de umidade do solo, a produtividade e a ocorrência 373

de eventos extremos, tais como secas e enchentes. Embora os estudos sobre reciclagem 374

de precipitação tenham produzido novos conhecimentos acerca da interação entre os 375

processos de superfície e o ciclo hidrológico, os efeitos das variabilidades e mudanças 376

do clima na reciclagem sobre a Amazônia precisam ser ainda investigados. 377

58

Tabela 2. Média anual da reciclagem de precipitação sobre diferentes regiões. 378

Bacia Amazônia Mississipi África Ocidental Eurásia Método e dados

Budyko (1974) 11% Modelo de Budyko e dados observados de várias fontes.

Molion (1975) e

Marques et al. (1977)

56%

50%

Baseado na razão E/P; observações de precipitação,

vazões dos rios e dados de radiossondagem.

Brubaker et al. (1993) 24% 24% 31% 11% Modelo de Budyko reformulado em duas dimensões e

dados observados.

Eltahir e Bras (1994) 25%

35%

Modelo numérico bi-dimensional e duas fontes de dados:

ECMWF1 (25%) e GFDL2 (35%).

Savenije (1995) 63% Modelo unidimensional e dados observados de chuva e

escoamento superficial, apenas na estação chuvosa.

Trenberth (1999)

34%

21%

Modelo de Brubaker et al. (1993) com base na escala de

comprimento L. Na Amazônia L é 2750 km e no

Mississipi L é 1800 km. Dados do CMAP3, NVAP4 e

NCEP5.

Costa e Foley (1999)

20%

Modelo derivado de Eltahir e Bras (1994), cálculo do

fluxo de entrada do vapor d’água em cada célula de

grade e utilizando as reanálises do NCEP (1976-1996).

Nóbrega et al. (2005) 24% Modelo de Trenberth (1999) e as reanálises do NCEP

(1978-1998).

Silva (2009) 27% Modelo de Brubaker et al. (1993) e as reanálises do

NCEP (1979-2007).

Van der Ent et al. (2010) 28% 27% 45% 28% Reanálises do ECMWF (ERA-Interim, 1999-2008).

Satyamurty et al. (2013) 30% Reanálises do NCEP (1978-2010).

Este estudo

22%

Modelo de Brubaker et al. (1993) e Trenberth (1999)

com base na escala de comprimento L da bacia

amazônica, igual a 2750 km, e as reanálises do ECMWF

(ERA-Interim, 1980-2005).

1European Centre for Medium-Range Weather Forecasts. 2Geophysical Fluid Dynamics Laboratory. 3Climate Prediction Center Merged Analysis of Precipitation. 4NASA Water Vapor Project. 5National Centers for Environmental Prediction.

59

379

Figura 7. Média sazonal da reciclagem de precipitação (%) sobre a América do Sul 380

utilizando as reanálises do ERA-Interim (ECMWF), para o período de 1980 a 2005: (a) 381 verão – DJF; (b) outono – MAM; (c) inverno – JJA; (d) primavera – SON. 382 383

60

Ciclo anual 384

O ciclo anual dos componentes do balanço de umidade e da reciclagem de 385

precipitação apresenta diferenças entre as porções norte e sul da bacia amazônica, 386

conforme mostra a Figura 8. O ciclo anual da convergência de umidade (C) e da 387

precipitação (P) apresenta uma defasagem de três meses entre o norte e sul da bacia. A 388

convergência de umidade e a precipitação apresentam pronunciado ciclo sazonal na 389

porção sul em relação à porção norte. Diferente do observado em outros estudos, a 390

precipitação apresenta-se em fase com a convergência de umidade em ambas as 391

porções. O início e o fim da estação chuvosa na Amazônia deslocam-se gradativamente 392

de sul para norte. Na porção sul, o início da estação chuvosa acontece no final da 393

primavera e no começo do verão, terminando em abril; enquanto que, na porção norte 394

termina em setembro-outubro. A variabilidade interanual do início e do fim da estação 395

chuvosa depende dos campos de anomalias de temperatura da superfície do mar no 396

Pacífico ou no Atlântico Tropical, que exercem um papel dinâmico no controle do início 397

e do fim da estação chuvosa (Marengo e Nobre, 2009). A sazonalidade da precipitação 398

está associada ao padrão do regime de monção da América do Sul e à oscilação no 399

sentido norte-sul da ZCIT. 400

A razão E/P é um indicador da taxa de evapotranspiração continental (Marengo, 401

2005 e 2006). Em outras palavras, a razão E/P representa uma fração da precipitação 402

continental. O termo exibe um ciclo sazonal mais pronunciado na Amazônia meridional 403

quando comparado ao setor norte da bacia, cuja amplitude da variação é pequena ao 404

longo do ano. No setor sul da Amazônia a razão E/P é mais significativa em JJA (Figura 405

8c), indicando que o papel da evapotranspiração no ciclo hidrológico é relativamente 406

mais importante durante a estação seca. No entanto, na média anual, a bacia amazônica 407

61

comporta-se como um sumidouro de umidade da atmosfera, uma vez que, a taxa de 408

precipitação é maior que a taxa de evapotranspiração (P > E), porém, na escala regional 409

a Amazonia representa uma importante fonte de umidade para outras regiões do 410

continente. 411

Considerando o ciclo anual do fluxo de vapor d’água integrado verticalmente e 412

da reciclagem de precipitação, obseva-se que, de maneira geral, a reciclagem de 413

precipitação é inversamente proporcional à intensidade do transporte de umidade, isto é, 414

quanto maior (menor) o fluxo de umidade sobre a Amazônia menor (maior) é a 415

reciclagem de precipitação. Outrossim, a evapotranspiração exerce efeito preponderante 416

quando o fluxo de umidade é menos intenso. O ciclo anual da reciclagem de 417

precipitação é maior (menor) na Amazônia meridional (setentrional) e está associado ao 418

transporte de umidade menos (mais) intenso nesse setor da bacia. Na bacia amazônica, e 419

nas sub-bacias do norte e do sul, a reciclagem de precipitação apresenta valores 420

máximos (mínimos) em SON (MAM) associados à maior (menor) evapotranspiração da 421

floresta e a desintensificação (intensificação) do fluxo de umidade integrado 422

verticalmente durante a primavera (o outono). 423

424

62

425

Figura 8. Ciclo anual dos componentes do balanço de umidade e da reciclagem de 426

precipitação na (a) Bacia Amazônica, (b) Amazônia Setentrional e (c) Amazônia 427

Meridional: P precipitação (mm dia-1); E evapotranspiração (mm dia-1); C convergência 428

de umidade (mm dia-1); R escoamento superficial (mm dia-1); F fluxo de umidade 429 integrado verticalmente (kg m-1 s-1); REC reciclagem de precipitação (%). Climatologia 430

gerada com base nas reanálises Era-Interim (ECMWF) para o período de 1980 a 2005. 431 432

CONCLUSÕES 433

O presente trabalho apresentou um estudo observacional sobre a reciclagem de 434

precipitação na Amazônia, abordando os mecanismos físicos envolvidos neste processo. 435

A análise observacional foi realizada com base nas reanálises do European Centre for 436

Medium-Range Weather Forecasts – ECMWF (Era-Interim), no período de 1980 a 437

2005. Para estimar a reciclagem de precipitação utilizou-se o método fundamentado no 438

balanço de umidade na atmosfera descrito por Brubaker et al. (1993) e Trenberth 439

(1999). 440

63

Verificou-se que, geralmente, a bacia amazônica se comporta como um 441

sumidouro de umidade da atmosfera, recebendo vapor d’água tanto do tranporte de 442

origem oceânica quanto da evaportranspiração da floresta por meio do processo de 443

reciclagem de precipitação. Em escala regional, a Amazônia representa uma importante 444

fonte de umidade para outras regiões da América do Sul, contribuindo para o regime da 445

precipitação. 446

A quantificação do mecanismo de reciclagem é um forte indicador da 447

importância dos processos de superfície e do clima no ciclo hidrológico, assim como, da 448

sensibilidade climática relacionada às alterações nesses processos. De forma geral, a 449

reciclagem de precipitação na bacia amazônica foi da ordem de 22%, com valores 450

variando entre 10% na porção norte e 50% na porção sul. Os resultados mostram que, 451

do total da precipitação na bacia amazônica, aproximadamente, 20% é decorrente do 452

processo de evapotranspiração local; indicando que, a contribuição local para a 453

precipitação total representa um percetual significativo no balanço de água regional e 454

desempenha um importante papel no ciclo hidrológico amazônico. Os aspectos 455

climatológicos da reciclagem de precipitação sobre a América do Sul mostram que a 456

contribuição advectiva é mais importante para a precipitação sobre a Amazônia, 457

enquanto que na região centro-sul do continente a contribuição local tem importante 458

papel na precipitação. Contudo, as variabilidades e mudanças no sistema climático 459

devido tanto às variações naturais (não lineares) inerentes ao próprio sistema quanto às 460

antropogênicas, tais como o aumento na concentração de gases do efeito estufa na 461

atmosfera e as mudanças de uso e cobertura da terra, por exemplo, desflorestamento, 462

atividades agrícolas, desertificação e urbanização, podem prejudicar a dinâmica dos 463

ecossitemas amazônicos, reduzindo sua capacidade de absorver o carbono da atmosfera, 464

64

aumentando a temperatura à superfície, modificando o ciclo hdrológico regional, 465

influenciando os padrões espaciais de umidade do solo e a ocorrência de eventos 466

extremos (secas e enchentes) e, consequentemente, afetando a reciclagem de 467

precipitação. Embora os resultados apresentados tenham produzido novos 468

conhecimentos acerca da interação entre os processos de superfície e o ciclo 469

hidrológico, os efeitos das varibilidades e mudanças naturais e antropogênicas no clima 470

sobre a reciclagem de precipitação na Amazônia necessitam ainda ser investigados. 471

472

AGRADECIMENTOS 473

Este trabalho é parte da Tese de Doutorado do primeiro autor, desenvolvida no 474

Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia (INPA) em parceria com a Universidade 475

do Estado do Amazonas (UEA), em Manaus, Amazonas – Brasil, sob orientação do Dr. 476

Francis Wagner Silva Correia. O primeiro autor agradece à Coordenação de 477

Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) pela concessão da bolsa de 478

estudos. 479

65

CAPÍTULO 3

Rocha, V.M.; Correia, F.W.S.; Silva, P.R.T.; Gomes,

W.B.; Vergasta, L.A.; Moura, R.G.; Trindade, M.S.P.;

Pedrosa, A.L.; Silva, J.J.S. 2016. Reciclagem de

precipitação na bacia amazônica: O papel do transporte de

umidade e da evapotranspiração da superfície. Submetido

a Revista Brasileira de Meteorologia.

66

RECICLAGEM DE PRECIPITAÇÃO NA BACIA AMAZÔNICA: O PAPEL DO

TRANSPORTE DE UMIDADE E DA EVAPOTRANSPIRAÇÃO DA SUPERFÍCIE

RESUMO

O objetivo desse trabalho é avaliar a distribuição dos componentes do balanço de água e da

reciclagem de precipitação na bacia amazônica, abordando os mecanismos físicos associados ao

processo de reciclagem. De forma geral, a bacia amazônica se comporta como um sumidouro de

umidade da atmosfera, recebendo vapor d’água tanto do transporte de origem oceânica quanto

da evaportranspiração da floresta por meio do processo de reciclagem de precipitação. Em

escala regional, a Amazônia representa uma importante fonte de umidade para outras regiões da

América do Sul, contribuindo para o regime da precipitação em outras áreas do continente. Na

média, a reciclagem de precipitação é da ordem de 20% na bacia amazônica, com valores

variando entre 15% na porção norte e 40% na porção sul. Dessa forma, do total da precipitação

na bacia, aproximadamente, 20% é decorrente do processo de evapotranspiração local;

indicando que, a contribuição local para a precipitação total representa um percentual

significativo no balanço de água regional e desempenha um importante papel no ciclo

hidrológico amazônico. Entretanto, as variabilidades e mudanças no sistema climático devido

tanto às variações naturais quanto antropogênicas (aumento na emissão de gases estufa e

desflorestamento) podem afetar a reciclagem e o ciclo hdrológico regional.

Palavras chaves: Amazônia; reciclagem de precipitação; transporte de umidade; interação

biosfera-atmosfera; reanálises Era-Interim.

67

PRECIPITATION RECYCLING IN THE AMAZON BASIN: THE ROLE OF

MOISTURE TRANSPORT AND SURFACE EVAPOTRANSPIRATION

ABSTRACT

The objective of this study is to evaluate the distribution of water budget components and

precipitation recycling in the Amazon basin addressing the physical mechanisms involved in the

recycling process. In general, the Amazon basin acts as a sink for atmospheric moisture,

receiving water vapor transported from the ocean and from precipitation recycled from

evapotranspiration by the forest. At the regional scale, the Amazon basin is an important source

of water vapor, contributing to precipitation in other remote locations of South America. Here

we show, on average, 20% of precipitation in the Amazon basin is recycled, varying between

15% in the northern portion and 40% in the southern portion. Thus, approximately 20% of the

total rainfall in the basin is derived from local evapotranspiration processes indicating that the

local contribution to the total precipitation represents a significant contribution to the regional

water budget and plays an important role in the Amazon hydrological cycle. However, the

variability and changes in the climate system due to both natural and anthropogenic forcings

(such as the increase in the concentration of greenhouse gases in the atmosphere and changes in

land use and land cover – deforestation) can affect the precipitation recycling and regional

hydrologic cycle.

Key words: Amazon basin; precipitation recycling; moisture transport; biosphere-atmosphere

interaction; ERA-Interim reanalysis dataset.

68

1. INTRODUÇÃO

A Amazônia é a única grande extensão contínua de floresta tropical úmida do mundo,

com uma área de aproximadamente 6,5 milhões de km2, que corresponde a 56% das florestas

tropicais da Terra, desempenhando um importante papel nas trocas de energia, umidade e massa

entre a superfície continental e a atmosfera, fornecendo serviços ambientais fundamentais para a

manutenção do clima regional e global, tais como: o armazenamento e absorção do excesso de

carbono da atmosfera, o transporte de gases traço, aerossóis e vapor d’água para regiões remotas

e, principalmente, a reciclagem de precipitação, de grande importância para a manutenção de

seus ecossitemas. A floresta amazônica também atua como fonte indispensável de calor para a

atmosfera global através de sua intensa evapotranspiração e liberação de calor latente na média

e alta troposfera tropical, contribuindo na geração e manutenção da circulação atmosférica em

escalas regional e global (Artaxo et al., 2005; Fearnside, 2005; Marengo, 2006; Malhi et al.,

2008; Nobre et al., 2009a,b; Satyamurty et al., 2013).

No que concerne ao balanço de água, a bacia amazônica se comporta como sumidouro

de umidade da atmosfera, recebendo vapor d’água tanto do transporte de origem oceânica

quanto da evapotranspiração produzida pela própria floresta tropical. Com relação à circulação

regional, a Amazônia representa uma importante fonte de umidade para o Centro, Sudeste e Sul

do Brasil, assim como para o norte da Argentina, incluindo a bacia do Prata, contribuindo para o

regime da precipitação nessas regiões (Marengo et al. 2004; Marengo, 2006; Vera et al., 2006;

Correia et al., 2007; Satyamurty et al., 2013).


“feedback” entre a superfície e a atmosfera onde a evapotranspiração local contribui,

significativamente, na precipitação total sobre uma região. Em outras palavras, a reciclagem de

precipitação pode ser definida como a quantidade de água que evapotranspirada da superfície

terrestre em uma determinada região retorna na forma de precipitação sobre a mesma região

(Brubaker et al., 1993; Eltahir e Bras, 1994; Trenberth, 1999, Rocha et al., 2015). Utilizando

dados observacionais, de reanálises e modelos de circulação da atmosfera, diferentes estudos

69

foram realizados com o objetivo de quantificar e descrever a distribuição da reciclagem de

precipitação em difentes regiões do planeta: Budyko (1974), Molion (1975), Marques et al.

(1977), Brubaker et al. (1993), Eltahir e Bras (1994 e 1996), Savenije (1995), Trenberth (1999),

Costa e Foley (1999), Bosilovich e Schubert (2001), Nóbrega et al. (2005), Van der Ent et al.

(2010), Satyamurty et al. (2013). Os resultados desses estudos, apesar de apresentarem

diferenças quantitativas, demonstram que o mecanismo de reciclagem é um forte indicador da

importância dos processos de superfície e do clima no ciclo hidrológico, assim como, da

sensibilidade climática relacionada às alterações nesses processos. Entretanto, devido à

importância da floresta amazônica para o balanço de água em escalas regional e global, é de

fundamental importância o entendimento da distribuição da reciclagem de precipitação na

Amazônia utilizando fontes de dados mais atualizadas e realistas. Desta forma, este artigo tem

por objetivo avaliar a distribuição dos componentes do balanço de água e da reciclagem de

precipitação na bacia amazônica, abordando os mecanismos físicos associados ao processo de

reciclagem.

2. MATERIAL E MÉTODOS

Neste estudo o método adotado para quantificar a reciclagem de precipitação baseia-se

no balanço de umidade da atmosfera descrito por Eltahir e Bras (1994). Dados de reanálises do

ERA-Interim, do European Centre for Medium-Range Weather Forecasts – ECMWF (Dee et

al., 2011), para o período de 1980 a 2005, foram utilizados para estimar a variabilidade espaço-

temporal dos componentes do balanço de água e da reciclagem de precipitação na bacia

amazônica. Os dados de reanálises são: precipitação, evapotranspiração, pressão ao nível médio

do mar e da umidade específica do ar, velocidade zonal e meridional do vento nos níveis de

1000, 925, 850, 700, 600, 500, 400 e 300 hPa. As reanalises estão na resolução de 1,0 1,0°

abrangendo a América do Sul e estão disponíveis em: http://apps.ecmwf.int/datasets/.

http://apps.ecmwf.int/datasets/

70

2.1. MÉTODO DA RECICLAGEM DE PRECIPITAÇÃO

O método descrito por Eltahir e Bras (1994) para estimar a reciclagem de precipitação

baseia-se na conservação de massa em um volume de controle atmosférico sobre uma

determinada região. Nesse método, dois pressupostos básicos são assumidos: (i) a umidade

atmosférica é bem misturada e (ii) a taxa de variação da umidade na atmosfera é insignificante

em uma escala de tempo mensal ou superior. Para um volume de controle finito na atmosfera

localizado em qualquer ponto de uma região, a conservação de massa requer as seguintes

relações:

aaaa

llll

POIt

N

POEIt

N

(2.1)

Onde os subscritos l e a referem-se às moléculas que evaporaram dentro e fora da

região, respectivamente, assim como I e O são os fluxos de entrada e saída, P é a precipitação e

E a evapotranspiração, ambas dadas em mm dia-1 (Figura 1).

Figura 1

Assumindo que, a partir de duas fontes de origem distintas (l e a) as moléculas de vapor

d’água são bem misturadas na camada limite, pode-se determinar que:

)()()( al

l

al

l

al

l

NN

N

OO

O

PP

P

(2.2)

Onde β é a razão de reciclagem da precipitação. Em qualquer local na região, β refere-se

a proporção da precipitação reciclada sobre a área. Em uma escala de tempo mensal ou superior,

a taxa de variação no armazenamento de vapor d’água é muito pequena comparada aos fluxos

de vapor d’água na atmosfera. Considerando essa informação à característica bem misturada da

atmosfera, pode-se determinar que a variação no estoque de qualquer uma das duas fontes de

71

umidade, seja Nl (local) ou Na (advectiva), é pequena em comparação ao seu fluxo. Logo,

reorganizando a Equação 2.1, obtém-se:

aaa

lll

POI

POEI

(2.3)

Substituindo Ol, Pl, Oa e Pa da Equação 2.2 nas Equações 2.3:

)()( alall PPOOEI (2.4a)

))(1())(1( alala PPOOI (2.4b)

Dividindo a Equação 2.4a pela Equação 2.4b, e reorganizando, tem-se:

)(

)(

al

l

IEI

EI

(2.5)

A Equação 2.5 é o método proposto por Eltahir e Bras (1994) para estimar a reciclagem

de precipitação. Substituindo I por F e considerando toda a bacia amazônica, a Equação 2.5

pode ser reescrita da seguinte maneira: β = E/(Fin+E), onde E e Fin são a evapotranspiração

regional e o fluxo de umidade que entra na bacia, respectivamente.

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

A maioria dos estudos sobre reciclagem de precipitação tem demonstrado que o

mecanismo é fortemente influenciado pela precipitação total, evapotranspiração da superfície e

pelo transporte de vapor d’água sobre a região. A seguir são avaliados a variabilidade espaço-

temporal dos componentes do balanço de umidade e da reciclagem de precipitação na bacia

amazônica. O domínio da área abrange a maior parte da América do Sul (Figura 2).

Figura 2

72

3.1. PRECIPITAÇÃO E EVAPOTRANSPIRAÇÃO

As Figuras 3 e 4 apresentam, respectivamente, a distribuição da precipitação e

evapotranspiração sobre o continente sul americano para as estações de verão: dezembro-

janeiro-fevereiro (DJF); outono: março-abril-maio (MAM); inverno: junho-julho-agosto (JJA) e

primavera: setembro-outubro-novembro (SON). Na Amazônia, a precipitação apresenta

significativa variabilidade espaço-temporal determinada pela influência de diferentes sistemas

de escala local, mesoescala, escala sinótica e de grande escala que atuam na região (Marengo e

Nobre, 2009; Nobre et al., 2009b). A precipitação média anual é de aproximadamente

2.300 mm, apresentando três regiões com valores mais intensos na precipitação. O primeiro

localizado no noroeste da Amazônia, com chuvas acima de 3.500 mm ano-1 associadas à

condensação do ar úmido por efeito orográfico sobre a Cordilheira dos Andres (Marengo e

Nobre, 2009). A segunda máxima de precipitação, localizada sobre a foz do Rio Amazonas,

circulações locais (brisa marítima) relacionadas às Linhas de Instabilidade (Cohen et al., 1995).

O terceiro centro localiza-se na parte central-sul da região amazônica, sobretudo durante os

meses de janeiro/fevereiro/março (verão austral), sendo influenciado pela presença constante de

aglomerados convectivos associados a sistemas frontais sob a área de influência da Zona de

Convergência do Atlântico Sul (ZCAS). A maior parte da América do Sul tropical e subtropical

recebe mais de 50% do seu total anual de precipitação no verão austral, sob a forma de

precipitação convectiva com forte variação sazonal e diurna (Nobre et al., 2009b; Satyamurty et

al., 2013).

Em escala sazonal, a Figura 3(a-d) mostra o início da estação chuvosa, ou forte

atividade convectiva, no sul da Amazônia durante a primavera (SON). Observa-se que os

máximos de chuva situados na parte oeste e central da Amazônia ocorrem em DJF,

associadoscom a posição da Alta da Bolívia (AB). No outono, a banda de máxima precipitação

está localizada na Amazônia central, extendendo-se desde o setor oeste da bacia até a foz do Rio

Amazonas. Em JJA, o centro de máxima precipitação desloca-se para o norte e situa-se sobre a

América Central, estabelendo a estação seca (sem grande atividade convectiva) sobre a

73

Amazônia central e meridional que se encontram sob o domínio do ramo descendente da Célula

de Hadley. Entretanto, neste período, o máximo de precipitação ocorre na Amazônia

setentrional. Os trimestres mais secos na região Norte do Brasil mudam progressivamente de

setembro/outubro/novembro no extremo norte, para agosto/setembro/outubro, numa longa faixa

latitudinal desde o oeste da região Nordeste do Brasil; para julho/agosto/setembro no vale da

bacia amazônica, sobretudo a oeste, e para junho/julho/agosto na parte sul.

Figura 3

A evapotranspiração proveniente da floresta amazônica representa uma das principais

fontes de vapor d’água para a bacia e também para outras regiões do continente sul americano,

exercendo um papel fundamental no processo de geração de precipitação. Além disso, a

contribuição da evapotranspiração local para a precipitação sobre a bacia amazônica representa

uma porção significativa do balanço de água regional e exerce papel de destaque no ciclo

hidrológico amazônico, influenciando os padrões espaciais de umidade do solo, a produtividade

e a ocorrência de eventos extremos, tais como enchentes e secas (Rocha et al., 2009; Satyamurty

et al., 2013). Outrossim, a evapotranspiração está diretamente associada ao mecanismo da

reciclagem de precipitação sobre o continente.

De acordo com a Figura 4(a-d), observa-se que a evapotranspiração na Amazônia está

próxima daquele encontrada em experimentos micrometeorológicos realizados na bacia, tal

como o Experimento de Grande Escala da Biosfera-Atmosfera na Amazônia – LBA (Avissar e

Nobre, 2002), com valores variando entre 3,5 e 4,0 mm dia-1. Os altos índices de

evapotranspiração na bacia amazônica em SON e DJF estão associados à maior disponibilidade

de energia durante as estações de primavera e verão, respectivamente. Durante o outono e

inverno austral, devido à variação sazonal da ZCIT e o deslocamento da banda de nebulosidade

para o norte, diminui a atividade convectiva sobre a Amazônia central e meridional,

aumentando a radiação solar incidente à superfície e, consequentemente, a evapotranspiração.

Figura 4

74

3.2. TRANSPORTE DE UMIDADE

A Figura 5 apresenta os campos médios sazonais do fluxo de vapor d’água integrado

verticalmente sobre a América do Sul. Em DJF observa-se uma baixa térmica persistente sobre

a região do Chaco posicionada entre 20° e 30°S, associada à máxima nebulosidade sobre a

Amazônia central e o Altiplano da Bolívia no período em que a ZCAS é mais ativa e intensa.

Uma importante característica da circulação equatorial durante o verão e outono são os ventos

alísios que transportam umidade para o interior da bacia amazônica, associados à maior pressão

atmosférica no Oceano Atlântico tropical norte. Conforme apresentam Arraut e Satyamurty

(2009), Arraut et al. (2012), Satyamurty et al. (2013) e Drumond et al. (2014), esse fluxo de

vapor d’água proveniente do Atlântico equatorial é a principal fonte de umidade para a

Amazônia. Quando os ventos alísios encontram os Andes o fluxo de vapor d’água é desviado

para sudeste e a umidade, por sua vez, é transportada da Amazônia para o Centro-Sul do Brasil,

bacia do Prata e norte da Argentina através do jato de baixos níveis (JBN) canalizado à leste da

cadeia de montanhas (Figura 5a). Nesse período, a atividade convectiva e a precipitação na

Amazônia central e meridional (Figura 3a) estão associadas à intensa convergência de umidade

sobre essas áreas. O JBN da América do Sul parece ocorrer durante todo o ano, transportando

massas de ar úmida tropical da Amazônia para o Centro-Sul do Brasil e norte da Argentina,

principalmente no verão, e conduzindo massa de ar tropical marítima da Alta Subtropical do

Atlântico Sul (ASAS) mais frequentemente no inverno. As características da circulação

atmosférica observadas sobre a América do Sul tropical e subtropical durante o verão austral

configuram o que Arraut e Satyamurty (2009) e Nobre et al. (2009b) denominam de regime de

Monção de Verão da América do Sul (MVAS), determinado pela intensa convergência de

umidade sobre a Amazônia e o Brasil Central. A MVAS se enfraquece entre março e maio,

quando a atividade convectiva progride-se em direção ao norte. Neste período, a precipitação se

intensifica, sobretudo, na Amazônia setentrional e no Nordeste do Brasil (Figura 3b).

Em JJA, a climatologia sazonal da circulação em baixos níveis (Figura 5c) mostra que

há uma convergência dos ventos alísios de sudeste e nordeste transportando umidade para à

75

América Central, e também para o leste do Nordeste do Brasil e o noroeste da América do Sul, o

que aumenta a precipitação sobre essas áreas. Por outro lado, a divergência de umidade é

preponderante sobre a Amazônia meridional e a porção central do continente, determinando a

redução da atividade convectiva e, portanto, da precipitação, configurando-se a estação seca na

América do Sul.

Figura 5

3.3. RECICLAGEM DE PRECIPITAÇÃO

A umidade que da origem à precipitação sobre regiões continentais é proveniente de

duas fontes: (i) advecção de vapor d’água oriundo de outras regiões por meio de movimentos de

massas de ar e (ii) o vapor d’água local por meio da evapotranspiração da superfície da própria

região. A evapotranspiração tem efeito pronunciado quando o fluxo de umidade é menos

significativo. O transporte de umidade para a região depende da dinâmica atmosférica e das

fontes de origem da umidade. A evapotranspiração, por sua vez, depende da disponibilidade de

umidade na área ou abaixo da superfície (zona insaturada), que é evaporada diretamente ou

através da transpiração da vegetação. Consequentemente, qualquer alteração de uso e cobertura

da terra e do clima que modifiquem esses processos pode afetar a reciclagem de precipitação,

assim como a precipitação total sobre a região.

A Figura 6(a-d) apresenta os campos médios sazonais da reciclagem de precipitação

sobre a América do Sul. De modo geral, a reciclagem de precipitação é mais intensa sobre a

porção centro-sul do continente, sendo diretamente influenciada pela evapotranspiração dessa

região. Em DJF, a reciclagem de precipitação apresenta valores maiores (menores) sobre o setor

sul (norte) da bacia amazônica associados à menor (maior) intensidade do fluxo de umidade e

valores altos (baixos) da evapotranspiração. No entanto, os máximos são observados na região

da bacia do Prata, área em que a evapotranspiração apresenta valores significativos e onde

ocorre a desintensificação do JBN situado a leste dos Andes. Os valores da reciclagem de

precipitação na Amazônia tendem a aumentar de leste para oeste devido à redução da

76

intensidade do fluxo de vapor d’água para oeste. Os maiores valores da reciclagem observados

no sudoeste da bacia amazônica durante o outono mostram que o efeito do aumento na

evapotranspiração se sobrepõe a redução do transporte de umidade naquela região. Os máximos

observados sobre o continente ocorreram no Pantanal e Sudeste do Brasil e, segundo Trenberth

(1999) e Nóbrega et al. (2005), estão associados à evapotranspiração, devido ao alto teor de

umidade do solo, e a redução do transporte de umidade próximo a ASAS. Em JJA, embora

sobre a Amazônia setentrional a evapotranspiração e a precipitação tenham apresentado valores

significativos, o aumento na intensidade do fluxo de umidade foi preponderante para que a

reciclagem de precipitação apresentasse valores inferiores em relação à Amazônia meridional.

Os máximos observados sobre a América do Sul estão situados na faixa que se estende desde o

oeste da bacia amazônica a região Sudeste do Brasil, incluindo o Pantanal, também associados à

desintensificação do fluxo de vapor d’água sobre essas áreas. A primavera é a estação em que a

reciclagem de precipitação apresentou os maiores valores sobre a bacia amazônica (~ 24%). A

evapotranspiração da floresta, que é maior neste período, se sobrepôs ao efeito do fluxo de

umidade apresentando-se como o fator preponderante para a reciclagem e a precipitação

regional.

Considerando a América do Sul, os valores médios da reciclagem de precipitação

variaram entre 5% e 65%, com índices extremos da ordem de 55% a 65% sobre os Andes.

Sazonalmente, os valores diminuem do verão para o inverno. Na média anual, a reciclagem de

precipitação na bacia amazônica foi de 20%, com valores variando de 40% na porção sul a 15%

na porção norte. Com base nos resultados de trabalhos anteriores (ver Rocha et al., 2015) e deste

estudo, estima-se que a reciclagem de precipitação na bacia amazônica é da ordem de 20-35%.

Esses resultados mostram que, do total da precipitação sobre a bacia amazônica,

aproximadamente, 20% é decorrente do processo de evapotranspiração local; mostrando que, a

contribuição local para a precipitação total representa um percetual significativo no balanço de

água regional. A contribuição advectiva é mais importante para a precipitação sobre a bacia

amazônica do que a contribuição local, isto é, aquela decorrente da evapotranspiração. Isso

significa que, a advecção de umidade domina o fornecimento de vapor d’água em grande parte

77

da região, no entanto, o papel da evapotranspiração local na reciclagem de precipitação é mais

importante no setor sul da bacia. Entretanto, as variabilidades e mudanças naturais e/ou

antropogênicas no sistema climático podem afetar de maneira significativa os componentes do

balanço de água e, consequentemente, a reciclagem de precipitação, influenciando os padrões

espaciais de umidade do solo, a produtividade e a ocorrência de eventos extremos, tais como

secas e enchentes. Embora os estudos sobre reciclagem de precipitação tenham produzido novos

conhecimentos acerca da interação entre os processos de superfície e o ciclo hidrológico, os

efeitos das varibilidades e mudanças do clima na reciclagem precisam ser ainda investigados.

Figura 6

3.4. CICLO ANUAL

A Figura 7a,b apresenta o ciclo anual dos componentes do balanço de umidade e da

reciclagem de precipitação na bacia amazônica. Diferente do observado em outros estudos, a

precipitação (P) apresenta-se em fase com a convergência de umidade (C). O início da estação

chuvosa acontece no final da primavera e no começo do verão, com precipitação média de

aproximadamente 8,0 mm dia-1 em DJF (Tabela 1), terminando em abril. A precipitação média

durante a estação seca (JJA) é da ordem de 4,4 mm dia-1. A variabilidade interanual do início e

do fim da estação chuvosa depende dos campos de anomalias de temperatura da superfície do

mar no Pacífico ou no Atlântico Tropical, que exercem um papel dinâmico no controle do início

e do fim da estação chuvosa (Marengo e Nobre, 2009). A sazonalidade da precipitação está

associada ao padrão do regime de monção da América do Sul e à oscilação no sentido norte-sul

da ZCIT.

A razão E/P é um indicador da taxa de evapotranspiração continental (Marengo, 2005 e

2006). Em outras palavras, a razão E/P representa uma fração da precipitação continental. A

razão E/P é mais significativa em JJA, indicando que o papel da evapotranspiração no ciclo

hidrológico é relativamente mais importante durante a estação seca. No entanto, na média anual,

a bacia amazônica se comporta como um sumidouro de umidade da atmosfera, uma vez que, a

78

taxa de precipitação é maior que a taxa de evapotranspiração (P > E), porém, na escala regional

a Amazônia representa-se como uma importante fonte de umidade para outras regiões do

continente.

Considerando o ciclo anual do fluxo de vapor d’água integrado verticalmente e da

reciclagem de precipitação, obseva-se que, de maneira geral, a reciclagem de precipitação é

inversamente proporcional à intensidade do transporte de umidade. Outrossim, a

evapotranspiração exerce efeito preponderante quando o fluxo de umidade é menos intenso. Na

bacia amazônica, a reciclagem de precipitação apresenta valores máximos (mínimos) em SON –

24% (JJA – 17%) associados à maior (menor) evapotranspiração da floresta e a

desintensificação (intensificação) do fluxo de umidade integrado verticalmente durante a

primavera (inverno).

Figura 7

Tabela 1. Média das estações sazonais contrastantes e anual dos componentes do balanço de

umidade e da reciclagem de precipitação na bacia amazônica, com base nas reanálises Era-

Interim (ECMWF) para o período de 1980 a 2005: P precipitação (mm dia-1); E

evapotranspiração (mm dia-1); C convergência de umidade (mm dia-1); F fluxo de umidade

integrado verticalmente (kg m-1 s-1) e REC reciclagem de precipitação (%).

Bacia Amazônica

Componente Estação úmida (DJF) Estação seca (JJA) Média anual

P 8,0 4,4 6,4

E 3,7 3,5 3,7

E/P 0,46 0,8 0,58

C 4,2 1,2 2,9

F 166,3 202,0 178,2

REC 21 17 20

4. CONCLUSÕES

O presente estudo avaliou a distribuição dos componentes do balanço de água e

reciclagem de precipitação na Amazônia abordando os mecanismos físicos envolvidos neste

processo. A análise observacional foi realizada com base nas reanálises do European Centre for

Medium-Range Weather Forecasts – ECMWF (Era-Interim), no período de 1980 a 2005. Para

estimar a reciclagem de precipitação utilizou-se o método fundamentado no balanço de umidade

na atmosfera descrito por Eltahir e Bras (1994). Obsrevou-se que, geralmente, a bacia

79

amazônica se comporta como um sumidouro de umidade da atmosfera, recebendo vapor d’água

tanto do tranporte de origem oceânica quanto da evaportranspiração da floresta por meio do

processo de reciclagem de precipitação. Em escala regional, a Amazônia representa uma

importante fonte de umidade para outras regiões da América do Sul, contribuindo para o regime

da precipitação.

De forma geral, a reciclagem de precipitação na bacia amazônica foi da ordem de 20%,

com valores variando entre 15% na porção norte e 40% na porção sul. Os resultados mostram

que, do total da precipitação na bacia amazônica, cerca de 20% é decorrente do processo de

evapotranspiração local; indicando que, a contribuição local para a precipitação total representa

um percetual significativo no balanço de água regional e desempenha um importante papel no

ciclo hidrológico amazônico. Os aspectos climatológicos da reciclagem de precipitação

mostram que a contribuição advectiva é mais importante para a precipitação sobre a Amazônia,

enquanto que na região centro-sul do continente a contribuição local tem importante papel na

precipitação. Contudo, as variabilidades e mudanças no sistema climático devido tanto às

variações naturais (não lineares) inerentes ao próprio sistema quanto às antropogênicas, tais

como o aumento na concentração de gases do efeito estufa na atmosfera e as mudanças no uso e

cobertura da terra, por exemplo, desflorestamento, atividades agrícolas, desertificação e

urbanização, podem afetar a dinâmica dos ecossitemas amazônicos, reduzindo sua capacidade

de absorver o carbono da atmosfera, aumentando a temperatura à superfície, modificando o

ciclo hdrológico regional, influenciando os padrões espaciais de umidade do solo e a ocorrencia

de eventos extremos (secas e enchentes) e, consequentemente, afetando a reciclagem de

precipitação. Embora os resultados apresentados tenham produzido novos conhecimentos acerca

da interação entre os processos de superfície e o ciclo hidrológico, os efeitos das varibilidades e

mudanças naturais e antropogênicas no clima sobre a reciclagem de precipitação na Amazônia

necessitam ainda ser investigados.

80

5. AGRADECIMENTOS

Este trabalho é parte da Tese de Doutorado do primeiro autor, desenvolvida no

Programa de Pós-graduação em Clima e Ambiente do Instituto Nacional de Pesquisas da

Amazônia (INPA) em parceria com a Universidade do Estado do Amazonas (UEA), sob

orientação do segundo autor. O primeiro autor agradece à Coordenação de Aperfeiçoamento de

Pessoal de Nível Superior (CAPES) pela concessão da bolsa de estudos.

81

Figura 1. Diagrama conceitual do volume de controle atmosférico. Fonte: Adaptado de Eltahir

e Bras (1994).

Figura 2. Domínio da área de estudo. Bacia amazônica (limite em preto).

82



outono – MAM; (c) inverno – JJA; (d) primavera – SON.

83




84



2005: (a) verão – DJF; (b) outono – MAM; (c) inverno – JJA; (d) primavera – SON.

85

Figura 6. Média sazonal da reciclagem de precipitação (%) sobre a América do Sul utilizando

as reanálises do ERA-Interim (ECMWF), para o período de 1980 a 2005: (a) verão – DJF; (b)


86

Figura 7. Ciclo anual dos componentes do balanço de umidade e da reciclagem de precipitação

na bacia amazônica: (a) P precipitação (mm dia-1), E evapotranspiração (mm dia-1), C

convergência de umidade (mm dia-1); (b) F fluxo de umidade integrado verticalmente (kg m-1 s-

1), REC reciclagem de precipitação (%). Climatologia gerada com base nas reanálises Era-

Interim (ECMWF) para o período de 1980 a 2005.

87

CAPÍTULO 4

Rocha, V.M.; Correia, F.W.S.; Chou, S.C.; Lyra, A.;

Satyamurty, P.; Silva, P.R.T.; Gomes, W.B.; Jardine, A.;

Vergasta, L.A.; Moura, R.G.; Trindade, M.S.P.; Pedrosa,

A.L.; da Silva, J.J.S. 2016. Reciclagem de precipitação na

bacia amazônica: clima presente e cenários futuros.

Manuscrito em preparação para Journal of Applied

Meteorology and Climatology.

88

RECICLAGEM DE PRECIPITAÇÃO NA BACIA AMAZÔNICA: CLIMA 1

PRESENTE E CENÁRIOS FUTUROS 2

3

RESUMO 4

O objetivo deste estudo é avaliar os efeitos da mudança do clima durante o século XXI 5

sobre a reciclagem de precipitação na Amazônia, abordando os mecanismos físicos 6

envolvidos nesse processo, utilizando o modelo regional Eta forçado com o cenário de 7

emissões RCP 8.5 proveniente do modelo do sistema terrestre HadGEM2-ES. Para 8

estimar a reciclagem de precipitação foi adotado o modelo fundamentado no balanço de 9

umidade na atmosfera descrito por Brubaker et al. (1993) e Trenberth (1999). Na média, 10

a reciclagem de precipitação na bacia amazônica simulada pelo modelo para o clima 11

presente é de 22%, apresentando variação espacial e sazonal, com maiores valores na 12

Amazônia meridional (27%). As mudanças projetadas para o clima futuro mostram que, 13

os impactos nos componentes do balanço de umidade foram mais significativos durante 14

a estação chuvosa e no setor sul da bacia, principalmente, no final do século. O 15

mecanismo de retroalimentação positivo é configurado durante o verão austral e na 16

média anual, isto é, a redução da convergência de umidade (por meio da alteração na 17

estrutura termodinâmica da atmosfera e na circulação regional) e da evapotranspiração à 18

superfície agiram no mesmo sentido para reduzir a precipitação total; no entanto, o 19

mecanismo de retroalimentação negativo é dominante no inverno austral, em que a 20

redução da evapotranspiração é parcialmente compensada pelo aumento da 21

convergência de umidade, porém, não o suficiente para inibir a redução da precipitação. 22

A redução da precipitação total na Amazônia foi decorrente tanto da redução da 23

precipitação de origem local quanto advectiva, sendo que a advectiva teve papel 24

89

predominante devido às mudanças na circulação regional e no transporte de umidade 25

para a bacia. De modo geral, a redução da reciclagem de precipitação na Amazônia é 26

mais pronunciada na estação seca, atingindo 40% no final do século, sendo diretamente 27

influenciada pela redução da evapotranspiração da superfície, mas, principalmente, pela 28

intensificação do fluxo de umidade sobre a bacia. No entanto, a mudança na reciclagem 29

é maior na Amazônia meridional – redução da ordem de 50% na estação seca no final 30

do século. Esses resultados mostram que, a mudança do clima devido ao aumento dos 31

gases de efeito estufa pode afetar de forma significativa os componentes do balanço de 32

água e a reciclagem de precipitação na bacia amazônica, implicando em graves 33

consequências ecológicas ao bioma, tais como: afetando a dinâmica dos ecossistemas, 34

reduzindo a capacidade da floresta em absorver o carbono da atmosfera, favorecendo a 35

ocorrência de eventos extremos (secas e enchentes), aumentando a temperatura à 36

superfície e, consequentemente, a frequência e intensidade das queimadas. 37

Palavras-chave: Amazônia; reciclagem de precipitação; balanço de água, modelo 38

regional Eta; cenário de emissões RCP 8.5. 39

90

PRECIPITATION RECYCLING IN THE AMAZON BASIN: PRESENT 40

CLIMATE AND FUTURE SCENARIOS 41

42

ABSTRACT 43

The aim of this study is to evaluate the effects of climate change on precipitation 44

recycling in the Amazon basin during the 21st century by addressing the physical 45

mechanisms involved in this process using the Eta Regional Climate Model forced by 46

RCP 8.5 emissions scenario from the HadGEM2-ES earth system model. To estimate 47

precipitation recycling the model was adopted based on the atmosphere moisture 48

balance as described by Brubaker et al. (1993) and Trenberth (1999). On average, 49

precipitation recycling in the Amazon basin simulated by the model for the present 50

climate is 22%, with spatial and seasonal variation, and more intense recycling in the 51

southern Amazon (27%). The changes projected for future climate show that the 52

impacts on the water budget components were more significant during the rainy season 53

and southern basin sector, especially at the end of the 21st century. The positive 54

feedback mechanism is configured during the austral summer and on average annually, 55

i.e., the reduction of moisture convergence (due to change the thermodynamic structure 56

of the atmosphere and regional circulation patterns) and surface evapotranspiration 57

acted in the same way to reduce total precipitation. The negative feedback mechanism is 58

seen during the austral winter, where the reduction of evapotranspiration is partially 59

offset by the increase in moisture convergence, however, not sufficient to offset the 60

reduction in precipitation. The reduction in total precipitation in the Amazon was due to 61

both the decrease of local and advective precipitation, but the advective had a major role 62

due to changes in the regional circulation and moisture transport over the basin. In 63

91

general, the reduction of precipitation recycling in the Amazon was predicted to be 64

more pronounced in the dry season, reaching 40% at the end of the 21st century, and 65

was directly influenced by the reduction in surface evaporation, but was primarily 66

driven by enhancing the moisture transport over the basin. However, the change in 67

recycling is higher in the southern Amazon – a reduction of around 50% in the dry 68

season at the end of the century. These results show that climate change due to 69

increased greenhouse effects can significantly affect the components of the water 70

budget and precipitation recycling in the Amazon basin, resulting in serious ecological 71

consequences for the biome, such as affecting ecosystem dynamics, reduction in the 72

forest's ability to absorb carbon from the atmosphere, causing the occurrence of extreme 73

events (drought and flooding), increasing the surface temperature, and hence, the 74

frequency and intensity of fires. 75

Keywords: Amazon basin; precipitation recycling; water budget; Eta regional Model; 76

RCP 8.5 emissions scenario. 77

92

INTRODUÇÃO 78

A Amazônia é a única grande extensão contínua de floresta tropical úmida do 79

mundo com uma área de aproximadamente 6,5 milhões de km2, que corresponde a 56% 80

das florestas tropicais da Terra, desempenhando um importante papel nas trocas de 81

energia, umidade e massa entre a superfície continental e a atmosfera, fornecendo 82

serviços ambientais fundamentais para a manutenção do clima regional e global, tais 83

como: o armazenamento e absorção do excesso de carbono da atmosfera, o transporte de 84

gases traço, aerossóis e vapor d’água para regiões remotas e, principalmente, a 85

reciclagem de precipitação, de grande importância para a manutenção de seus 86

ecossitemas. A floresta amazônica também atua como fonte indispensável de calor para 87

a atmosfera global através de sua intensa evapotranspiração e liberação de calor latente 88

na média e alta troposfera tropical, contribuindo na geração e manutenção da circulação 89

atmosférica em escalas regional e global (Artaxo et al., 2005; Fearnside, 2005; 90

Marengo, 2006; Malhi et al., 2008; Nobre et al., 2009a,b; Satyamurty et al., 2013). Com 91

relação ao balanço de água, a bacia amazônica se comporta como um sumidouro de 92

umidade da atmosfera, recebendo vapor d’água tanto do transporte de origem oceânica 93

quanto da evapotranspiração produzida pela própria floresta tropical. Considerando a 94

circulação regional, a Amazônia representa uma importante fonte de umidade para o 95

Centro, Sudeste e Sul do Brasil, assim como para o norte da Argentina, incluindo a 96

bacia do Prata, contribuindo para o regime da precipitação nessas regiões (Marengo, 97

2004, 2005, 2006; Marengo et al., 2004; Vera et al., 2006; Correia et al., 2007; 98

Satyamurty et al., 2013). 99

O conceito de reciclagem de precipitação refere-se ao mecanismo de 100

retroalimentação “feedback” entre a superfície e a atmosfera onde a evapotranspiração 101

93

local contribui, significativamente, na precipitação total sobre uma região. Em outras 102

palavras, a reciclagem de precipitação é definida como a quantidade de água que 103

evapotranspirada da superfície terrestre em uma determinada região retorna na forma de 104

precipitação sobre a mesma região (Brubaker et al., 1993; Eltahir e Bras, 1994; 105

Trenberth, 1999; Rocha et al., 2015). Utilizando dados observacionais, reanálises e 106

simulações de modelos numéricos, diversos estudos foram realizados com o objetivo de 107

avaliar a distribuição da reciclagem de precipitação na bacia amazônica: Molion (1975), 108

Marques et al. (1977), Brubaker et al. (1993), Eltahir e Bras (1994), Trenberth (1999), 109

Costa e Foley (1999), Nóbrega et al. (2005), Van der Ent et al. (2010), Satyamurty et al. 110

(2013), entre outros. Segundo esses estudos, estima-se que a reciclagem de precipitação 111

na bacia amazônica é da ordem de 20-35%, apresentando intensa variabilidade espaço-112

temporal. Apesar das diferenças quantitativas, todos os estudos mostram que o 113

mecanismo de reciclagem é um forte indicador da importância dos processos de 114

superfície e do clima no ciclo hidrológico, assim como da sensibilidade climática 115

relacionada às alterações nesses processos. Entretanto, os efeitos da variabilidade e das 116

mudanças climáticas na reciclagem de precipitação e, consequentemente, no ciclo 117

hidrológico regional ainda não são completamente entendidos. 118

A Amazônia é sensível às variabilidades e mudanças no sistema climático, 119

devido tanto às variações naturais (não lineares) inerentes ao próprio sistema quanto às 120

antropogênicas, tais como: o aumento na concentração dos gases de efeito estufa (GEE) 121

na atmosfera e as mudanças de uso e cobertura da terra como, por exemplo, 122

desflorestamento, atividades agrícolas e urbanização (Correia et al., 2008; Rocha et al., 123

2012; Marengo et al., 2012; Espinoza et al., 2014; Marengo e Espinoza, 2015). Essas 124

mudanças podem afetar o funcionamento dos ecossistemas amazônicos, reduzindo sua 125

94

capacidade de capturar o carbono da atmosfera, influenciando os padrões espaciais de 126

umidade do solo, alterando o ciclo hidrológico regional e, conseqüentemente, a 127

reciclagem de precipitação. Marengo et al. (2012) avaliaram os impactos da mudança 128

climática sobre a América do Sul ao longo do século XXI utilizando o modelo climático 129

regional (MCR) Eta, do Instituto Nacional de Pesquisas Espacias (INPE), e cenário de 130

emissões A1B (Special Reporton Emission Scenarios – SRES) provenientes do modelo 131

de circulação geral (MCG) HadCM3. Os autores observaram redução da precipitação 132

nas regiões tropicais do continente, incluindo a Amazônia e o Nordeste do Brasil, e 133

aumento sobre o Sudeste da América do Sul (SEAS). Chou et al. (2014) realizaram 134

simulações com alta resolução utilizando o MCR Eta forçado com os cenários de 135

emissões RCP 8.5 e RCP 4.5 (Representative Concentration Pathway – RCP) 136

provenientes dos modelos do sistema terrestre HadGEM2-ES e MIROC5 a fim de 137

avaliar os efeitos da mudança do clima durante o século XXI. Segundo os autores, a 138

redução da precipitação na parte central e o aumento sobre o SEAS são mudanças 139

comuns projetadas por ambos os modelos globais. 140

Apesar das mudanças projetadas no ciclo hidrológico da bacia amazônica, ainda 141

não se conhece quais as implicações que as mudanças climáticas podem produzir na 142

reciclagem de precipitação na Amazônia e quais mecanismos físicos contribuirão para 143

alterar a reciclagem. Diante disso, o objetivo deste estudo é avaliar os efeitos da 144

mudança do clima ao longo do século XXI sobre a reciclagem de precipitação na 145

Amazônia, abordando os mecanismos físicos envolvidos nesse processo. Para tanto, 146

foram utilizadas as simulações do MCR Eta forçado com o cenário de emissões RCP 147

8.5 produzido a partir do modelo do sistema terrestre HadGEM2-ES (Chou et al., 2014) 148

95

e o método fundamentado no balanço de umidade na atmosfera descrito por Brubaker et 149

al. (1993) e Trenberth (1999) para a estimativa da reciclagem de precipitação. 150

151

MATERIAL E MÉTODOS 152

153

Modelo da reciclagem de precipitação 154

Diferentes abordagens são utilizadas na formulação de métodos para quantificar 155

a reciclagem de precipitação. Os métodos pautados no balanço de umidade da atmosfera 156

(Budyko, 1974; Brubaker et al., 1993; Eltahir e Bras, 1994; Savenije, 1995; Schar et al., 157

1999; Trenberth, 1999), por exemplo, fazem uso de dados de estações meteorológicas, 158

reanálises ou simulações de modelos atmosféricos. Entretanto, métodos baseados na 159

trajetória de moléculas de água na atmosfera desde sua fonte de origem até a ocorrência 160

de precipitação também são utilizados (Koster et al., 1986; Dirmeyer e Brubaker, 1999). 161

Neste estudo, o método adotado para quantificar a reciclagem de precipitação baseia-se 162

no balanço de umidade da atmosfera, descrito por Brubaker et al. (1993) e Trenberth 163

(1999). 164

O método descrito por Brubaker et al. (1993) e Trenberth (1999) define que, 165

considerando a escala de comprimento L, a evapotranspiração E e a precipitação total P 166

em uma determinada região, os fluxos de vapor d’água integrado na vertical que entra 167

(Fin) e sai (Fout) dessa região (Figura 1) podem ser determinados pela Equação 1: 168

96

169

Figura 1. Diagrama conceitual dos processos considerados na reciclagem de 170 precipitação: P precipitação total (mm dia-1); E evapotranspiração (mm dia-1); Fin e Fout 171 são os fluxos de vapor d’água integrado na vertical (kg m-1 s-1) que entra e sai da região, 172

respectivamente; F fluxo de umidade médio na área (kg m-1 s-1); L escala de 173 comprimento (km). Fonte: Trenberth (1999). 174

175

LPEFF inout (1)

Onde o fluxo horizontal médio do vapor d’água na área é definido como: 176

LPEFFFF inoutin 5,05,0 (2)

No método proposto por Brubaker et al. (1993) e Trenberth (1999), a 177

precipitação total (P) na região é particionada em precipitação de origem local (Pl) e 178

precipitação de origem advectiva (Pa), ou seja: 179

al PPP (3)

Dessa forma, o fluxo horizontal médio proveniente da umidade advectada para a 180

região é dado por: 181

97

LPF ain 5,0 (4)

E o fluxo horizontal médio oriundo da evapotranspiração local é dado por: 182

LPE l5,0 (5)

Assumindo que a atmosfera é bem misturada, de maneira que a razão da 183

precipitação proveniente da advecção versus aquela decorrente da evapotranspiração é 184

proporcional à razão entre o fluxo de umidade advectado e o evapotranspirado, então, 185

tem-se a seguinte expressão: 186

LPE

LPF

P

P

l

ain

l

a

5,0

5,0

(6)

Logo, a reciclagem de precipitação (β) pode ser determinada por: 187

in

l

FEL

EL

P

P

2

(7)

Utilizando a Equação 2, a reciclagem de precipitação (β) pode ser reescrita da 188

seguinte forma: 189

FPL

EL

2

(8)

Portanto, o pressuposto básico deste método é que a atmosfera é bem misturada 190

e a mudança no armazenamento de umidade na atmosfera é desprezível em comparação 191

aos outros termos. Brubaker et al. (1993) e Trenberth (1999) recomendam que para a 192

bacia amazônica seja utilizada a escala de comprimento L = 2.750 km na estimativa da 193

reciclagem. 194

98

195

Cenário de emissões 196

Neste estudo utilizou-se o cenário de emissões RCP 8.5, produzido a partir das 197

simulações do modelo do sistema terrestre HadGEM2-ES. No Quinto Relatório de 198

Avaliação do Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC, 2013), os 199

cenários são baseados no forçamento radiativo antropogênico total ao final do século 200

XXI. Os modelos de desenvolvimento socioeconômicos podem assumir diferentes 201

trajetórias que convergirão em quatro forçantes radiativas distintas, equivalentes às 202

concentrações dos GEE denominados Representative Concentration Pathway (RCP) 203

cenários. Os quatro diferentes cenários são denominados como: RCP 8.5, RCP 6.0, RCP 204

4.5 e RCP 2.6, que correspondem às forçantes radiativas de 8.5 Wm-2, 6.0 Wm-2, 205

4.5 Wm-2 e 2.6 Wm-2, respectivamente. O primeiro (último) RCP é o mais pessimista 206

(otimista) e resulta em um aquecimento médio global de, aproximadamente, 4°C (1°C) 207

ao final do século XXI. 208

209

Os modelos 210

Neste estudo foram utilizados os cenários de clima futuro (RCP 8.5) produzidos 211

pelo modelo global acoplado do sistema terrestre HadGEM2-ES, do Met Office Hadley 212

Centre (MOHC), e regionalizado para a América do Sul com o MCR Eta 213

(CPTEC/INPE). 214

O modelo do sistema terrestre utilizado para downscaling é o HadGEM2-ES 215

(Collins et al., 2011; Martin et al., 2011). O HadGEM2-ES é um modelo em ponto de 216

grade de resolução N96, que equivale à 1,875 graus de longitude e 1,275 graus de 217

latitude, e 38 níveis na atmosfera. No oceano, o modelo possui 40 níveis na vertical; e 218

99

na horizontal, a resolução varia de 1/3 graus nos trópicos a 1 grau nas latitudes 219

superiores a 30°. O HadGEM2-ES é um modelo do sistema terrestre cujo ciclo do 220

carbono é representado. Sobre a superfície da terra, o ciclo do carbono é modelado pelo 221

esquema de vegetação dinâmica TRIFFID (Top-down Representation of Interactive 222

Foliage Including Dynamics) (Cox, 2001), que distingue cinco tipos funcionais de 223

plantas: árvores de folhas grandes e coníferas, gramíneas C3 e C4, e vegetação 224

arbustiva. O HadGEM2-ES ainda inclui a química da atmosfera e um modelo de 225

aerossol com a representação do carbono orgânico e da pluma de poeira. 226

O modelo regional Eta é utilizado operacionalmente no CPTEC/INPE desde 227

1997 para a previsão do tempo (Chou, 1996), desde 2002 para previsões climáticas 228

sazonais (Chou et al., 2005), e desde 2010 para simulações de mudanças climáticas 229

(Pesquero et al., 2010; Marengo et al., 2012). Esta versão tem sido validada e aplicada 230

para estudos de impacto e vulnerabilidade (Resende et al., 2011; Rodrigues et al., 2011; 231

Matos et al., 2012; Chou et al., 2014). O MCR Eta utiliza a coordenada vertical eta 232

(Mesinger, 1984), que permanece aproximadamente horizontal em áreas montanhosas, o 233

que torna a coordenada adequada para estudos em regiões de topografia acidentada 234

como a Cordilheira dos Andes na América do Sul. A dinâmica do modelo é determinada 235

em volumes finitos (Janjić, 1984; Mesinger et al., 2012). As convecções profunda e rasa 236

são parametrizadas de acordo com o esquema de Betts-Miller (Betts e Miller, 1986), 237

modificado por Janjić (1994). A microfísica de nuvens segue o esquema de Zhao et al. 238

(1997). Os processos de superfície da terra são representados pelo esquema NOAH (Ek 239

et al., 2003). O MCR Eta distingue 12 tipos de vegetação e 9 tipos de solo. Os fluxos 240

radiativos são tratados pelo esquema de Lacis e Hansen (1974) para ondas curtas e pelo 241

esquema proposto por Fels e Schwarzkopf (1975) para ondas longas. 242

100

243

Estratégia de integração numérica 244

Neste estudo foram utilizados os cenários de clima presente e futuro 245

regionalizados pelo MCR Eta forçado com o modelo do sistema terrestre HadGEM2-ES 246

(Chou et al., 2014). Para o clima presente, correspondendo ao período de 1961 a 2005, a 247

concentração de dióxido de carbono (CO2) foi mantida constante, a 330 ppm. Para o 248

clima futuro, as integrações numéricas foram executadas em três períodos: 2006-2040, 249

2040-2070 e 2070-2100, utilizando o cenário de emissões RCP 8.5. A temperatura da 250

superfície do mar (TSM) é fornecida pelo modelo global HadGEM2-ES e atualizada 251

diariamente. Tanto a umidade inicial do solo quanto a temperatura inicial do solo são 252

derivadas do modelo do sistema terrestre. As condições de contorno lateral foram 253

atualizadas a cada 6 horas. O modelo foi configurado com uma resolução de 20 km e 38 254

níveis verticais, cujo topo definiu-se em 25 hPa. O domínio do modelo abrange a maior 255

parte da América do Sul (Figura 2). 256

101

257

Figura 2. Domínio do modelo. Bacia amazônica, limite em preto; Amazônia 258 setentrional, limite em vermelho; Amazônia meridional, limite em azul. 259

260

RESULTADOS E DISCUSSÃO 261

Os resultados são apresentados para períodos futuros de 20 anos: 2015-2035, 262

2045-2065 e 2079-2099. As mudanças climáticas são avaliadas com base no período 263

histórico de 1985 a 2005, definido como clima presente, considerando os campos 264

médios sazonais contrastantes e o ciclo anual dos componentes do balanço de umidade 265

(precipitação total, precipitação de origem local, precipitação de origem advectiva, 266

evapotranspiração à superfície, transporte de vapor d’água e convergência de umidade 267

integrada verticalmente) e da reciclagem de precipitação na bacia amazônica (Figura 2). 268

A avaliação dos impactos nos componentes do balanço de água na Amazônia faz-se 269

necessária, uma vez que, a reciclagem de precipitação está diretamente associada às 270

variações espaço-temporais desses componentes. 271

102

272

Precipitação e evapotranspiração 273

As Figuras 3 e 4 apresentam as mudanças nos campos médios da precipitação e 274

evapotranspiração, respectivamente, em relação ao período de 1985 a 2005, projetadas 275

pelo modelo RCP 8.5 Eta-HadGEM2-ES para os três períodos futuros (2015-2035, 276

2045-2065 e 2079-2099) durante o verão (DJF) e inverno (JJA) austral. Em DJF, uma 277

redução significativa da precipitação é observada sobre uma grande área que se estende 278

desde a região Norte até o Centro-Sul do Brasil, na região de atuação da Zona de 279

Convergência do Atlântico Sul (ZCAS), principal sistema meteorológico responsável 280

pelo acúmulo de grandes quantidades de chuva sobre o continente. A mudança no clima 281

sugere uma redução na frequência dos episódios de ZCAS ou uma redução da atividade 282

convectiva na região da ZCAS na geração de precipitação. Esta redução está de acordo 283

com a intensificação da alta pressão subtropical e dos ventos sobre o continente, que 284

podem bloquear a passagem de frentes frias se movendo em direção às latitudes 285

inferiores. Comparando com os resultados encontrados por Marengo et al. (2012), no 286

qual utilizaram o modelo Eta-HadCM3 e o cenário de emissões SRES A1B, a redução 287

da precipitação nesse estudo com o cenário RCP 8.5 foi mais extensa, expandindo-se 288

mais para o sul do Brasil. Embora o sinal de redução da precipitação ocorra nos três 289

períodos futuros, ao final do século a redução é mais intensa. Além disso, a região de 290

máxima redução da precipitação está localizada sobre o Centro e o Sudeste do Brasil, e 291

não na Amazônia ou no Nordeste do Brasil como apresentado em Marengo et al. 292

(2012). O extremo norte da América do Sul e noroeste da Amazônia mostram aumento 293

da precipitação, sobretudo nos períodos de 2015-2035 e 2045-2065, estando associado 294

ao aumento da convergência de umidade e massa em baixos níveis e, também, ao 295

103

transporte de ar úmido trazido pelos ventos alísios na Zona de Convergência 296

Intertropical (ZCIT). Em JJA, com a migração da ZCIT em direção às latitudes 297

setentrionais, a redução na precipitação ocorre, principalmente, no setor norte do 298

continente. Por outro lado, é projetado para o final do século um aumento da 299

precipitação no SEAS, porém, limitada às áreas próximas ao litoral sul do Brasil. Na 300

bacia amazônica, de maneira geral, a redução da precipitação é mais pronunciada 301

durante a estação chuvosa e, principalmente, ao final do século (37%). Os impactos 302

foram mais significativos sobre a Amazônia meridional, também durante a estação 303

chuvosa, onde a redução da precipitação foi de, aproximadamente, 40% ao final do 304

século. Considerando toda a bacia, na média anual, a redução da precipitação é da 305

ordem de 16%, 11% e 35% no início, meados e final do século XXI, respectivamente. 306

307

Figura 3. Distribuição média da precipitação (mm dia-1) para o clima presente e a 308 diferença entre os períodos futuros e o clima presente projetada pelo modelo 309 RCP 8.5 Eta-HadGEM2-ES em DJF (linha superior) e JJA (linha inferior). Colunas da 310 esquerda para a direita: 1 – clima presente (1985-2005, sem o cenário RCP 8.5); 2 – 311

104

2015-2035; 3 – 2045-2065; 4 – 2079-2099. A magnitude das mudanças projetadas é 312

destacada nas paletas de cores à direita. 313 314

Em DJF, uma redução significativa da evapotranspiração é observada, 315

sobretudo, no litoral norte da América do Sul, na Amazônia oriental, interior do 316

Nordeste do Brasil, na região Sudeste do país e em grande parte do Brasil Central. Por 317

outro lado, verifica-se um aumento da evapotranspiração sobre o sul do continente, 318

especificamente no setor centro-norte da Argentina. Em JJA, a redução da 319

evapotranspiração é mais pronunciada no Brasil Central, na Amazônia meridional e 320

oriental, e no litoral norte da América do Sul. Todavia, é identificado um aumento da 321

evapotranspiração sobre o noroeste da bacia amazônica, principalmente, ao final do 322

século. A mudança no clima, devido ao cenário de emissões RCP 8.5, indica que a 323

redução da precipitação em grande parte da América do Sul afetou o estoque de água no 324

solo, isto é, a umidade do solo diminuiu e, consequentemente, o fluxo de calor latente 325

(evapotranspiração) reduziu; com isso, a maior parte do particionamento de energia foi 326

para fluxo de calor sensível, aquecendo o ar e aumentando a temperatura sobre o 327

continente. Chou et al. (2014) observaram um aumento da temperatura à superfície na 328

bacia amazônica da ordem de 3,5°C e 8,0°C durante o início e fim do século XXI, 329

respectivamente. Embora o sinal de redução da evapotranspiração em grande parte do 330

continente sul americano ocorra nos três períodos futuros, tanto no verão quanto no 331

inverno austral, os máximos são projetados para o final do século, porém, com maior 332

(menor) intensidade em DJF (JJA). 333

105

334

Figura 4. Distribuição média da evapotranspiração (mm dia-1) para o clima presente e a 335 diferença entre os períodos futuros e o clima presente projetada pelo modelo 336

RCP 8.5 Eta-HadGEM2-ES em DJF (linha superior) e JJA (linha inferior). Colunas da 337

esquerda para a direita: 1 – clima presente (1985-2005, sem o cenário RCP 8.5); 2 – 338

2015-2035; 3 – 2045-2065; 4 – 2079-2099. A magnitude das mudanças projetadas é 339 destacada nas paletas de cores à direita. 340

341

Transporte e convergencia de umidade 342

As Figuras 5 e 6 apresentam as mudanças nos campos médios do fluxo e da 343

convergência do vapor d’água integrado verticalmente, respectivamente, projetadas pelo 344

modelo RCP 8.5 Eta-HadGEM2-ES. De maneira geral, um padrão da circulação 345

equatorial durante o verão austral são os ventos alísios que, associados à intensificação 346

da alta subtropical do Atlântico Norte, transportam umidade para o interior da bacia 347

amazônica e do continente. Segundo Satyamurty et al. (2013) e Drumond et al. (2014), 348

esse fluxo de vapor d’água proveniente do Atlântico equatorial é a principal fonte de 349

umidade para a Amazônia. As projeções do modelo RCP 8.5 Eta-HadGEM2-ES para os 350

106

três períodos futuros mostram que, o transporte de umidade se intensificou sobre a bacia 351

amazônica e desintensificou na região do jato de baixos níveis (JBN) durante o verão 352

austral, conduzindo menos umidade da Amazônia para o Centro-Sul e Sudeste do 353

Brasil. As mudanças na circulação da atmosfera ocasionaram, ainda, um aumento no 354

transporte de umidade em direção ao setor centro-norte da Argentina (Figura 5). Nessa 355

estação, a redução da convergência de umidade em baixos níveis sobre uma grande área 356

que se estende desde a região Norte ao Centro-Sul do Brasil (Figura 6) conduziu a 357

redução da precipitação nessas regiões. Na bacia amazônica observou-se uma redução 358

signifcativa da convergência de umidade, apresentando valores entre 3 e 5 mm dia-1. 359

Outrossim, a redução da convergência de umidade também é observada na região da 360

ZCIT, contribuindo para a redução do regime de chuvas no norte e nordeste do 361

continente. Em JJA, a circulação em baixos níveis projetada para os três períodos 362

futuros mostra uma intensificação do transporte de umidade sobre a bacia amazônica. 363

Além disso, as mudanças na circulação da atmosfera conduziram ao aumento no 364

transporte de umidade para a região Sul do Brasil, principalmente a partir de meados do 365

século XXI (Figura 5). Na Amazônia, a redução da convergência de umidade foi mais 366

intensa nos setores norte e oeste da bacia, exercendo papel preponderante na redução da 367

precipitação sobre essas áreas (Figura 6). 368

107

369

Figura 5. Distribuição média do fluxo de vapor d’água integrado verticalmente (kg m-370 1 s-1) para o clima presente e a diferença entre os períodos futuros e o clima presente 371

projetada pelo modelo RCP 8.5 Eta-HadGEM2-ES em DJF (linha superior) e JJA (linha 372 inferior). Colunas da esquerda para a direita: 1 – clima presente (1985-2005, sem o 373 cenário RCP 8.5); 2 – 2015-2035; 3 – 2045-2065; 4 – 2079-2099. A magnitude das 374

mudanças projetadas é destacada nas paletas de cores à direita. 375

108

376

Figura 6. Distribuição média da convergência de umidade (mm dia-1) para o clima 377

presente e a diferença entre os períodos futuros e o clima presente projetada pelo 378 modelo RCP 8.5 Eta-HadGEM2-ES em DJF (linha superior) e JJA (linha inferior). 379

Colunas da esquerda para a direita: 1 – clima presente (1985-2005, sem o cenário 380 RCP 8.5); 2 – 2015-2035; 3 – 2045-2065; 4 – 2079-2099. A magnitude das mudanças 381

projetadas é destacada nas paletas de cores à direita. 382 383

Reciclagem de precipitação 384

A maioria dos estudos sobre reciclagem de precipitação tem demonstrado que 385

este mecanismo é fortemente influenciado pela precipitação total, evapotranspiração da 386

superfície e pelo transporte de vapor d’água sobre a região. A umidade que dá origem à 387

precipitação sobre regiões continentais é proveniente de duas fontes: (i) advecção de 388

vapor d’água oriundo de outras regiões por meio de movimentos de massas de ar e (ii) o 389

vapor d’água local por meio da evapotranspiração da superfície da própria região. A 390

evapotranspiração, por sua vez, depende da disponibilidade de umidade na área ou 391

abaixo da superfície (zona insaturada), que é evaporada diretamente ou através da 392

109

transpiração da vegetação. Consequentemente, mudanças de uso e cobertura da terra e 393

do clima, decorrente do aumento dos GEE, afetam a quantidade de precipitação sobre a 394

região, assim como a reciclagem. 395

A Figura 7 apresenta a distribuição média da reciclagem de precipitação em DJF 396

e JJA simulada pelo modelo Eta-HadGEM2-ES para o clima presente e as mudanças 397

projetadas utilizando o cenário de emissões RCP 8.5 para os três períodos futuros. De 398

modo geral, a reciclagem de precipitação simulada pelo modelo para o clima presente é 399

mais pronunciada sobre a porção centro-sul do continente, sendo diretamente 400

influenciada pela evapotranspiração da superfície dessa região. Na América do Sul, os 401

valores médios da reciclagem de precipitação variaram entre 10% e 80%, com índices 402

extremos da ordem de 70% a 80% no sul do Brasil. Em DJF, a reciclagem de 403

precipitação apresentou valores maiores (menores) no setor sul (norte) da bacia 404

amazônica, associados ao enfraquecimento (à intensificação) do transporte de umidade. 405

Os valores da reciclagem na Amazônia variaram entre 17% e 27% sobre os setores norte 406

e sul da bacia, respectivamente. Além disso, os valores da reciclagem de precipitação na 407

bacia amazônica tendem a aumentar de leste para oeste devido à redução da intensidade 408

do fluxo de vapor d’agua para oeste. Em JJA, o aumento na intensidade do transporte de 409

umidade foi preponderante para a redução da reciclagem sobre a porção norte da bacia 410

(18%). Entretanto, na porção sul os valores da reciclagem (30%) foram determinados 411

pela evapotranspiração e, também, pela redução do fluxo de umidade para a região. As 412

mudanças projetadas pelo modelo Eta-HadGEM2-ES utilizando o cenário RCP 8.5 para 413

o clima futuro mostram que, em DJF, a reciclagem de precipitação reduziu na bacia do 414

Prata, nas regiões Sudeste e Nordeste do Brasil, estendendo-se para a Amazônia oriental 415

ao final do século. Em JJA, a redução da reciclagem ocorreu no sudeste e centro-oeste 416

110

do Brasil e sul da Amazônia. Na bacia amazônica a reciclagem de precipitação reduziu 417

em todos os períodos futuros, com impactos mais (menos) significativos na estação seca 418

(úmida) e ao final do século, 40% (30%). Na média anual, a redução da reciclagem foi 419

da ordem de 10%, 16% e 35% no início, meados e final do século, respectivamente. Em 420

termos regionais as principais mudanças ocorreram na porção sul da bacia: redução da 421

ordem de 50% durante a estação seca e ao final do século. Considerando toda a bacia 422

amazônica, a redução da evapotranspiração e o aumento do fluxo de umidade 423

contribuíram para a redução da reciclagem; entretanto, em termos relativos, o efeito do 424

aumento do fluxo de umidade é preponderante. Esse padrão também é observado em 425

ambas as sub-bacias. 426

427

Figura 7. Distribuição média da reciclagem de precipitação (%) para o clima presente e 428 a diferença entre os períodos futuros e o clima presente projetada pelo modelo 429 RCP 8.5 Eta-HadGEM2-ES em DJF (linha superior) e JJA (linha inferior). Colunas da 430 esquerda para a direita: 1 – clima presente (1985-2005, sem o cenário RCP 8.5); 2 – 431

111

2015-2035; 3 – 2045-2065; 4 – 2079-2099. A magnitude das mudanças projetadas é 432

destacada nas paletas de cores à direita. 433 434

A partir do conceito da reciclagem de precipitação (β = Pl/P) foram estimadas a 435

precipitação de origem local (gerada a partir da evapotranspiração da região) e 436

advectiva (proveniente do transporte de umidade para a região). As Figuras 8 e 9 437

apresentam as mudanças nos campos médios sazonais da precipitação de origem local e 438

advectiva, respectivamente, projetadas pelo modelo RCP 8.5 Eta-HadGEM2-ES para os 439

três períodos futuros. Em DJF, uma redução da precipitação de origem local é 440

observada sobre a Amazônia meridional (estendendo-se para a Amazônia central e 441

oriental ao final do século), Pantanal, parte da bacia do Prata e, de forma mais 442

significativa, nas regiões Central, Sul e Sudeste do Brasil, associada à diminuição da 443

evapotranspiração da superfície. Do mesmo modo, durante o verão austral, uma redução 444

da precipitação de origem advectiva é verificada em uma grande área que se estende 445

desde o norte até o centro-sul do Brasil (região predominante da ZCAS), contribuindo 446

para a redução da precipitação total sobre o continente. Tanto a redução da precipitação 447

de origem local quanto advectiva contribuíram para a mudança da precipitação total 448

sobre a bacia amazônica, sendo que, a precipitação de origem advectiva apresentou 449

papel preponderante. Por outro lado, o extremo norte da América do Sul e noroeste da 450

Amazônia mostram aumento da precipitação de origem advectiva, sobretudo entre 451

2015-2035 e 2045-2065, associada ao aumento da convergência de umidade e massa em 452

baixos níveis. O aumento da precipitação de origem advectiva sobre o sul do continente, 453

especificamente no setor centro-norte da Argentina, deve-se, principalmente, ao 454

aumento no transporte de vapor d’água e da convergência de umidade nessa região, 455

causado pelas mudanças na circulação atmosférica. Em JJA, a redução da precipitação 456

112

de origem local e advectiva ocorrem, sobretudo, no setor norte da América do Sul, em 457

especial na Amazônia ocidental. A redução da precipitação de origem local, associada à 458

diminuição da evapotranspiração da floresta tropical, é mais evidente no sudoeste da 459

bacia amazônica e ao final do século, enquanto que a redução da precipitação de origem 460

advectiva é maior sobre o norte e noroeste da região em todos os períodos futuros. Por 461

outro lado, é projetado para o final do século um aumento da precipitação de origem 462

advectiva nas áreas próximas ao litoral sul do Brasil, associada ao aumento no 463

transporte de vapor d’água e da convergência de umidade e massa em baixos níveis. 464

Esses resultados mostram que, as mudanças no clima decorrentes do aumento dos GEE 465

afetam a estrutura termodinâmica da atmosfera, alterando a circulação em escala 466

regional, o transporte de umidade sobre a bacia amazônica e, consequentemente, a 467

precipitação de origem advectiva e local, por meio das mudanças na reciclagem de 468

precipitação. 469

470

113

Figura 8. Distribuição média da precipitação de origem local (mm dia-1) para o clima 471

presente e a diferença entre os períodos futuros e o clima presente projetada pelo 472 modelo RCP 8.5 Eta-HadGEM2-ES em DJF (linha superior) e JJA (linha inferior). 473 Colunas da esquerda para a direita: 1 – clima presente (1985-2005, sem o cenário 474 RCP 8.5); 2 – 2015-2035; 3 – 2045-2065; 4 – 2079-2099. A magnitude das mudanças 475 projetadas é destacada nas paletas de cores à direita. 476

477

478

Figura 9. Distribuição média da precipitação de origem advectiva (mm dia-1) para o 479 clima presente e a diferença entre os períodos futuros e o clima presente projetada pelo 480 modelo RCP 8.5 Eta-HadGEM2-ES em DJF (linha superior) e JJA (linha inferior). 481 Colunas da esquerda para a direita: 1 – clima presente (1985-2005, sem o cenário 482 RCP 8.5); 2 – 2015-2035; 3 – 2045-2065; 4 – 2079-2099. A magnitude das mudanças 483

projetadas é destacada nas paletas de cores à direita. 484 485

Balanço de umidade e ciclo anual 486

A Tabela 1 apresenta as mudanças médias sazonais para o verão e inverno 487

austral, e anual dos componentes do balanço de umidade – precipitação total (P), 488

precipitação de origem local (Pl), precipitação de origem advectiva (Pa), 489

evapotranspiração da superfície (E), convergência de umidade (C) e fluxo de vapor 490

114

d’água integrado verticalmente (F) – e da reciclagem de precipitação (RP) projetadas 491

pelo modelo RCP 8.5 Eta-HadGEM2-ES para os três períodos futuros (2015-2035, 492

2045-2065 e 2079-2099), em relação ao clima presente (1985-2005), na bacia 493

amazônica e em seus respectivos setores norte e sul. De maneira geral, a redução de P é 494

mais (menos) pronunciada durante a estação chuvosa (seca), sendo a redução de Pa o 495

principal fator para a mudança no regime da precipitação na estação chuvosa e Pl 496

durante a estação seca. Na média anual, a contribuição de Pa é igual (entre 2045-2065) 497

ou maior do que a de Pl para a redução de P. A mudança no clima da Amazônia no 498

cenário de emissões RCP 8.5 sugere a configuração do mecanismo de retroalimentação 499

positivo (MRP) durante o verão austral e na média anual, isto é, a redução da 500

convergência de umidade (por meio da alteração na estrutura termodinâmica da 501

atmosfera e na circulação regional) e da evapotranspiração à superfície agiram no 502

mesmo sentido para reduzir a precipitação total. Este cenário é preocupante para a 503

Amazônia, uma vez que, o MRP pode causar instabilidade em seus ecossistemas, que 504

não apresentam grande capacidade de adaptação às mudanças climáticas, sobretudo, se 505

estas ocorrerem em um curto intervalo de tempo – décadas (Nobre et al., 2006; Scholze 506

et al., 2006; Salazar et al., 2007). Por outro lado, no inverno austral o mecanismo de 507

retroalimentação negativo (MRN) é caracterizado, isto é, a redução de E é parcialmente 508

compensada pelo aumento de C, porém, não o suficiente para inibir a redução de P. 509

Além disso, em JJA, a redução de P é menor do que a redução de E em todos os 510

períodos futuros. O MRN é um melhor cenário comparado ao mecanismo positivo, pois 511

tem o papel de atenuar os efeitos das mudanças no clima decorrentes do aumento dos 512

GEE. A redução da RP ocorre nos três períodos futuros e em ambas as estações, estando 513

associada à redução de E, mas, principalmente, ao aumento de F sobre a bacia; no 514

115

entanto, a mudança na reciclagem de precipitação é mais pronunciada durante a estação 515

seca e, sobretudo, ao final do século. De modo geral, as mudanças projetadas pelo 516

modelo RCP 8.5 Eta-HadGEM2-ES são mais significativas na Amazônia meridional. 517

Neste setor da bacia a redução de P é maior durante a estação chuvosa, sendo a redução 518

de Pa o principal fator para a mudança no regime de chuvas. A redução da RP ocorre 519

nas duas sub-bacias e, de maneira geral, é mais (menos) pronunciada em JJA (DJF), 520

sendo diretamente influenciada pela redução de E, mas, sobretudo, pelo aumento de F. 521

A Figura 10 apresenta o ciclo anual dos componentes do balanço de umidade e da 522

reciclagem de precipitação na bacia amazônica e em seus setores norte e sul. De 523

maneira geral, observa-se a redução de P, praticamente, em todos os meses nos três 524

períodos futuros, estando associada, principalmente, à redução de C sobre a região, que 525

conduziu menos Pa para a bacia amazônica. A sazonalidade de P, Pa e Pl é mais 526

pronunciada na Amazônia meridional e está associada ao padrão do regime de monção 527

da América do Sul e à oscilação no sentido norte-sul da ZCIT. No entanto, as mudanças 528

na Pl e Pa, e consequentemente na P, são mais significativas durante a estação chuvosa; 529

contudo, Pa apresentou maior contribuição para a redução de P. Considerando o ciclo 530

anual de F e da RP, verifica-se que, de maneira geral, a reciclagem de precipitação é 531

inversamente proporcional à intensidade do transporte de umidade, isto é, quanto maior 532

o fluxo de umidade sobre a Amazônia, menor é a reciclagem de precipitação. O ciclo 533

anual da RP é maior na Amazônia meridional nos três períodos futuros e está associado 534

ao transporte de umidade menos intenso nesse setor da bacia. A redução da RP é 535

verificada em todos os meses e períodos, sendo influenciada pela diminuição da 536

evapotranspiração da floresta, mas, principalmente, pela intensificação do transporte de 537

vapor d’água sobre a região. 538

116

Tabela 1. Mudanças médias sazonais (em %) de DJF, verão austral, e JJA, inverno austral, e anual dos componentes do balanço de

umidade – precipitação total (P, mm dia-1), precipitação de origem local (Pl, mm dia-1), precipitação de origem advectiva (Pa, mm dia-1),

evapotranspiração da superfície (E, mm dia-1), convergência de umidade (C, mm dia-1) e fluxo de vapor d’água integrado verticalmente (F,

kg m-1 s-1) – e da reciclagem de precipitação (RP, %) projetadas pelo modelo RCP 8.5 Eta-HadGEM2-ES para os três períodos futuros

(2015-2035, 2045-2065 e 2079-2099), em relação ao clima presente (1985-2005), na bacia amazônica, Amazônia setentrional e Amazônia

meridional.

Bacia Amazônica

Termos

1985-2005 2015-2035 2045-2065 2079-2099

DJF JJA Anual DJF JJA Anual DJF JJA Anual DJF JJA Anual

P 6,6 3,8 5,3 -17% -10% -16% -14% -4% -11% -37% -20% -35%

Pa 5,2 2,9 4,1 -15% -6% -13% -12% -- -8% -33% -10% -28%

Pl 1,4 0,9 1,2 -21% -23% -23% -23% -23% -25% -53% -50% -55% *Pa 79% 76% 77% 73% 50% 67% 67% 0 50% 71% 38% 63% *Pl 21% 24% 23% 27% 50% 33% 33% 100% 50% 29% 62% 37%

E 4,2 3,9 4,0 -6% -11% -8% -2% -7% -4% -19% -23% -24%

C 3,4 0,8 2,2 -22% +24% -22% -20% +48% -13% -44% +80% -25%

F 209 213 205 +6% +9% +9% +21% +20% +22% +35% +33% +36%

RP 21 23 22 -5% -15% -10% -10% -21% -16% -29% -40% -35%

Amazônia Setentrional

Termos

1985-2005 2015-2035 2045-2065 2079-2099


P 5,1 5,7 5,6 -- -9% -11% -2% -5% -9% -35% -23% -34%

Pa 4,3 4,7 4,6 -- -9% -9% -2% -4% -7% -32% -19% -30%

Pl 0,8 1,0 1,0 -- -10% -12% -- -10% -20% -52% -37% -50% *Pa 84% 82% 82% -- 80% 67% 100% 67% 60% 78% 69% 74% *Pl 16% 18% 18% -- 20% 33% 0 33% 40% 22% 31% 26%

E 3,7 4,1 3,9 -- -2% -3% -- -- -- -22% -10% -20%

C 3,3 2,7 3,1 -- -7% -10% -- -- -- -21% -4% -16%

F 273 274 263 +3% +8% +7% +18% +20% +20% +24% +30% +28%

RP 17 18 17 -4% -8% -5% -10% -13% -11% -30% -25% -29%

117

Amazônia Meridional

Termos

1985-2005 2015-2035 2045-2065 2079-2099


P 7,8 2,3 5,1 -23% -9% -21% -18% -- -15% -39% -13% -35%

Pa 5,8 1,6 3,7 -23% -- -17% -16% +13% -10% -33% +6% -27%

Pl 2,0 0,7 1,4 -27% -29% -30% -27% -29% -29% -55% -57% -59% *Pa 74% 70% 73% 72% 0 64% 64% -- 50% 63% 33% 56% *Pl 26% 30% 27% 28% 100% 36% 36% -- 50% 37% 133% 44%

E 4,5 3,8 4,2 -9% -18% -12% -3% -13% -10% -18% -35% -29%

C 3,4 -0,5 1,6 -41% +80% -44% -35% +100% -31% -62% +220% -44%

F 160 165 161 +10% +10% +12% +25% +20% +24% +50% +38% +47%

RP 25 30 27 -4% -22% -14% -8% -26% -18% -24% -51% -40% *Refere-se à contribuição de Pa e Pl para a precipitação total, P.

-- Significa que não houve mudanças consideráveis.

118

501

Figura 10. Média do ciclo anual dos componentes do balanço de umidade e da 502

reciclagem de precipitação simulado pelo modelo Eta-HadGEM2-ES para o clima 503 presente (1985-2005) e períodos futuros (2015-2035, 2045-2065 e 2079-2099) 504

utilizando o cenário de emissão RCP 8.5 na bacia amazônica (coluna à esquerda), 505 Amazônia setentrional (coluna central) e Amazônia meridional (coluna à direita). 506

Linhas de cima para baixo: 1 – precipitação total (P, mm dia-1); 2 – evapotranspiração 507 da superfície (E, mm dia-1); 3 – convergência de umidade (+C convergência e -C 508 divergência, mm dia-1); 4 – fluxo de vapor d’água integrado verticalmente (F, kg m-1 s-509 1); 5 – reciclagem de precipitação (RP, %); 6 – precipitação de origem local (Pl, mm dia-510 1); 7 – precipitação de origem advectiva (Pa, mm dia-1). 511 512

CONCLUSÕES 513

O objetivo principal deste estudo foi avaliar os efeitos da mudança do clima ao 514

longo do século XXI sobre a reciclagem de precipitação na bacia amazônica, abordando 515

os mecanismos físicos envolvidos nesse processo, utilizando o MCR Eta forçado com o 516

cenário de emissões RCP 8.5 proveniente do modelo do sistema terrestre HadGEM2-ES 517

(Chou et al., 2014). Para estimar a reciclagem de precipitação foi adotado o modelo 518

fundamentado no balanço de umidade na atmosfera descrito por Brubaker et al. (1993) e 519

119

Trenberth (1999). Na média, a reciclagem de precipitação na bacia simulada pelo 520

modelo para o clima presente é de 22%, corroborando com as estimativas dos trabalhos 521

desenvolvidos anteriormente, apresentando variação espacial e sazonal, com valores 522

mais intensos na Amazônia meridional (27%). As mudanças projetadas pelo modelo 523

para o clima futuro mostram que, de maneira geral, os impactos nos componentes do 524

balanço de umidade na Amazônia foram mais significativos durante a estação chuvosa 525

(DJF) e no setor sul da bacia, principalmente, ao final do século. O mecanismo de 526

retroalimentação positivo (MRP) é configurado durante o verão austral e na média 527

anual, isto é, a redução da convergência de umidade (por meio da alteração na estrutura 528

termodinâmica da atmosfera e na circulação regional) e da evapotranspiração da 529

superfície agiram no mesmo sentido para reduzir a precipitação total; no entanto, o 530

mecanismo de retroalimentação negativo (MRN) é caracterizado no inverno austral, em 531

que a redução da evapotranspiração é parcialmente compensada pelo aumento da 532

convergência de umidade, porém, não o suficiente para inibir a redução da precipitação. 533

O MRP representa um cenário preocupante para a Amazônia, uma vez que, pode afetar 534

a dinâmica de seus ecossistemas, que não apresentam grande capacidade de adaptação 535

às mudanças climáticas, sobretudo, se estas ocorrerem em um curto intervalo de tempo 536

– décadas. Entretanto, o MRN desempenha o importante papel de atenuar os efeitos das 537

mudanças no clima decorrentes do aumento dos GEE. A redução da precipitação total 538

na Amazônia foi decorrente tanto da redução da precipitação de origem local quanto 539

advectiva, sendo que a advectiva teve papel preponderante devido às mudanças na 540

circulação regional e no transporte de umidade sobre a bacia. De modo geral, a redução 541

da reciclagem de precipitação é mais pronunciada na estação seca, atingindo 40% ao 542

final do século, sendo diretamente influenciada pela redução da evapotranspiração da 543

120

superfície, mas, principalmente, pela intensificação do fluxo de umidade sobre a bacia. 544

No entanto, a mudança na reciclagem de precipitação é maior na Amazônia meridional 545

– redução da ordem de 50% em JJA ao final do século. Esses resultados mostram que, a 546

mudança do clima devido ao aumento dos GEE pode afetar de forma significativa os 547

componentes do balanço de água e a reciclagem de precipitação na bacia amazônica, 548

implicando em graves consequências ecológicas ao bioma, tais como: afetando a 549

dinâmica dos ecossistemas, reduzindo a capacidade da floresta em absorver o carbono 550

da atmosfera, favorecendo a ocorrência de eventos extremos (secas e enchentes), 551

aumentando a temperatura à superfície e, consequentemente, a frequência e intensidade 552

das queimadas. 553

554

AGRADECIMENTOS 555

Este trabalho é parte da Tese de Doutorado do primeiro autor, desenvolvida no 556

Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia (INPA) em parceria com a Universidade 557

do Estado do Amazonas (UEA), em Manaus, Amazonas – Brasil, sob orientação do Dr. 558

Francis Wagner Silva Correia. O primeiro autor agradece à Coordenação de 559

Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) pela concessão da bolsa de 560

estudos e à Dra. Sin Chan Chou, pesquisadora do Instituto Nacional de Pesquisas 561

Espaciais (INPE), em Cachoeira Paulista, São Paulo – Brasil, por fornecer os dados das 562

simulações de downscaling do modelo Eta-HadGEM2-ES para a América do Sul 563

referentes ao clima presente e períodos futuros, utilizando o cenário de emissão RCP 564

8.5. 565

121

SÍNTESE

O presente trabalho teve como objetivo geral avaliar a distribuição espaço-temporal

dos componentes do balanço de água e da reciclagem de precipitação na bacia amazônica para

o clima presente, por meio de um estudo observacional com as reanálises do European Centre

for Medium-Range Weather Forecasts – ECMWF (Era-Interim) no período de 1980 a 2005, e

seus impactos em cenários futuros utilizando o Modelo Climático Regional Eta, do Instituto

Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), forçado com o cenário de emissões RCP 8.5

proveniente do modelo do sistema terrestre HadGEM2-ES. Para estimar a reciclagem de

precipitação foram utilizados os métodos descritos por Brubaker et al. (1993) e Trenberth

(1999) e Eltahir e Bras (1994), fundamentados no balanço de umidade na atmosfera. A

quantificação do mecanismo de reciclagem é um forte indicador da importância dos processos

de superfície e do clima no ciclo hidrológico, assim como, da sensibilidade climática

relacionada às alterações nesses processos.

O Capítulo 1 apresentou uma perspectiva histórica da evolução do conhecimento e

uma visão crítica do estado da arte atual sobre a reciclagem de precipitação. Foram retratadas

as características do clima da Amazônia no que diz respeito às principais fontes de umidade

para a precipitação na região, bem como o transporte de vapor d’água sobre a América do Sul.

Os aspectos climatológicos da reciclagem sobre o continente mostram que a contribuição

advectiva é mais importante para a precipitação sobre a Amazônia e o Nordeste do Brasil, ao

passo que na região Centro-Sul a contribuição local tem importante papel na precipitação.

Com base nos resultados dos estudos discutidos, estima-se que a reciclagem de precipitação

na bacia amazônica é da ordem de 20-35%. Embora os estudos desenvolvidos anteriormente

tenham produzido novos conhecimentos acerca da interação entre os processos de superfície e

o ciclo hidrológico, os efeitos das mudanças climáticas globais no mecanismo de reciclagem

ainda não havia sido investigado.

Nos Capítulos 2 e 3, que correspondem à etapa observacional desta Tese, a

distribuição espaço-temporal dos componentes do balanço de água e da reciclagem de

precipitação na Amazônia foi analisada com base nas reanálises do ECMWF (Era-Interim), no

período de 1980-2005. Para quantificar a reciclagem foram utilizados os métodos propostos

por Brubaker et al. (1993) e Trenberth (1999) – Capítulo 2 – e Eltahir e Bras (1994) –

Capítulo 3. Constatou-se que, de modo geral, a bacia amazônica se comporta como um

sumidouro de umidade da atmosfera, recebendo vapor d’água tanto do tranporte de origem

122

oceânica quanto da evaportranspiração da floresta por meio do mecanismo de reciclagem. Em

escala regional, a Amazônia representa uma importante fonte de umidade para outras regiões

da América do Sul, contribuindo para o regime da precipitação em áreas remotas. Na média, a

reciclagem de precipitação estimada com base nos métodos supracitados é de,

aproximadamente, 20% na Amazônia, com valores variando entre 10-15% na porção norte e

40-50% na porção sul. Em outras palavras, do total da precipitação na bacia, cerca de 20% é

decorrente do processo de evapotranspiração local; indicando que, a contribuição local para a

precipitação total representa um percentual significativo no balanço de água regional e

desempenha um importante papel no ciclo hidrológico amazônico. Na média da bacia, a

contribuição advectiva é mais importante para a precipitação, enquanto que, na porção sul a

contribuição local (evapotranspiração) tem importante papel no regime da precipitação.

O Capítulo 4 apresentou a avaliação dos efeitos da mudança do clima durante o século

XXI sobre a reciclagem de precipitação na Amazônia, abordando os mecanismos físicos

envolvidos nesse processo, utilizando o modelo regional Eta forçado com o cenário de

emissões RCP 8.5 proveniente do modelo do sistema terrestre HadGEM2-ES. Para estimar a

reciclagem de precipitação foi adotado o modelo descrito por Brubaker et al. (1993) e

Trenberth (1999). Na média, a reciclagem de precipitação na bacia amazônica simulada pelo

modelo para o clima presente foi de 22%, apresentando variação espacial e sazonal, com

valores mais intensos na Amazônia meridional (27%). As mudanças projetadas para o clima

futuro mostram que, os impactos nos componentes do balanço de umidade foram mais

significativos durante a estação chuvosa e no setor sul da bacia, principalmente, no final do

século. O mecanismo de retroalimentação positivo foi configurado durante o verão austral e

na média anual, isto é, a redução da convergência de umidade (por meio da alteração na

estrutura termodinâmica da atmosfera e na circulação regional) e da evapotranspiração da

superfície agiram no mesmo sentido para reduzir a precipitação total; no entanto, o

mecanismo de retroalimentação negativo é caracterizado no inverno austral, em que a

redução da evapotranspiração é parcialmente compensada pelo aumento da convergência de

umidade, porém, não o suficiente para inibir a redução da precipitação. A redução da

precipitação total na Amazônia foi decorrente tanto da redução da precipitação de origem

local quanto advectiva, sendo que a advectiva teve papel prepoderante devido às mudanças na

circulação regional e no transporte de umidade sobre a bacia. De maneira geral, a redução da

reciclagem de precipitação na Amazônia é mais pronunciada na estação seca, atingindo 40%

no final do século, sendo diretamente influenciada pela redução da evapotranspiração da

superfície, mas, principalmente, pela intensificação do fluxo de umidade sobre a bacia.

123

Contudo, a mudança na reciclagem é maior na Amazônia meridional – redução da ordem de

50% na estação seca no final do século. A Amazônia é sensível às variabilidades e mudanças

do sistema climático. O risco dos impactos no ciclo hidrológico regional, na reciclagem de

precipitação e, consequentemente, sobre os ecossistemas amazônicos é potencializado quando

alterações no uso e cobertura da terra em escala regional são acompanhadas por mudanças no

clima em escala global. Os resultados apresentados sugerem que, a mudança do clima devido

ao aumento dos gases de efeito estufa pode afetar de forma significativa os componentes do

balanço de água e a reciclagem de precipitação na bacia amazônica, implicando em graves

consequências ecológicas ao bioma, tais como: afetando a dinâmica dos ecossistemas,

reduzindo a capacidade da floresta em absorver o carbono da atmosfera, favorecendo a

ocorrência de eventos extremos (secas e enchentes), aumentando a temperatura à superfície e,

consequentemente, a frequência e intensidade das queimadas.

Visto que a quantificação do mecanismo de reciclagem é um forte indicador da

importância dos processos de superfície e do clima no ciclo hidrológico, assim como, da

sensibilidade climática relacionada às alterações nesses processos, pesquisas futuras

envolvendo modelagem numérica deverão utilizar modelos climáticos regionais (que

considerem a dinâmica da vegetação) forçados com diferentes cenários de emissões dos gases

de efeito estufa e cenários de mudanças no uso e cobertura da terra na bacia amazônica, assim

como outros métodos que estimam a reciclagem, a fim de avaliar os impactos das ações

antropogênicas nos balanços de radiação, energia e de água, bem como na reciclagem de

precipitação, na Amazônia e nos demais biomas do país.

124

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