Modelagem do Impacto de Modificações da Cobertura Vegetal Amazônica no Clima Regional e Global

1. Modelagem do Impacto de Modificações da Cobertura Vegetal Amazônica no Clima Regional e Global Francis Wagner Silva Correia CPTEC – INPA (francisw@inpa.gov.br) Objetivo: Realizar um estudo de modelagem numérica, utilizando o Modelo Regional ETA e o Modelo de Circulação Geral da Atmosfera (MCGA/CPTEC), para avaliar as conseqüências climáticas decorrentes das mudanças na cobertura vegetal da região Amazônica, utilizando diferentes cenários de desflorestamento.

2. 1- Introdução O território brasileiro, como um todo, tem apresentado diferentes transformações no padrão espacial de uso e cobertura da terra  (desflorestamento e agricultura) Amazônia Legal  Taxa de desflorestamento  26.130 km2 (2003/2004) (6,2% maior que em 2002/2003)  (Rondônia, Pará e Mato Grosso) – (INPE, 2005) Monitoramento de vários anos  18% da Amazônia Legal desflorest. até 2004. 680 mil km-2 – França e Portugal Campos de pastagens (1,7 – 17 milhões = gado) Áreas de cultivo Corte de árvores - madeireiras Expansão da soja – cerrado (3 ton/ha). (Shean, 2004) Estradas asfaltadas ( 80 mil Km – 1970-2000) 75% desflorestamento – 100 km rodovia. (Alves, 2002) Programa de infra-estrutura “Avança Brasil”

3. Programa Avança Brasil (Governo FHC) = aplicação de US$ 43 bilhões, US$ 20 bilhões são para obras de infra-estrutura (2000-2007) - Fearnside e Laurance, 2002 Asfaltamento de 7.500 km de rodovias facilitará o acesso de fazendeiros e madeireiros e outros a regiões remotas –AM Custos Ambientais - 2020 - (Fearnside et al, 2002) – 270 a 506 mil ha/ano. Gases “efeito estufa” – 52 a 98 milhões de ton anuais na emissões. IPAM = desmatamento adicional de 120 mil a 270 mil km-2 nos próximos 20 ou 30 anos

4. Essas mudanças poderiam causar impactos no clima? E, quais seriam estes impactos? Considerando um panorama mais realista da cobertura vegetal para a Amazônia, quais seriam os efeitos climáticos detectados? Objetivo geral : Realizar um estudo de modelagem físico-matemático da interação superfície-atmosfera para toda a Amazônia Legal, considerando diferentes cenários de desflorestamento da Amazônia, a fim de avaliar o impacto no clima nas escalas regional e global. Etapa I = Calibração dos parâmetros do modelo SSiB Implementação dos cenários de desflorestamento nos modelos atmosféricos Etapa II = Simulações dos Impactos climáticos com o modelo global (CPTEC) Simulações dos Impactos climáticos com o modelo regional (ETA)

5. 2- Elementos teóricos ARME ABLE-2 ABRACOS Experimentos de campo na Amazônia Estudos na interação superfície - atmosfera RBLE LBA De que modo as mudanças dos usos da terra e do clima afetarão o funcionamento biológico, químico e físico da Amazônia, incluindo sua sustentabilidade e sua influência no clima global?

6. Modelagem Atmosférica

7. Modelagem Regional Silva Dias e Regnier, 1996; Avissar e Liu, 1996; Avissar e Schmidt, 1998; Wang et al., 1996, 1998; Li e Avissar, 1994; Lynn et al., 1995; Dalu et al., 1996; Chen e Avissar, 1994a; Chen e Avissar, 1994b; Wetzel et al., 1996; Wang et al., 2000; Roy Baidya e Avissar, 2002.

8. Principais resultados encontrados:  Evapotranspiração  Temperatura da superfície  ou  Convergência de umidade  ou Precipitação  ou Runoff Heterogeneidade da superfície – gradientes de pressão e temperatura – circulação mesoescala

9. 3 - Modelos atmosféricos e hidrológico 3.2 – Modelo ETA/SSiB 3.1 – MCGA/CPTEC Resolução 40km e 38 camadas vertical; Coordenada vertical ; Parametrização de Betts e Miller (1986) – convecção profunda e rasa; Condensação de grande escala; Turbulência (CLP) – Mellor e Yamada 2.5 (atmosfera livre) e 2.0 (CLP); Radiação onda curta – Lacis e Hansen (1974); Radiação onda longa – Fels e Schwarztkopf (1975); Esquema de superfície – SSiB; TSM – Climatológica; Água no solo e condições de contorno – do MCGA/CPTEC; Modelo Espectral – T62L28 (2º); Coordenada vertical ; Parametrização de Kuo – convecção profunda; Parametrização de Tiedtke – convecção rasa; Condensação de grande escala; Turbulência (CLP) – Mellor e Yamada (1982); Radiação onda curta – Lacis e Hansen (1974); Radiação onda longa – Hashvardhan et al. (1987); Esquema de superfície – SSiB; TSM – Climatológica; Água no solo – balanço hídrico; Supercomputador = NEC SX6 Paralelizado – MCGA; Seqüencial - ETA

10. 4 – Simulações numéricas 4.1 – MCGA/CPTEC • C.I. – análises do NCEP- “Ensemble” – filtrar variabilidade natural do modelo (3 membros).- 2 anos iniciais ignorados – ajustamento da água no solo e c.i. – análise (ano 2000) 4.2 – ETA -SSIB • C.I. e C.C. – MCGA/CPTEC- rodada única para cada experimento iniciada no mês de dezembro de 1999- condição de contorno e inicialização de água no solo do MCGA/CPTEC

11. 5 – Cenários de desflorestamento 5.1 – CONTROL • Projeto Proveg (Sestini et al., 2002) • (1x1 km) • Sem desflorestamento • IBGE (1993) = 1:5.000.000 (35 classes-Brasil) • RADAMBRASIL – 26 cartas = 1:1.000.000 • Resolução das áreas de contato - TM Landsat (Mosaico 1999/2000) 5.2 – PROVEG • Projeto Proveg (Sestini et al., 2002) • (1x1 km) • Desflorestamento: PRODES (OBT-INPE) • 112 cenas do ano base 1997 • Resolução da áreas de “contatos”

12. 5.3 – CEN2033 • Cenário ano 2033 • -(2x2 km) • Modelo de dinâmica de paisagem • “Dinâmica” • Elaborado pela cooperação entre a Unversidade Federal de Minas Gerais, The Woods Hole Research Center e o IPAM • (Soares-Filho et al., 2002; 2004) • Desflorestamento grande escala (AM) • Toda a floresta Amazônia – pastagem • Nobre et al., 1991; Lean e Rowntree, 1997; • Hahmann e Dickinson, 1997; Kleidon e Heimann (2000), Voldoire e Royer, 2004. 5.4 – DESFLOR

13. (Soares-Filho et al., 2002; 2004)

14. 6 – Calibração SSiB e desempenho do M. Hidrológico 6.1 – Calibração dos parâmetros físicos – fisiológicos (SSiB) • - Sítios de pastagem (NS) e floresta (RJ) - (LBA). • Versão SSiB “off-line”. • K, L , T, V, q, P, Ppt. • H e LE (Inst. resposta rápida) – “eddy correlation”. • Água solo – sonda nêutrons. • 15 dias (NS) e 14 dias (RJ). (ago/set - 2001) • Parâm. Iniciais (NS) = Rocha et al., (1996) • -Parâm. Iniciais (RJ) = (Nobre et al. (1991); Sellers et al. (1989); Dorman e Sellers (1989). • -Equilíbro água-solo. (1 ano de integração) 25x • -Algoritmo de mínimos quadrados (ZXSSQ, IMSL, 1984) Convergência - parâmetros calibrados

15. Resultado do processo de calibração: • Convergência = 27 iterações • -Desvio médio erro (F) caiu 70% • -Erros para H e E reduziram • - Poucas mudanças parâmetros – não-linearidade, exceto na condutividade hidráulica

16. (Fazenda NS) (Floresta RJ) • Erro reduziu  E • Erro reduziu  H • -Pequenas mudanças = parâmetros ajustados ou não fechamento do balanço de energia. • Aperfeiçoamento dos sensores • -Aperfeiçoamento dos algoritmos de cálculo dos fluxos turbulentos

17. pag. 112 7 – Mudanças regionais – Modelo ETA / SSiB. (Média Anual = PROVEG-CONTROL) • Ts = 1,5 a 2,5oC • -Tc = CLP (0,2oC) (PA e RO) • - q = - 0,6 a 0,8g kg-1 • Atmosfera mais seca e quente (redução umidade relativa) • Aquecimento = Redução Evp e rd – (menor LAI e capac. Armazenagem, redução perda interceptação.) • Aumento na cobertura de nuvens (baixos níveis) – Cutrim et al. (1995) e Durieux et al. (2003). • Aumento precipitação (0,9 mmdia-1) Leste Pará – Converg. Umidade (circulação mesoescala) • Runoff – aumento da ppt econver • E. seca = mudanças mais intensas. (estresse água solo – raízes) (a) (b) (d) (c) Significância estatística t de Student • Temperatura da superfície (oC) (b) Calor latente (W m-2); • (c) Precipitação (mm dia-1); (d) Convergência de umidade (mm dia-1).

18. (Média Anual = CEN2033-CONTROL) • Ts = 2 a 3oC (PA e norte MT) • -Tc = CLP (0,4oC) • q = - 0,8 kg-1 • UR = 10% (PA) • Atmosfera + seca e + quente • -Mudança + significativa que no cenário PROVEG • Aumento na cob. nuvens = local aumento da ppt (circulação mesoescala) (Avissar e Liu, 1996; Wang et al. 2000). • Aumento ppt no leste (AM) • Na média = aumento ppt, devido ao aumento na convergência umidade (circulação mesoescala) • Mudanças mais intensa na estação seca e neste cenário. (a) (b) (d) (c) • Temperatura da superfície (oC) (b) Calor latente (W m-2); • (c) Precipitação (mm dia-1); (d) Convergência de umidade (mm dia-1). Modelo ETA, pag. 127

19. (Média Anual = DESFLOR-CONTROL) • Mudanças mais acentuadas que PROVEG e CEN2033 • Ts = 3 a 4oC (PA) • -Tc = CLP (1,0oC) • q = - 1,2 kg-1 • UR = 15% (PA) • Cobertura nuvens = redução no nordeste AS, aumento sul e oeste da Amazônia (convergência de umidade). • Precipitação = redução significativa leste PA e no Amazonas – reciclagem água - e aumento extremo oeste – converg. umidade • Na média = ppt reduziu 12% e Evap. 32% • E. seca = mudanças intensas (a) (b) (c) (d) • Temperatura da superfície (oC) (b) Calor latente (W m-2); • (c) Precipitação (mm dia-1); (d) Convergência de umidade (mm dia-1). Modelo ETA, pag. 139

20. 7.1 – Balanço de radiação e energia (PROVEG-CONTROL) • Aumento albedo = 0,13 – 0,20 • -Aumento Temp. = 2,0oC • Redução SW = nebulosidade – redução Rn. • Aumento em LW = nebulosidade • -Redução Rn = (15%) – albedo e perda de onda longa (albedo domina) • Impactos em H e E maiores na estação seca. • Topo atmosfera = mudanças na rad. onda curta. • Redução na pressão – aumento na temp. e PW aumentou – converg. umidade. (W m-2) Modelo ETA, pag. 156

21. (CEN2033-CONTROL) • Aumento albedo = 0,13 – 0,20 • -Aumento Temp. = 2,4oC (> PROVEG) • Redução SW = nebulosidade – redução Rn. • Aumento em LW = Ts • Redução Rn = (16%) – albedo • Topo atmosfera = mudanças na rad. onda curta e longa. • Redução na pressão – aumento na temp. e PW aumentou – converg. umidade. > que PROVEG (W m-2) Modelo ETA, pag. 157

22. (DESFLOR-CONTROL) • Aumento albedo = 0,13 – 0,20 • -Aumento Temp. = 2,8oC (> CEN2033) • Aumento SW = redução nebulosidade (médio e altos). • Redução LW = redução nebulosidade • Redução Rn = (17%) – maior perda de onda longa. • Estação seca = Ts maior - LW - Rn • Topo atmosfera = mudanças na rad. onda longa. (redução na nebulosidade) • Redução na pressão – aumento na temp. e PW reduziu – redução evap. (mesmo com convergência umidade) (W m-2) Modelo ETA, pag. 158

23. 7.2 – Balanço de água – ciclo hidrológico (PROVEG-CONTROL) ANUAL • CONTROLE: • -Da precipitação total = (63% - ET e ES) e (15,7% - perda por interceptação) • 78% da ppt = reciclagem local de água • 25% = runoff (transporte de umidade) • IMPACTO: • Aumento na ppt (15,2% - anual) • Redução de 68% na perda por interc. (mudanças parâmetros fisiológicos = importante na reciclagem local de água) • Convergência e Evap. = sentidos contrários • -Aumento na convergência sobrepujou a redução na evap. = aumento na ppt (estação úmida) CONTROL PROVEG-CONTROL P = precipitação; ET e ES = transpiração e evaporação do solo; EL = evaporação da água interceptada pela vegetação; R = escorrimento “runoff” (mm dia-1) Modelo ETA, pag. 163

24. (CEN2033-CONTROL) • IMPACTO: • - Aumento na ppt (8% - anual) • Convergência e Evap. = sentidos contrários • -Aumento na convergência sobrepujou a redução na evap. = aumento na ppt. • -Estação seca = pouca mudança na ppt. • - Atmosfera age no sentido de reduzir os efeitos da redução na evap. CONTROL CEN2033 - CONTROL P = precipitação; ET e ES = transpiração e evaporação do solo; EL = evaporação da água interceptada pela vegetação; R = escorrimento “runoff” (mm dia-1) Modelo ETA, pag. 165

25. (DESFLOR-CONTROL) • IMPACTO: • Redução na ppt (11,5% - anual) • Convergência e Evap. = sentidos contrários • -Redução evap. sobrepujou a convergência umidade = redução na ppt. • Atmosfera age no sentido de reduzir os efeitos da redução na evap. • Redução intensa na Evap. > convergência de umidade – menos ppt • - Redução significativa na Evap estação seca = comprimento das raízes. CONTROL DESFLOR - CONTROL P = precipitação; ET e ES = transpiração e evaporação do solo; EL = evaporação da água interceptada pela vegetação; R = escorrimento “runoff” (mm dia-1) Modelo ETA, pag. 166

26. 8.1 – Fluxo de umidade integrado verticalmente • -Estação Úmida • -Transporte de leste baixa latitudes = ventos Alíseos, e de oeste alta latitudes • - Aumento na velocidade vento na CLP = produziu forte confluência do escoamento – regiões de anomalias de converg. umidade. • PROVEG = confluência de umidade (Tocantins e Bahia) – aumento na ppt. Na Bolivia red.precipitação. • CEN2033 = confluência Brasil central – aumento ppt no nordeste. • DESFLOR = confluência no oeste do AM – ppt. Aumento para o centro do Brasil. Fluxo de umidade integrado verticalmente para estação úmida (kg m-1 s-1): (a) simulação de controle; (b) mudanças decorrentes do cenário PROVEG; (c) CEN2033; (d) DESFLOR MCGA/CPTEC, pag. 280

27. PROVEG -2,4 -1,2 CEN2033 Divergência DESFLOR Unidade:106 kg/s MCGA/CPTEC, pag. 291

28. 8.3 – Energia Estática Úmida Precipitação na Amazônia = sistemas convectivos. Mudanças na superfície e converg. umidade afetam a estabilidade local. Analisa o impacto na estabilidade e Convecção através da EEU. • Gradiente vertical negativo de EEU = atm Instável. • -EEU - energia disponível para a convecção • EEU - instável todos os cenários • -Gradiente menos negativo – DESFLOR e CEN2033 ( + estabilidade atm) • -Maior EEU cenário PROVEG (energia para convecção) • - Mudanças na veg = altera perfil de EEU e portanto a estabilidade MCGA/CPTEC, pag. 275

29. 8.5 – Perfil Vertical Perfil vertical médio anual da (a) temperatura (oC), (b) umidade especifica (g kg-1), (c) velocidade zonal (m s-1), (d) velocidade meridional (m s-1), (e) vento horizontal (m s-1) • - Forte escoamento de leste em baixos níveis (AM) e aumento de v de oeste (superiores) • - As mudanças acompanharam o grau do desflorestamento • Baixos níveis – troposfera tornou-se mais seca – redução na evapotranspiração (mesmo  conv. umid) • Mudança na temperatura limitada aos baixos níveis – redução na evapotranspiração • Dinâmica da CLP afetada nos cenários de desflorestamento MCGA/CPTEC, pag. 260

30. 8.6 – Mudanças sazonais • Aumento T – redução na evap. • -Rn reduziu = aumento perda de rad. onda longa. • -Sazonalidade da ppt bem representada. (subestimou nos meses úmidos) • DESFLOR - Redução em ppt (maio-outubro) – aumento do período seco (conseqüências ecológicas) • Redução evap. intensa est. seca – limitada pela disponibilidade de água no solo – redução das raízes. • Runoff aumentou = redução da infiltração • -Aumento da conv. umidade quase todo ano. ANEEL, INMET, CPTEC MCGA/CPTEC, pag. 263

31. PROVEG • - Valores T. próximos aos de Von Randow et al. (2004) • -Rn reduziu = aumento perda de rad. onda longa. • -Ppt aumentou – estação úmida (convergência de umidade) • Evapotranspiração reduziu estação seca – disponibilidade de água solo • Runoff aumentou – taxa de infiltração e distribuição de precipitação. • - Sem aumento do período seco – sem implicações ecológicas MCGA/CPTEC, pag. 269

32. 9 – Mudanças Globais – MCGA/CPTEC • As mudanças nos usos da terra poderiam causar impactos na circulação em escala global? • E quais seriam os impactos na precipitação em áreas remotas? Sul AMZ Aumento 9.1 - Circulação Meridional Janeiro/2000 REDUÇÃO • DESFLOR = pouca mudança na área – redução mov. ascendente 10oS. Enfraquecimento circulação pólo. H.N = redução mov. ascendente 10oN e enfraquecimento C.M em 50oN] • -PROVEG = aumento no mov. ascende. – sul Amazônia. Mudança no HN (menos significante) – aumento no ramo descendente (25oN) e redução mov. ascendente (60oN) • -CEN2033 = enfraquecimento da circulação NH (pólo) Velocidade vertical (102 x Pa s-1) : (a) simulação controle; (b) mudanças na velocidade vertical - DESFLOR; (c) do cenário PROVEG e (d) do cenário CEN2033 (Média de 180oO a 180oL ) MCGA/CPTEC, pagina 298

33. MCGA/CPTEC, pagina 307 Alterações na circulação de grande escala são sentidas remotamente e perturbações na estrutura dinâmica propagam-se para outras regiões. 9.2 – Mudanças remotas na precipitação • Mudanças significativas na AM e em áreas remotas (todos cenários). • DESFLOR = redução leste da AM e ZCIT, aumento no oeste, sul Oceano Índico, África tropical, norte México. • CEN2033 = aumento sul do Oceano Índico, África e sul dos EUA. • PROVEG = aumento sul da Amazônia, Oceania e América Central. • Anomalias = variabilidade natural e desflor. Anomalia no sul Europa. • Anomalias de ppt - anomalias na convergência de umidade Distribuição média anual da precipitação em mm dia-1: (a) simulação controle; (b) mudanças na precipitação DESFLOR;(c) CEN2033; (d) PROVEG

34. 9.3 – Mudanças sazonais – regiões remotas MCGA/CPTEC, pagina 307

35. 10 – Discussão 10.1 – Modelo ETA • Mudanças mais significativas ocorreram na estação seca – menos água disponível – redução das raízes. • Ciclo hidrológico – mecanismo de retroalimentação negativo – aumento na convergência de umidade • - PROVEG e CEN2033 = aumento na precipitação (Converg. > Evap.) – Aumento na convergência de umidade e dos processos de mesoescala envolvidos (Converg. > Evap.) – Mecanismo de retroalimentação (Sud e Fenessy, 1984) • - DESFLOR = Redução na precipitação – (Converg. < Evap.) – Mecanismo de evapotranspiração (aumento ppt. no oeste da AMZ) • - Período seco mais longo – conseqüência ecológica 10.2 – MCGA/CPTEC • Mudanças mais significativas com o grau do desflorestamento, principalmente na estação seca. • Ciclo hidrológico – mecanismo de retroalimentação negativo – aumento na convergência de umidade. (melhor cenário) • - PROVEG = aumento na precipitação (Conveg. > Evapot.) – Mecanismo de retroalimentação (Sud e Fennessy, 1984). • - CEN2033 = Redução na precipitação – (Conveg. < Evap.) – Mecanismo de evapotranspiração • - DESFLOR = Redução na precipitação – (Conveg. < Evap.) – Mecanismo de evapotranspiração • - Período seco mais longo – conseqüência ecológica – possibilidade de aumentar queimadas na floresta.

36. 11 – Conclusões • Mecanismo de retroalimentação negativo presente em todos os cenários – aumento da convergência de umidade. • O desflorestamento parcial pode conduzir a um acréscimo na precipitação em escala local; porém, para desflorestamentos maiores, essa condição pode não ser sustentável, conduzindo a uma condição mais seca na região e, possivelmente, a uma estação seca mais longa. • Hipótese: limite potencial na sobrevivência da floresta - uma vez que a extensão do desflorestamento pode trazer conseqüências irreversíveis. • As mudanças no ciclo hidrológico, aumento na temperatura, e estação seca mais longa podem conduzir a um novo estado de equilíbrio bioma-clima, no qual um tipo diferente de vegetação (cerrado) se adaptaria às novas condições climáticas. Futuro: CO2 - ??? • BRAMS – SIB2 (CO2) • Núcleo de Pesquisas Climáticas e Ambientais (NPCA/INPA) • Alta resolução (2km) • Rodovias: BR-163; BR-010; BR-319 • Cenários futuros de desflorestamento • CNPq (CT - Amazônia) – SIB2 (CO2)