AULA 8
Disciplina INTERAÇÃO BIOSFERA-ATMOSFERA
AGM 5724 Pós-Graduação
2o sem 2015
Departamento de Ciências Atmosféricas /Iag / USP
Responsável: Prof. Humberto Rocha
8. Modelagem numérica do sistema solo-vegetação-atmosfera
Modelagem do sistema climático: atmosfera e biosfera
fenômenos de mesoescala: circulações secundárias
fenômenos de grande escala: equilíbrio de biomas, mudanças paleoclimáticas
Histórico dos modelos do sistema solo-vegetação-atmosfera
O modelo SiB2 (Simple Biosphere Model)
transferência radiativa no dossel.Fotossíntese e Respiração
condutância estomática-fotossíntese; escalonamento folha-dossel
balanço de água no solo; inicialização da umidade do solo
exercício de simulações numéricas.
Modelagem do sistema climático: atmosfera e
biosfera
fenômenos locais: microclimas e ilhas de calor
fenômenos de mesoescala: circulações secundárias
fenômenos de grande escala
equilíbrio de biomas
controles paleoclimáticos (Snowball earth)
O modelo da biosfera-atmosfera SiB2
Notas de aulas AGM5724 (Interação Biosfera-Atmosfera, IAG/Usp)
A biosfera terrestre controla o clima ?
Os fluxos de água e calor
terrestres controlam o
clima?
As tempestades elétricas (cumuliformes)
predominam nos continentes. fonte slide :
R. Pielke
Land use Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection
Radiometer (sensor ASTER) satélite Terra In Minnesota (first), very
regular grid pattern reflects early 19thcentury surveying; the size of the
fields was determined by the need to have a big enough area to make
the use of machinery efficient. Dirt roads separate the fields. In Kansas
(second), center-pivot irrigation is responsible for the field pattern. In
northwest Germany (third), small size and random pattern of fields is
leftover from the Middle Ages. Near Santa Cruz, Bolivia (fourth) a
village appears the pie-shape or radial-pattern fields are part of a
planned settlement scheme in a rainforest area. At the center of each
unit is a small community, which is surrounded by fields. A small
buffer of forest separates the settlements from one another. Bangkok,
Thailand (fifth), rice paddies fed by an extensive network of canals
that is hundreds of years old appear as small skinny rectangular fields.
Some fields appear flooded (deep purple). Cerrado (sixth) in southern
Brazil, its flatness have resulted in enormous farms and large field
sizes (ASTER scene covers 10.5 x 12 km).
Modelos do sistema climático: componente atmosférica e de superfície
Modelagem do sistema climático: escala de processos
Notas de aulas AGM5724 (Interação Biosfera-Atmosfera, IAG/Usp)
Fonte: Trenberth KE (eds) Climate system modelling. Cambridge University Press (1992).
Efeitos da vegetação na regulação da temperatura
1. Escala urbana
pontuais : sombreamento e atenuação da radiação
parques : influência local e arredores
2. Escala urbana-rural: ilha de calor urbana
alta evapotranspiração vegetal
retenção de calor nas edificações
3. Escala regional de ecossistemas
Partição do balanço de energia
Temperatura aerodinâmica
1. Escala urbana
pontuais : sombreamento por atenuação da radiação
parques : influência em arredores
Estimativas de temperatura satelital: Mede a
temperatura da superfície (diferente da
temperatura do ar), proporcional à
emissividade do corpo
Máximos ocorrem no período diurno,
dominadas pelo uso do solo com áreas de
pavimentos e grandes coberturas industriais


Temperatura de superfície satelital e distribuição da vegetação
em São Paulo Fonte: Atlas ambiental SP

Temperatura média em Manaus (oC) (ago-set 2009)
Fonte: Oliveira e Alvala (2010)
Fonte: Rivero (1986) apud Ayres (2004)
Microclimas urbanos em
escala local – áreas
pavimentadas
Balanço de energia
Fluxo calor solo G (++)
Emissao termal (+)
Transição pavimentovegetação (noturno)
diferenças até 7o C
Padrões observados na transição
urbana-rural
Gradientes verticais
comumente observados
nas estações meteo
• Diurno
• Noturno
 Condicionantes urbanas

Roughness

Albedo
 Permeability
 Thermal conductivity
 heat capacity

Anthropogenic heat flux
 Emissivity
 Aerossols
 Resposta atmosférica
‐ Turbulence
‐ Mixing height
‐ Wind speed
‐ Cloudiness
‐ Energy fluxes
‐ Runoff
‐ Temperature
‐ Solar and UV radiation
‐ Visibility, air quality
‐ Precipitation
• 2. Ilha de calor urbana: área metropolitana relativamente mais quente que
áreas rurais vizinhas
Oke & East (1971); Runnalls & Oke (2000); Oke, T.R.
1987: Boundary Layer Climates. 2nd ed
Ocorre com mais
evidencia à noite,
com vento fraco e
nebulosidade
ΔT = (Tu - Tr )
• Ilha de calor urbana: processos diferentes
 CAUSAS NO AMBIENTE URBANO:
 Radiação confinada (trapped) entre edificações
 + absorção radiação solar (também por menor albedo)
 - perda radiação termal
 + armazenamento de calor sensível (também por + capacidade calorífica)
 - mistura vertical turbulenta
 Evaporação muito reduzida
 + Fontes antrópicas de calor sensível (motores e condicionadores)
 Poluição
 + radiação infravermelho incidente
• Ilha de calor urbana
• Mais intensa
proporcionalmente à área
metropolitana
• e ao Sky view factor (fator de
visão - ou obstrução- do céu
Controle do balanço de
energia
+ absorção radiação solar (também por menor
albedo)
- perda radiação infravermelho (menor
emissividade)
+ armazenamento de calor sensível (também por +
capacidade calorífica)
3. Escala regional de ecossistemas
Partição do balanço de energia
Remoção de calor por turbulência mecânica (Temperatura
aerodinâmica )
Média no período chuvoso
cana-de-açúcar
Cerrado
eucalipto
Temperatura do ar
acima da copa (oC)
36
32
28
24
20
0
3
6
9 12 15 18 21 24
Hora local
Temperatura do ar acima da copa (oC)
Pastagem na Amazônia
Floresta amazônica
30
28
26
24
22
20
18
0
3
6
9
12
15
18
21
24
hora do dia
Fontes: Gash (1996)
Tatsch (2006)
Baldocchi e Ma (2003)
𝐻=
ρ 𝑐𝑝(𝑇𝑎𝑒𝑟𝑜 − 𝑇𝑎𝑟)
2. escala urbana : ilhas de calor
Radiação confinada entre
edificações
+ absorção radiação solar
(menor albedo)
+ armazenamento calor
sensível (também por +
capacidade calorífica)
- mistura vertical turbulenta
Evaporação reduzida
+ Fontes antrópicas de calor
sensível (motor, condicionador)
Poluição
+ radiação infravermelho
incidente
Capping Inversion
Camada limite
Mixed Layer
Constant
Flux
Layer
Roughness
Layer
UCL
Constant Flux Layer + Roughness Layer = Surface Layer
Mixed Layer + Surface Layer = UBL
Padrões diurno e noturno,
nas
áreas urbana e rural
adjacentes
Qual o impacto do desmatamento na chuva ?
1. Circulações secundárias (mesoescala)
Rainfall
inhibition
Previous modelling sudies
suggested that large scale
deforestation in Amazonia may
lead to a reduction in rainfall
and impact the biodiversity,
but the impact of deforestation
over small areas is still a less
known matter.
Deforestation strip
Rainfall
enhancement
Changes
varied from
 10 to 30 %
Qual o impacto do
desmatamento na temperatura
e na chuva ?
1. escala continental
Desmatamento florestas tropicais
P ↓, T↑
Fonte : Snyder et al. (2004) (Climate Dynamics)
Desmatamento florestas boreais
Neve ↑, T↓
Fonte : Snyder et al. (2004) (Climate Dynamics)
Desmatamento floresta
temperada
Inverno: neve ↑, T↓
Verão: P ↓ ,T↑
Balanço de água anual na Amazonia
(precipitação) (evaporação)
P
2200 mm
=
E
1277 mm
+
Transporte
923 mm
Simulação de Desmatamento com
modelos do sistema climático
Henderson-Sellers & Gornitz (1984)
Dickinson & Henderson-Sellers (1988)
Lean & Warrillow (1989)
Nobre (2001)
Rowntree (1996)
Costa & Foley (2000) ....
P
reduz
=
E
+
reduz
220-650 mm/a 160-500 mm/a
Transport
também
reduz
seco (mm/ano)
úmido
Impacto do desmatamento nos Cerrados
reduz a chuva ~250 mm/a
aumenta temperatura ~ 1 a 2º C
Fonte : Hoffman & Jackson (2000) simulação com modelo climático
Escala paleoclimática: teoria da terra bola-de-neve (snowball earth)
Modelagem do sistema solo-vegetação
o Simple Biosphere Model (SiB2)
Nível vertical das forçantes da 1ª
camada do modelo atmosférico
Entradas : Ki, T, q, V, p, Prec, CO2
tipo vegetação: prescrito
Célula
(área dos fluxos médios)
tipo de solo : prescrito
O conceito do SVAT (Surface-vegetation atmosphere transfer schemes)
-
modelos “Big-Leaf” para evapotranspiração e assimilação de CO2
- Fluxos verticais de água no solo
O modelo da biosfera-atmosfera SiB2
Notas de aulas AGM5724 (Interação Biosfera-Atmosfera, IAG/Usp)
Saidas :
Nível vertical das forçantes da 1ª
camada do modelo atmosférico
fluxos de energia e massa H, LE, FCO2
Entrada : Ki, T, q, V, p, Prec, CO2
prescreve tipo vegetação
prescreve tipo de solo
Rs
Célula
(área sobre onde se dá
o fluxo médio)
Fluxos de água no solo: Rs, Rd
Fluxo de calor no solo G
Temperatura e umidade do solo
O modelo da biosfera-atmosfera SiB2
Notas de aulas AGM5724 (Interação Biosfera-Atmosfera, IAG/Usp)
O modelo da biosfera-atmosfera SiB2
Notas de aulas AGM5724 (Interação Biosfera-Atmosfera, IAG/Usp)
Forçantes Ki, T, q, V, p, Prec, CO2
Fronteira
dossel atmosfera
V
S
Célula com 2 coberturas (patches):
vegetação V (fração de cobertura f1)
solo nú S (fração de cobertura f2)
tal que (f1 + f2) = 1 , ex:f1= 0,8;f2=0,2
Resultante
Fluxo atmosférico = F1 . f1 + F2 . f2
F1
F2
O modelo SiB2 (Simple Biosphere
Model)
(Sellers et al. 1986, 1996)
MÓDULOS
1. Transferencia aerodinâmica
- perfil vertical do vento
2. Transferência radiativa
- albedo e saldo de radiação
3. Módulo hidrológico
interceptação da chuva,
infiltração, retenção de umidade
no solo, geração de escoamento
(superficial e drenagem profunda)
4. Módulo de fotossíntese e
transpiração
condutância estomática
assimilação bruta e líquida CO2
transpiração
Notas de aulas AGM5724 (Interação Biosfera-Atmosfera, IAG/Usp)
Variáves prognósticas (1/3)
Transferência de momentum
SiB2) SiB2
O modelo da(modelo
biosfera-atmosfera
Notas de aulas AGM5724 (Interação Biosfera-Atmosfera, IAG/Usp)
1.Parâmetros calculados previamente submodelo
MOMOPT (momentum otimo)
I L  Io e
  cos 
 kL
G ()
k

extinction by a plant canopy
I = radiative flux, k = extinction coefficient, L = leaf area index.
para radiação direta na direção do angulo zenital ,
k= coef extinção depende da direção  e forma e estrutura do dossel G()
e para radiação difusa
kdiffuse 
1


d 
G (  )
0
1
,

dI
 bI [1  (1  b)]I  k (1  bo )e kL
dL
dI

 bI [1  (1  b)]I  kbo e kL
dL

• retroespalhamento do fluxo difuso emergente I
• espalhamento do fluxo difuso descendente I
• espalhamento do fluxo direto incidente Io
b, bo upscatter parameter for diffuse and direct radiation
coef. Espalhamento  = a + t = (reflectance +transmittance)
Supondo o fluxo
incidente no topo do
dossel normalizado
e no solo onde L = Ltotal
Io  1
I a soil [ I e kLtotal ]
dependências da ET por estresse hídrico
Limitante da ET por estresse hídrico
Limitante da transpiração por estresse hídrico
(escala foliar) exemplo)
•
•
Relevância da umidade do solo em modelagem do sistema climático
Modelagem climática: sensibilidade à umidade do solo
•
(ex estudos seminais : fonte Shukla & Mintz 1982 Sciene)
•
Previsão numérica do tempo : influência no cálculo da temperatura do ar
•
(ex: fonte Yang et al 1994, MWR; Smith et al 1994 BAMS)
•
Modelagem climática e hidrológica: spin up da umidade solo
•
(ex: fonte Du et al 2006)
Dinâmica de água no solo (modelo SiB2)
Variáves prognósticas (2/2)
Roff escoamento superficial
3 camadas (versão Sellers 1996)
parâmetros homogêneos por
camada
multi-camadas (nova versão) com
parâmetros heterogêneos
verticalmente
QG drenagem
profunda (similar
recarga aquífero)
4. Assimilação de carbono e transpiração
Limitantes da
fotossíntese e
da condutancia
estomática
•equação de Ball & Berry
4. Assimilação de carbono e transpiração
•modelo conectado Fotosintese – Condutancia estomática
• Scaling from leaf-to canopy-scale,
retaining only fully green leaf of top canopy
with Vmax0 (Ano):
Operação
Arquivo dos
parâmetros do
sistema solovegetação
(data1)
Arquivo das
forçantes da
simulação
(data2)