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LEAF-2LEAF-2((Land Ecosystem-Atmosphere Land Ecosystem-Atmosphere
Feedback modelFeedback model))
Dr. Edmilson FreitasDr. Edmilson FreitasDr. Pedro Leite da Silva DiasDr. Pedro Leite da Silva Dias
Departamento de Ciências Departamento de Ciências Atmosféricas – IAG/USPAtmosféricas – IAG/USP
Junho de 2003Junho de 2003
ObjetivoObjetivo
Apresentar algumas características do Apresentar algumas características do modelo de interação solo-vegetação-modelo de interação solo-vegetação-
atmosfera existente no modelo RAMS.atmosfera existente no modelo RAMS.
Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2
SoloSolo superfícies temporárias de água (ex. cobertura de neve)superfícies temporárias de água (ex. cobertura de neve) VegetaçãoVegetação corpos de água permanentes corpos de água permanentes Ar do dosselAr do dossel A atmosfera livre (mais baixo nível)A atmosfera livre (mais baixo nível)
LEAF-2 contém um conjunto de equações que representam o armazenamento e a troca de calor e umidade associada com a interface terra-atmosfera. É baseado num modelo conceitual que envolve as seguintes componentes físicas:
Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2 A componente solo é subdividida em vários níveis verticais para representar a variabilidade vertical. Cada camada tem normalmente de 4 a 20 cm de espessura, e junto representam o solo a uma espessura de 1 m ou mais. A energia interna e o conteúdo de umidade são prognosticados em cada camada de solo.
O prognóstico das variáveis de calor e umidade é governado pelas leis de conservação e incluem termos de armazenamento e vários fluxos entre as componentes do sistema representado no LEAF-2.
A implementação do LEAF-2 dentro do RAMS traz a vantagem de permitir múltiplos tipos de superfície coexistirem dentro de uma única célula de grade, resolvida numa coluna de ar (patches)
Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2 Os fluxos são denotados na forma
Fabc
sendo:
•a: o tipo de fluxo w (transferência de água); h (transferência de calor); r (transferência de radiação de onda longa)
•b: a fonte g (superfície); v (vegetação); c (dossel); a (atmosfera livre); s (neve)
•c: o receptor.
Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2 As equações gerais para o conteúdo de umidade para todas as variáveis dependentes do tempo no LEAF-2 são dadas por:
wcawgvcwgvcwvcwgcwscc FFFFFF
tW
12
,wvswavwvcv FFF
tW
,2wvswaswsswsc
s FFFFt
W
,1wgswss
s FFt
W
,22
2 wggwgvcwgswgcg FFFFt
Wz
,11
1 wggwgvcg FF
tW
z
Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2 As equações de conservação para a energia termal são dadas por :
,
atmosfera a para dossel docalor
dossel o para vegetaçãodacalor
dossel o parasolo docalor
dossel o para neve dacalor
dossel do atemperatur
hcahvchgchscc
c FFFFt
TC
,)(
vegetação viadosselo para superfície
da latentecalor
1
vegetação viadosselo para superfície
da latentecalor
2
dossel o para vegetação
da latentecalor
vegetaçãopela recebida curta
onda de radiação
vegetaçãoa para longa) onda (rad
superfície dacalor
vegetaçãoa paralonga) onda (rad
neve dacalor
atmosfera a para longa) onda (rad
vegetaçãodacalor neve a para
vegetaçãodacalor vegetaçãoa para atmosfera dacalor
dossel o para vegetaçãodacalor
vegetaçãoda ra temperatu
LFFFSF
FFFFFt
TC
wvgcwgvcwvcvrgv
rsvrvahvshavhvcv
v
Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2 Continuação :
,
)(
dossel o para neve da latentecalor
recebida curta onda
2
atmosfera a paraneve da longa onda
vegetaçãoa para neve da longa onda
neve a paraatmosfera dacalor
neve a para vegetaçãodacalor
outra paraneve de camada
uma decalor dossel o para
neve dacalor
neve de camada ª2
22
LFSF
FFFFFtQW
wscsrsa
rsvhashvshsshscss
,)( 1
ª1
11
recebidacurta onda
s
neve a parae superfícida calor
hgs
outra paraneve de camada
uma de calor
hss
neve de camada
ssSFF
tQW
Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2 Continuação :
dosselo para superfície
da latentecalor recebida
curta onda
vegetaçãoa para superfície
da longa onda
atmosferaa para superfície da longa onda
outra a para solo docamada uma decalor
neve a parasuperfície dacalor
dossel o parasuperfície dacalor
solo de camada 2ª
22
LFSF
FFFFt
Qz
wgcgrgv
rgahgghgshgcg
outra para solo de
camada uma decalor solo de camada 1ª
11 hgg
g Ft
Qz
Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2 Fluxos entre as camadas do solo :
zzKWF wswgg
)(
,KK3b2
ss
b
ss
,W
w
g
Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2 Fluxos turbulentos de calor e umidade :
,)(
d
csawsc r
F
,)()1(
d
cgawgc r
F
,)(2,2
b
wcvaswvc r
F
,)1)((
12cb
wcvaswgvcwgvc rr
FF
,** uF awca
,)(
d
csaphsc r
TTCF
,
)()1(
d
cgaphgc r
TTCF
,)(2,2
b
cvapshvc r
TTCF
,**TuCF aphca
Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2 A razão de mistura do ar do dossel é prognosticada utilizando-se a expressão :
ca
cc z
W
em que zc pode ser interpretado como a espessura efetiva do ar do dossel que controla a capacidade de armazenamento de umidade. O parâmetro w é a fração de área da folha que é coberta por água (chuva ou orvalho) e serve como uma função peso para dividir a folha em duas partes, uma que evapora e outra que transpira, e é dado por:
32
svm
vw W
W
em que Wvm = 0,2 kg m-2 é assumido como sendo a máxima capacidade de armazenamento de água pela superfície de uma folha individual (DEARDORFF, 1978), e Wv não pode exceder o produto Wvms
Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2 Na equação que determina o fluxo de umidade líquido para o ar do dossel por transpiração. A quantidade fracional dessa umidade, que é extraída de cada camada do solo, é calculada por:
i i
i
i
i
wgvci r
r
F
onde o índice i em F, r, e denota a camada do solo, ri é a densidade de raízes de uma camada, uma propriedade definida para cada tipo de vegetação, i é o potencial matricial para a camada.
Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2 Fluxos de radiação de onda longa
,111114gssvsLgsssvvrva RTF
,44vsssvrsv TTF ,)1( 44
vggvrgv TTF ,)1()1(4
ssLsssrsa RTF
,)1()1()1( 4gLggrga RTF
gsgs )1(
Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2 Fluxos de radiação de onda curta
ssvsSv RS 11
,)1)(1)(1( igssssSsi fRS
),1()1)(1( gsssSg RS
onde v, s e g são os albedos da vegetação, de todas as camadas de neve, e do solo, respectivamente; s é a transmissividade líquida de todas as camadas de neve; e fi é a fração da radiação total absorvida pela neve na camada i
Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2 Fluxos de precipitação
,swawav FF
),1( swawas FF
,shahav FF
),1( shahas FF
Quando o conteúdo de umidade sobre a superfície da vegetação (da combinação de precipitação interceptada e formação de orvalho) excede o valor limitante de Wvms, a quantidade em excesso é primeiramente trazida para o equilíbrio térmico com a vegetação por transferência de calor e, então, é perdida pela vegetação para cair na categoria corpo d’água. Esta quantidade define o fluxo Fwvs e, a energia por ela carregada define o fluxo Fhvs
Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2 Fluxos entre camadas de neve e o solo
As transferências de massa entre camadas de neve e da neve para o solo ocorrem no LEAF-2 através da percolação da água líquida, denotada pelos fluxos Fwss e Fwgs. Fluxos adicionais de calor são conduzidos como o produto FwssQs2 e FwgsQs1 pela percolação da água líquida. O fluxo líquido de calor entre camadas de neve é dado por:
,2swssshss QFzTKF
,)(5,0 1swgsgshgs QFzTCKF
é a condutividade térmica dada por:
1,510010186,400041,0
1,510010186,47,2100logexp2
210
10
10
log para
log para
e é dependente da umidade do solo através do potencial matricial .
Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2 Patches não vegetados
O comprimento de rugosidade para um corpo de água permanente é baseado numa altura de onda parametrizada, relacionada à velocidade instantânea do vento local (GARRAT, 1993), é dado por:
Gu
z g
2*
016,0
,0001,0max
Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2 Fluxos entre patches
Uma vez que os valores de para cada um dos patches são calculados através da teoria da similaridade da camada superficial (LOUIS, 1979), um fluxo de momento da camada superficial, integrado sobre todos os patches, é obtido de:
NP
ppp uA
vu
uwu1
2*22
)(''
NP
ppp uA
vu
vwv1
2*22
)(''
e os fluxos de temperatura média e vapor d’água de:
NP
ppp TuATw
1** )(''
NP
ppp uAw
1** )(''
Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2 Definição dos parâmetros da vegetação
Para a definição dos parâmetros da vegetação o LEAF-2 utiliza o BATS (Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme, DICKINSON et. al., 1986) para as classes de 1 a 17 e os parâmetros fornecidos pelo NASA/Land Data Assimilation Systems (NASA/LDAS) e podem ser verificados no endereço http://ldas.gsfc.nasa.gov. Os parâmetros de vegetação adotados no BATS incluem o índice de área foliar, cobertura fracional, altura do plano de deslocamento, rugosidade, albedo e emissividade. Algumas das categorias utilizadas no BATS podem ser vistas em SETH et. al. (1994) ou no arquivo RAMSIN (namelist para execução do RAMS).
Descrição do LEAF-2Descrição do LEAF-2 Exemplo de uso do solo para o estado de São Paulo
Aplicações: Experimentos do Aplicações: Experimentos do impacto do desmatamentoimpacto do desmatamento
Mudanças climáticas causadas por alterações no uso do solo:
...•Grandes reservatórios•Irrigação•Vegetação: desmatamento provoca diminuição da chuva
Temperatura
Velocidade do Vento Umidade
específica
Desenvolvimento da Camada Limite PlanetáriaDesenvolvimento da Camada Limite Planetária
Fisch et al, 2000
IGPB News 2001
Niño
Cutrim et al, 1995, BAMS
Efeito do desmatamento ao longo de rodovias – Ex: Rondônia
0123456789
10
11:2212:25
12:2613:30
13:3114:35
14:3615:39
15:4016:44
UTC
Pasture
Pasture(interface)Forest
Forest(interface)
Primeiro eco do dia, detectado pelo radar - SPol
Local time = UTC-5 hours
WET SEASON, 1999
M.ª F.Silva Dias et al. 2001
Response of the Amazon ClimateAuthor albedo Rugosity T P E ( C) (mm) (mm)Dickinson & Henderson-Sellers(1988)
0,12/0,19 2,00/0.05 +3,0 0 -200
Lean & Warrilow (1989) 0,136/0,188 0,79/0,04 +2,4 -490 -310Nobre et al. (1991) 0,13/0,20 2,65/0,08 +2,5 -643 -496Dickinson & Kennedy (1992) 0,12/0,19 2,00/0,05 +0,6 -511 -256Mylne & Rowtree (1991) 0,135/0,200 --- -0,1 -335 -176Henderson-Sellers et al.(1993)
0,12/0,19 2,0/0,2 +0,6 -588 -232
Lean & Rowtree (1993) 0,136/0,188 0,79/0,04 +2,1 -296 -201Pitman et al. (1993) 0,12/0,19 2,00/0,05 +0,7 -603 -207Polcher & Laval (1994a) 0,098/0,177 2,30/0,06 +3,8 +394 -985Polcher & Laval (1994a) 0,135/0,216 2,30/0,06 -0,1 -186 -128Sud et al. (1996) 0,092/0,142 2,65/0,08 +2,0 -540 -445McGuffie et al. (1995) 0,12/0,19 2,0/0,2 +3,0 -437 -231Lean et al. (1996) 0,13/0,18 2,10/0,03 +2,3 -157 -296Manzi & Planton (1996) 0,13/0,20 2,00/0,06 -0,5 -146 -113Hahmann & Dickinson (1997) 0,12/0,19 2,00/0,05 +1,0 -363 -149Based on Hahmann & Dickinson, 1997.
Resumo: efeito do desmatamento uniforme na Amazônia
Efeito do desmatamento regional
DESMATAMENTO NA AMAZÔNIA E MUDANÇAS CLIMÁTICAS REGIONAIS QUESTÃO A cobertura vegetal influencia o clima diretamente através de mudanças nas trocas de energia entre a superfície e a atmosfera?
(Ainda em estudo...)
Sabemos alguma coisa...)
OU São mais importantes os processos de realimentação associados aos mecanismos biosféricos (por exemplo a geração de núcleos de condensação biogênicos - VOC's - e processos hidrológicos?
Topografia Vegetação
Maior parte da área desmatada está localizada em vales
Maior parte da floresta está nas encostas e terrenos elevados.
Rondonia – SW da Amazonia
RAMS (microfísica de nuvens completa) 2 km de resolução horizontal - 7 Fev 1999 – precipitação acumulada em 12 horas no período da tarde
Topografia e vegetação heterogênea
Terreno plano e vegetação heterogênea
Topografia e vegetação homogênea=floresta
(*) 11.3 mm (*) 9.5 mm (*) 10.2 mm
Silva Dias et al. 2002 - JGR
Controle (topografia real +vegetação heterogênea
Somente floresta com topografia real
Topografia plana com vegetação heterogênea
longitude
mm/12 horas
Precipitação total em 11,6S
Silva Dias et al. 2002 - JGR
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
0 20 40 60 80 100Def orestation (%)
Relat
ive P
reci
pita
tion
Conceptual impact of deforestation on relative precipitation. The three curves indicate different models, among many other possible ones (Avissar et al 2002 – JGR – LBA special issue)
Conclusão sobre o efeito do desmatamento na Amazônia e mudanças climaticas regionais
Observações locais (Projeto ABRACOS):
Mudanças significativas nas trocas de calor, umidade e momentum entre a pastagem e a floresta; Evaporação na floresta parece ser aproximadamente constante durante o ano; Maior calor sensível na pastagem implica em camada limite planetária de maior espessura sobre a pastagem e influência na distribuição de nuvens.
Modelagem do desmatamento – resultados mais recentes
A convecção é sensível ao tipo de vegetação e umidade do solo; Desmatamento total leva a um clima mais quente e seco ((1.5-3oC e 10-25% de redução na precipitação); A mudança climática observada pelo desmatamento é da mesma ordem que a mudança associada ao dobramento da concentração de CO2 Um possível efeito de realimentação pode ocorrer com o aumento do efeito estufa, diminuindo drasticamente a cobertura florestal; Entretanto, experimentos com distribuição realística de desmatamento coloca uma série de fatores complexos na análise dos modelos com desmatamento uniforme; Há indícios de que áreas desmatadas com escala da ordem de dezenas/centenas de km podem levar a um aumento da precipitação, através das circulações regionais induzidas. Áreas maiores de desmatamento levam a diminuição da precipitação; Aumento do efeito de borda devido a diminuição da precipitação na interface entre floresta e pastagem.
E quanto ao futuro? Qual é a previsão dos modelos globais de aquecimento pelo aumento do efeito estufa que simulam a interação com a biosfera???
Que tipo de modelo é necessário para responder esta questão?
•Introduzir C como variável prognóstica ....
Participação: Inst. Agronômico de Campinas e UNICAMP
Projeto Financiado pela FAPESP: coordenado pelo Dr. H. Rocha (IAG/USP)
Torre da Reserva Jaru –RO - 65m
Rocha 2001
12
3 4
LITERFALL
CARBON ECONOMY
L A IAssimilação de dados de LAI: Rocha 1999
G REEN FRAC TIO N
So il C O2 e fflux J a n
Ne t a ssim ila tio n J ul
So il C O 2 e fflux J u l
),,,,(),,,,( scvoaascvoaaaaa XXXXXFXXXXXNXL
tX
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tX
,....),,,,,,,( irlva qqqqTwvuX
,...),,,,( vo sTwvuX
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ci
di
vii
v NCVOCstomrootsiglaiX
,...),',,,,( 2342 SOsVOCNOOCHCOX xc
,....),,( ni
si
si
s NWTX
atmosfera
oceano
solo
vegetação
constituintes
Objetivo Final: Modelo de Previsão Ambiental
Hadley Centre Coupled Climate-Carbon Cycle Model
Change in Global Climate in Change in Global Climate in HadCM3LC (expt:abuig)HadCM3LC (expt:abuig)
Lat: 15oS - 0oNLon: 70oW - 50oW
Interactive CO2 and Dynamic Vegetation 2090s - 1990s
Climate-driven Amazon diebackClimate-driven Amazon dieback1850 2000 2100
Change in Amazon Climate and HydrologyChange in Amazon Climate and Hydrologyin HadCM3LC (expt:abuig)in HadCM3LC (expt:abuig)
Lat: 15oS - 0oNLon: 70oW - 50oW
Change in Amazon Carbon BalanceChange in Amazon Carbon Balancein HadCM3LC (expt:abuig)in HadCM3LC (expt:abuig)