Tema Confiabilidade dos Cenários ClimáticosPalestra:

Jose Antonio Marengo Orsini,

CCST/INPE

O Estado da Arte da Modelagem Climática: tempo, clima e cenários

futuros

Jose A. MarengoCCST INPESão Paulo, Braziljose.marengo@inpe.br

Contribuções: G. Camara, S. Chou, O, Moraes,

A EVOLUÇÃO ATRAVÉS DOS TEMPOS

Lewis Fry Richardson (1881-1953)

A Primeira previsão de tempo

PCD

Supercomputador

Dados observação

Produtos numéricos Previsão e alertas

Produtosp/sociedade

Previsão do Tempo no INPE(www.cptec.inpe.br)

PREVISÃO NÚMERICA DE TEMPO E CLIMA

O comportamento da atmosfera é

governado pelas leis da física que

representa o movimento do ar, o

papel da umidade, trocas de calor,

etc.

As interações entre a atmosfera e

superfície da terra e dos oceanos são

importantes para caracterização do

clima.

TIPOS DE MODELOS NÚMERICOS

Modelos de Balanço de Energia (EBMs) - são modelos

unidimensionais que predizem a variação da temperatura

de superfície com a latitude. Relações simplificadas são

usadas para calcular os termos que contribuem ao balanço

de energia em cada zona latitudinal.

Modelos Estatísticos - Dinâmicos bidimensionais (SD)

tratam explicitamente com os processos de superfície e

dinâmica numa estrutura média zonal e tem uma atmosfera

media na vertical. Estes modelos têm sido o ponto de

partida para a incorporação de reações químicas nos

modelos globais.

Modelos de Circulação Global - Onde a natureza

tridimensional da atmosfera e/ou o oceano é incorporada.

MODELOS DE CIRCULAÇÃO GERAL (MCGA)

MODELOS REGIONAIS CLIMATICOS (RCM)

28 níveis

verticais1º

lat1ºlong

100 km

100 km

Interações laterais

Interações com a superfície

Número de elementos:

400 x 200 x 28 x 7= 15,9 milhõesE-W N-S Vertical

Calcula-se para cada um destes volumes:

Temperatura, umidade, direção e

velocidade do vento, altura geopotencial.

Domínio Geográfico

www.cptec.inpe.br

Principais Desastres Naturais no Brasil 2000-2007

14%

3%

6%

58%

11%8%

Seca Epidemia Temperatura Extrema

Inundação Deslizamento Vendavais

fonte Vulnerabilidade Ambiental / Rozely Santos, organizadora. – Brasilia: MMA, 2007.

Principais Desastres Naturais no Brasil 2000-2007

14%

3%

6%

58%

11%8%

Seca Epidemia Temperatura Extrema

Inundação Deslizamento Vendavais

Desastres naturais no Brasil

Inundações na cidade de São Paulo em Fevereiro de 2010

Episódios de chuvas intensas: São Paulo

Fevereiro de 2011

Episódios de chuvas intensas: São Paulo

Verão de 2011

São Paulo - O governador de São Paulo, Geraldo

Alckmin (PSDB), culpou a intensidade das

chuvas de ontem pelo transbordamento do rio

Tietê e do córrego Aricanduva. Após evento hoje

na capital paulista, ele disse que a falta de

piscinões e a ocupação histórica das áreas de

várzea também podem ser responsabilizadas

pelas inundações. Como medida para tentar

evitar situações semelhantes,

Alckmin culpa chuva intensa por transbordamento de rios

Episódios de chuvas intensas: São Paulo

20 km

Rio e Angra dos Reis, 31/12/2009

(previsão de 24 h)

5 km

Tragédia no Rio se agrava com aumento de mortos e colapso de abastecimento nas cidades

serranas; Dilma e Cabral culpam ocupação irregular pelo desastre

Tragédia no Rio é o maior desastre natural em número de mortes no país

Teresópolis e Nova Friburgo confirmam mais mortos; 508 morrem na região serrana (Janeiro 2011)

Ignorando evidências sobre eventos climáticos extremos, governantes abandonam populações à

mercê de inundações e deslizamentos

Acumulado de

chuva entre 00UTC

12 – 00UTC

13/jan/2011

Desempenho com 1,

2, 3 km de

resolução espacial

Previsão de extremos:Santa Catarina – Novembro 2008

135 mortes, 78.000 desabrigados

Rain forecast by INPE for Santa Catarina disaster 2008 (Current regional model 20km - maximum 150mm in 3

days)

Model with better resolution (5 km) and physics, to be run in new supercomputer (max of 400 mm in 3 days)

SISMADENAlertas

Evento Extremo

Onde podemos melhorar: alertas de desastresRisco geológico e social

Modelo hidrológico

Como operamos hoje em eventos extremos?

ModelosSatellite/RadarPCD

Rain totalFixed time and irregular – alert

Point dataOne file per DCP

Grid 4kmTotal rain 1h

Total rain 24hCurrent (mm/h)

Binary file

ETA 40, 20, 5 KmEnsemble 40 Km

Total rain 72h72 files

ASCII grid file

SISMADEN: Dados de previsão do tempo

Previsão de qualidade do ar (CO)16-04-2008 valida for 17-04-2008

Verificação por imagem MODIS 17-04-2008

Previsão de qualidade do ar

TSM

ANÁLISE

MODELO CLIMÁTICO PREVISÃO

CONSENSO

Fluxo da Previsão Climática INPE-INMET

Primeiro Mês de Previsão

Anomalias de TSM no Pácífico Tropical

Previsão de Anomalia de TSM do NCEP

Primeiro Mês de Previsão

Último Mês de

Previsão

CC Inferior: Anomalia de TSM

Anomalias de TSM no Atlântico

Previsão de TSM no Atlântico - SIMOC/CPTEC

Anomalias de TSM GLOBAIS

NCEP

Restante dos Oceanos: Anomalia de TSM Persistida

Soma

Soma

Último Mês de

Previsão

Condições de Contorno para a Previsão Numérica do GCM no INPE

NOV FEVJANDEZ ... JUN

TSM:Obs. TSM Prevista:

Anomalias Persistidas

Previsão para o Pacífico

Previsão para o Pacífico e Atlântico

SIMULAÇÃO PREVISÃO

PREVISÃO

SAZONAL

PREVISÃO

MÉDIA DO

CONJUNTO

SUBTRAÇÃO

NOV FEVJANDEZ ... JUN

SIMULAÇÃO CLIMATOLÓGICA

TSM CLIMATOLÓGICA

PREVISÃO DA ANOMALIA

CLIMATOLOGIA

DO

MODELO

CLIMATOLOGIA DO MODELO

MÉDIA DO

CONJUNTO

CONJUNTO

1

N

2

1

N

2NO

SIMULAÇÃO

CI1

CI2

CIN

CI1

CIN

CI2

NO

CONJUNTO

1

N

2

1

N

2

SIMULAÇÃO CLIMATOLÓGICA

PREVISÃO

Previsão Climática Sazonal do INPE Esquema Operacional

CPTEC´s AGCM, T062L28

• KUO, SSTA persistidas, previstas no Atlantico Tropical e Pacifico (15 membros

ENSEMBLE)

• RAS, SSTA persistidas, previstas no Atlantico Tropical e Pacifico (15 membros

ENSEMBLE)

• GRELL, SSTA persistidas, previstas no Atlantico Tropical e Pacifico (15 membros

ENSEMBLE)

Previsão climatica sazonal INPE

Currently we run every month:

• Regional model (Eta/CPTEC - 40km) 5 members ENSEMBLE

Rodadas feitas cada mes:

Previsão Climática sazonal regional Modelo Eta

Amazonia 2005 Amazonia 2010

Previsaõ de extremos sazonais de

clima

Secas na Amazonia: 2005 e 2010

Drought of Amazonia austral summer 2005-Rainfall forecasts (CPTEC INPE-INMET; Brazil)

ND04J2005 D04JF2005 JFM2005 FMA2005

MAM2005

D04JF2005

MAM2005

OBSV-GPCC

Drought of Amazonia austral summer 2010-Rainfal l forecasts (CPTEC INPE-INMET; Brazil)

ND09J2010 D09JF2010 JFM2010 FMA2010

MAM2010

OBSV-GPCCD09JF2010

MAM2010

Rio Negro mean water levels (m) at Manaus-AM during drought years

1963

2010

2005

On 24 October the Rio Negro reached an all time low of 13.63 m at Manaus, edging out 1963 when water levels reached 13.64 m (CPRM 2010)-New record low..!!

Lowest levels at Manaus

Variações do Rio Negro em Manaus durante anos de seca

BAMS (2009)

BAMS 2009

Evolução da modelagem climática dimámicaProjeções de mudanças de clima

Mid 2000s

Atmosphere

Land Surface

Ocean & Sea-Ice

Sulphate

Aerosol

Non-sulphate

Dynamic

Vegetation

Atmospheric

Chemistry

Aerosol

Carbon Cycle

Atmosphere

Land Surface

Ocean & Sea-Ice

Sulphate

Aerosol

Non-sulphate

Aerosol

Carbon Cycle

Atmosphere

Land Surface

Ocean & Sea-Ice

Sulphate

Aerosol

Atmosphere

Land Surface

Ocean & Sea-Ice

Atmosphere

Land Surface

Atmosphere

Around 2000

Late 1990sEarly 1990sMid-1980sMid-1970s

Ce

nár

ios

de

e

mis

são

de

GEE

Pro

jeçõ

es

clim

a fu

turo

Scenarios for GHG emissions

from 2000 to 2100

Precipitação aumenta em latitudes mais altas (muito provavelmente)

Precipitação diminui em regiões subtropicais continentais (provavelmente)

Projeções de mudanças na precipitação ate finaisdo Século XXI

Projeções extremos climáticos ate 2100

Mudanças em índices de extremos

de precipitação (chuvas intensas e

veranicos ou períodos secos)

projetadas para o ano de 2080–2099 em relação a 1980–1999 para o cenário

A1B.

Impactos das mudanças climáticas na disponibilidade de água potável que podem afetar muitas regiões do mundoMudanças anual do runoff (%) para 2081-2100 relativo a 1981-

2000 para o cenário de emissão intermedio de GEE A1B

change of annual runoff

Source: Marengo 2009

AGU_Newsletter

IPCC WGI1 (2007)

“Cascata” de Incertezas

Projetar os Impactos da Mudanças Climáticas

Emissões

ConcentraçõesCO2, metano, sulfatos, etc.

Mudança Climática Global Temperatura, precipitação, pressão, etc.

Detalhamento RegionalTopografia, vegetação, evento extremo, etc.

ImpactosEnchentes, Secas, etc.

Cenários de população, energia, modelos

econômicosModelos do ciclo do carbono

e química

Modelos Climáticos Globais

Modelos Climáticos Regionais

Modelos de Impactos

Objetivos-INCT Mudanças Climáticas

Os objetivos do Programa INCT para Mudanças Climáticas são:

(i) detectar mudanças ambientais no Brasil e América do Sul, especialmente

as mudanças climáticas, atribuir causas às mudanças observadas

(aquecimento global, mudanças dos usos da terra, urbanização, etc.);

(ii) desenvolver modelos do Sistema Climático Global e desenvolver

cenários de mudanças ambientais globais e regionais, particularmente

cenários em alta resolução espacial de mudanças climáticas e de usos da

terra para o Século XXI;

(iii) aumentar significativamente os conhecimentos sobre impactos das

mudanças climática e identificar as principais vulnerabilidades do Brasil nos

seguintes setores e sistemas: ecossistemas e biodiversidade, agricultura,

recursos hídricos, saúde humana, cidades, zonas costeiras, energias

renováveis e economia);

(iv) desenvolver estudos e tecnologias de mitigação das emissões de gases

de efeito estufa, e,

v) fornecer informações científicas de qualidade para subsidiar políticas

públicas de adaptação e mitigação.

INCT-Mudanças Climaticas:

Modelagem de Mudanças Climáticas Globais: Modelo Brasileiro do Sistema

Climático Global (MBSCG)

Objetivo de reunir a comunidade brasileira de especialistas em

estudos e modelagem do sistema climático e suas componentes

(e.g., atmosfera, oceanos, biosfera, criosfera, aerossóis e química,

métodos computacionais) para desenhar os atributos e mecanismos

de desenvolvimento do MBSCG.

Como resultado, serão gerados dois produtos principais:

(1)Cenários de mudanças globais como contribuição brasileira para

o próximo painel do IPCC (AR5) e

(2)O Modelo Brasileiro Sistema Climático Global (MBSCG), que

constitua uma contribuição brasileira original para o esforço

internacional de estudos e modelagem do clima global.

Rede Brasileira de

Pesquisas sobre Mudanças

Climáticas – Rede CLIMA,

do MCT

A Rede Brasileira de

Pesquisas sobre Mudanças

Climáticas Globais (Rede

CLIMA) foi instituída pelo

MCT no final de 2007.e tem

como objetivo principal

gerar e disseminar

conhecimentos para que o

Brasil possa responder aos

desafios representados

pelas causas e efeitos das

mudanças climáticas

globais.

Modelagem Climática no Brasil: Desenvolvimento do MBSCG e Linhas de investigação

• Objetivo:

– Dotar o país da capacidade de modelagem do sistema climático global que incorpore o estado da arte do conhecimento sobre os processos climáticos sobre a América do Sul.

• Método:

– Construção do MBSCG com base no modelo acoplado oceano-atmosfera do INPE

– Parcerias nacionais e internacionais.

• Processos de superfície

– vegetação dinâmica, fogo, hidrologia, elevação do terreno

• Processos oceânicos

– Gelo marinho, biogeoquímica, circulação termo-halina, TSM

• Processos química atmosférica e aerossois

– Efeitos da queima vegetal e efeito dos aerossois no balanço radiativo global

Desenvolvimento do ModeloBrasileiro do Sistema Climático Global

(MBSCG)

Os cenários de clima futuro gerados pelo HadGEM2-ES/INPE serãoimportantes no entendimento do sistema climático global e vai consolidar a

participação do Brasil no IPCC Fifth Assessment Report 5 (IPCC AR5).

INPE está liderando um esforçomulti-institucional e internacionalpara desenvolver o MBSCG, que

incorpora componentes que representam modelos de vegetação, processos de superfície, química da atmosfera, aerossóis, gelo marinho,

biogeoquímica e transporte de sedimentos acoplados a um modelo

acoplado oceano-atmosfera.

Paralelamente, temos uma interaçãoINPE-UK Met Office em modelagem

climático global para incluir as componentes “hot plume and fire models” no modelo HadGEM2-ES

Um modelo “World-Class” do sistema ambiental global

MBSCG

Data Assimilation

AGCM

OGCM

AtmosOBS

T-S

IC

Coupled Forecast

AtmosFCST

daily/hourly

SFCfluxes

SST

OGCM

AGCM

RegionalModel

hourly

HydrologyModel

CropModel

HealthModel

WaveModel

Possíveis impactos regionais

-Desastres naturais-SISMADEN-Urbanização e Megacidades

-Desertificação no Semiárido-PAN-Hidrología urbana e bacias

-Energias renováveis-Agricultura e pecuaria

-Biodiversidade-Saúde e migração

-Economía-Serviços ambientais

Monitoramento

Extremos e ameaças

Análise de risco e vulnerabilidade

Extremos e ameaças

Análise de risco e vulnerabilidade

Variabilidade climática presente

Projeções clima futuroem altíssima resolução

2000-2100

Clima e hidrología

Modelagem regional emaltíssima resolução 5-10 km

(Modelo Eta)

Regional Earth System Modeling (RESM)-Atividades do INPE em modelagem regional de

mudanças de clima

Estudos aplicados IAV

-Políticas públicas ambientáis-Estrategias de adaptação,

medidas de mitigação, ações de emergencia

Ações do governo

MBSCG em alta resolução(50km)

With respect to Brazil’s large urban areas, studies detected that in the city of São Paulo extreme rainfall

events (greater than 30 and 50 mm/day) have become more frequent and intense since 1960, and

that this increase can be attributed more to urbanization rather than to climate change caused by

global warming.

Intense precipitation events at the IAG-USP Agua Funda station in the

city of São Paulo 1933-2010

2080-90

Em relação a grandes áreas urbanas no Brasil, estudos recentes mostram que na cidade de São Paulo extremos de chuvas intensas (acima de 30 e 50 mm/dia) ficaram mais

frequentes desde 1960, e esta aumento pode ser atribuido em parte ao desenvolvimento urbano mais que aõ aquecimento global natural.

Variabilidade climatica e Mudanças Urbanização e Megacidades-RM São Paulo

A RMSP experimentou uma mudança

climática intensa devido a urbanização

Projeções de mudanças em chuvas extremas (R20) e impactos na RMSPR

20 (

dia

s P

>20 m

m)

2030-40 2050-60 2080-90

Mudanças em R20 para, futuro relativo a 1961-90

Projections for the end of the 21st century indicate widespread increase of intense

precipitation events and extreme droughts for some regions.

Projeções ate finais do Século XXI mostram mudanças nos extremos de chuva, com chuvas mais intensas ou com mais areas

com seca extremave regional variability

Aumento na freqüência de

chuvas intensas em 2071-2100

relativo a 1961-90

Cenários futuros de clima-América do Sul

Aumento no número de dias secos

consecutivos em 2071-

2100 relativo a 1961-90

%

Mudanças na chuva (%) em 2071-2100 relativo a1961-90.

Amazonia e Norestedo Brasil

deficiencia de chuvas

Sudeste da America do Sulraumento

nas chuvas

Cenários futuros de clima para América do Sul derivados do Eta CPTEC 40 km

(modelo regional) forçados com o modelo global HadCM3 A1B sugerem que as

mudanças de clima apresentamvariabilidade regional

Climate Scenarios up to 2100 available to the scientific community

www.ccst.inpe.br

Sistema de Alerta temprana para previsão de desastres naturais-

presente e futuro

Areas com risco de enchente na RMSP

Um importante desenvolvimento aconteceu em relação aos impactos e segurança da população que vive em áreas de risco a

desastres naturais de origem meteorológica-Segunda versão do SISMADEN (www.

dpi.inpe.br/sismaden),

Este sistema fornece monitoramento aprimorado de desastres naturais e

avaliação de risco debido a fenomenos do tempo e extremos de clima, no presente e tem o potencial de ser usado como uma ferramenta de planejamento para riscos

futuros associados a mudanças de extremos climaticos em climas mais quentes futuros.

Projected changes in extratropical cyclonic activity over the South Atlantic Ocean

Projections of changes in extra-tropical cyclones in global warming experiments for

various high emission scenarios (a2-high, B2-low emissions)

suggest that the cyclogenesis regions closer to the Brazilian

southern coast will tend to move southward by 2071-2085.This would affect atmospheric blocking patterns over the sub-tropics and mid-latitudes, with

potential consequences for droughts in Brazilian agricultural

regions.

Mean annual cyclones density in the present climate (1975-1989) and A2 and B2 (2071-2085) scenarios simulated by the RegCM3 regional model.

Projections of changes in extra-tropical cyclones in global warming experiments for

various high emission scenarios (a2-high, B2-low emissions)

suggest that the cyclogenesis regions closer to the Brazilian

southern coast will tend to move southward by 2071-2085.This would affect atmospheric blocking patterns over the sub-tropics and mid-latitudes, with

potential consequences for droughts in Brazilian agricultural regions.

Futuros desafios da modelagem climática

-Resolução espacial e temporal (modelos globais de altíssima resolução ou modelosregionais?)-Modelagem e previsão de extremos de chuva que produzem enchentes dedeslizamentos (representação da conveção, processos de superficie, topografia evegetaçaõ nos modelos climaticos)-Modelagem ambiental (qualidade do ar, conforto termico, modelagem de enchentesurbanas e em bacias, e modelagem de deslizamentos e avalanches devido a chuvasextremas em areas de encosta, modelagam hidrologico em grandes bacias)-Limitação da modelagem sazaonal climatica em areas onde as forçantes remotas sãomenos importantes que as forçantes locais (e.x. seca da Amazonia em 2005 no Suloesteda Amazonia, area de baixa previsibilidade climaticas)-Necessidade de observações climaticas convencionais e especificas para podem vlidarmodelos e tambem para ser assimilados nos modelos para tarefas de previsão-Para mudancas climaticas, incertezas na modelagem de cenarios climaticos futurosdevido a processos nao bem reprresebntados nos modelos (e.x aerossois), nas cenariosde emissão, no processo de “nesting” dos modelos regionais nos modelos globais, oudos modelos de impactos nos modelos regionais.-Mais importante pessoal qualificado para trabalhar com desenvolvimento eaplicações dos modelos climáticos—Colaboração internacional e nacional.

There are a number of significant research topics that must be addressed in orderto develop a robust capability for climate predictions and projections: Researchtopics to address

•What are the physical mechanisms responsible for observed interannual, decadal andlong term scale climate variability? Increased understanding of these mechanisms is animportant foundation for any predictive capability.•What is the inherent predictability of the climate system on intteranual, sub-decadal andlonger timescales? This is oftentimes addressed through the use of climate models,although the robustness of this assessment depends on the fidelity of the modelemployed.•What are the physical mechanisms that give rise to any seasonal, interannual, decadalscale predictability? There is increasing evidence that any such predictability involvesslowly varying ocean circulations and their interaction with the atmosphere.•What are the required observing systems to most efficiently capture these modes ofvariability, both for the purpose of characterizing this variability and for initializingprediction models?•Suitable numerical assimilation schemes are needed to translate required observationsinto a form suitable for initializing models for various time-scale predictions.•Finally, it is unclear whether the current generation of climate models is capable ofrealizing any decadal-scale predictability that does exist in the climate system.