Impactos climáticos regionais da mudança de vegetação no semi-árido do nordeste brasileiro

Impactos climáticos regionais da mudança de vegetação no semi-árido do nordeste...

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Solange Silva de Souza

Tese de Doutorado do Curso de Pós-Graduação em Meteorologia, orientada pela Dra. Regina Célia dos Santos Alvalá, aprovada em 27 de março de 2006.

INPE São José dos Campos

Souza, S. S.
Impactos climáticos regionais da mudança de vegetação no
semi-árido do nordeste brasileiro / Solange Silva de Souza. –
São José de Campos: INPE, 2006.
211p. ; (INPE-14432-TDI/1131).
1.Mudanças climáticas. 2.Modelo atmosférico. 3.Brasil.
4.América do Sul. 5.Região tropical. 6.Terra árida.
7.Vegetação. 8.Uso da Terra. 9. Desertificação.

0551.583 (812/813) 10.Desflorestamento. I.Título.

“Vossa palavra é um facho que ilumina meus passos, uma luz em meu caminho”.

Salmo 118, 105.

A meus pais,

Jarmelino Jorge de Souza e Selma Silva de Souza, avó, tios e sobrinhos.

À Dra. Regina Célia dos Santos Alvalá, pela orientação, disponibilidade e apoio fundamentais à elaboração desta Tese.

Aos membros da banca examinadora, cujas sugestões e críticas foram de extrema relevância: Dr. Carlos Afonso Nobre e Dra. Chou Sin Chan, membros internos; Dr. Ênio Pereira e Dr. Adilson Wagner Gandu, membros externos.

À Fundação de Amparo e Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), pelo auxílio financeiro através da concessão de três anos de bolsa de doutorado e pela aquisição de materiais permanente e de consumo.

À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) do

Ministério da Educação e Cultura (MEC) por auxílios na participação em Workshops e Seminários.

Ao Dr. Marcos Daisuke Oyama, pelo incentivo e discussões ao longo do desenvolvimento da Tese.

Aos pesquisadores do Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (CPTEC/INPE), pelo apoio científico: Drs. Iracema

Cavalcanti, Mary Kayano, Nelson Jesus Ferreira, Prakky Satyamurty, Ralf Gielow, Sílvio Nilo Figueroa.

Ao Sr. Paulo de Oliveira pelo apoio logístico dado num momento tão oportuno.

Às secretárias Lílian Escobar e Patrícia S. Tullio, pela dedicação e eficiência nos serviços burocráticos da Pós-Graduação em Meteorologia desta Instituição.

À equipe do projeto Proveg do INPE, pela disponibilização dos mapas de cobertura vegetal atualizado e corrigido das regiões de interesse.

Aos grupos Suporte e Operação do CPTEC/INPE, em especial aos colegas Paula Vanessa Pereira, Tatiana Bressan e Walter Florentino que forneceram total apoio ao funcionamento e manutenção do PC, equipamento utilizado em grande parte do tempo para os cálculos necessários ao trabalho.

Ao grupo Nippon Electric Company (NEC) do Brasil no CPTEC/INPE, os Srs. Jonas Noboru Tamaoki, Manoel Baptista da Silva Junior e Marcos Alberto de Souza, cujos auxílios e informações a respeito de normas de procedimentos para a utilização do supercomputador SX6 foram primordiais.

Ao grupo Clima do CPTEC/INPE, pela disponibilização de dados meteorológicos e, em especial, a Sra. Ana Paula Malerba, pelo auxílio na execução e compilação do Modelo de Circulação Geral da Atmosfera (MCGA) da Instituição.

Ao grupo da Biblioteca do INPE, pelo auxílio nas buscas de diversos trabalhos bibliográficos.

Ao grupo da Pós-Graduação do INPE, pelos diversos serviços prestados durante o curso nesta Instituição.

Aos colegas Rosângela Saher Corrêa Cintra, Simone Shizue Tomita Lima e Paulo

Kubota, pelas extensas discussões concernentes à programação de códigos fontes paralelizados.

Aos meus amigos Angélica Piccini, Luciana Rossato e Roberto Carlos Gomes Pereira, pelo apoio, incentivo, leitura e correções da versão rascunho da Tese.

A meus pais e irmãos, pela confiança e força ao longo da jornada.

A todos aqueles que direta e indiretamente contribuíram para o sucesso deste trabalho.

A Deus, por me dar força e perseverança as quais foram de extrema valia para o início, elaboração e conclusão deste trabalho.

No presente estudo avaliou-se os impactos climáticos regionais devido a mudanças de vegetação, através de simulações numéricas de longo prazo com o modelo regional Eta/SSiB do CPTEC/INPE, no qual se incluíram modificações para operar em modo climático. O trabalho foi realizado em duas Etapas. Na Etapa I, avaliou-se a mudança climática da região semi-árida do Nordeste do Brasil (NEB) devido a modificações no bioma natural de caatinga para possíveis biomas tropicais. Na simulação controle preservou-se a caatinga do NEB. No experimento de conversão em floresta, a caatinga do NEB foi substituída para floresta tropical; no de savanização, para savana; no de semidesertificação, para arbusto latifoliado com solo exposto; no de desertificação, para solo nu. Cada experimento consistiu de 5 integrações de 2 anos. Em média anual, média em área, a conversão em floresta e a savanização levaram ao aumento da precipitação e da evapotranspiração e à redução da convergência de umidade; a semidesertificação e a desertificação, à redução da precipitação, da evapotranspiração e da convergência de umidade. Na conversão em floresta, o aquecimento diabático aumentou e o adiabático diminuiu. A redução do aquecimento adiabático foi decorrente de anomalias de ascendência acima de 850 mb. Abaixo deste nível, ocorre divergência atmosférica e divergência de umidade; acima, convergência. Na savanização, na semidesertificação e na desertificação, o aquecimento diabático diminuiu e o adiabático aumentou. A redução do aquecimento diabático foi devido a anomalias de subsidência em baixos níveis. Nos níveis abaixo de 700 mb ocorreu divergência atmosférica e de umidade; acima, convergência. A redução da convergência de umidade provém da divergência de umidade nos níveis abaixo de 700 mb. Em todos os cenários, a redução da convergência de umidade foi devido à divergência atmosférica em baixos níveis. Os impactos sobre o clima tendem a se posicionar nas vizinhanças do NEB. Na Etapa I, investigou-se o impacto no clima sazonal quando inserido uma representação mais realista e atualizada da vegetação sobre a região da Amazônia Legal (AMZ) e do NEB. No controle, utilizou-se o mapa de vegetação originalmente usado no CPTEC (controle); na simulação, o mapa de vegetação elaborado pelo Projeto Proveg do CPTEC/INPE

(PROVEG). Cada experimento consistiu de 5 integrações de 8 meses. Verificaram-se impactos significativos nos climas sazonais das estações de verão (DJF) e outono (MAM) austrais, representativos do trimestre mais chuvoso da AMZ e do semi-árido do

NEB, respectivamente. Anomalias de precipitação foram encontradas nas vizinhanças das regiões modificadas. Na região desflorestada observou-se, em ambas estações, anomalias negativas de precipitação ao longo da região costeira e anomalias positivas em direção ao continente, seguindo a região desflorestada. No NEB, verificaram-se anomalias positivas de precipitação sobre as regiões em que a vegetação de caatinga foi substituída por cultivos agrícolas, principalmente durante o trimestre MAM. Adicionalmente, foram detectadas anomalias negativas sobre as regiões litorânea e semi-árida do NEB. As mudanças no padrão do clima sazonal foram decorrentes de efeitos locais sobre as regiões com vegetação modificada. Portanto, a utilização do modelo Eta/SSiB permitiu a identificação de padrões de anomalias próximos das áreas degradadas e de circulações de mesoescalas, as quais só são observadas a partir de simulações com modelo de alta resolução.

In the present study the regional climatic impacts due to the vegetation changes were evaluated, through long term numerical simulations with the regional Eta/SSiB model of the CPTEC/INPE, in which modifications were included to operate in climatic mode.

The work was accomplished in two phases. In Phase I, it was evaluated the climatic change of the Northeast Brazil (NEB) semi-arid region due to modifications in natural vegetation (xeromorphic vegetation known as caatinga) for possible tropical biomes. In the control simulation caatinga of the NEB was preserved. In the afforestation run, the NEB caatinga was replaced by tropical forest; in the savanization run, by savannah; in the semidesertification run, by semi-desert; in the desertification run, by desert. Each experiment consisted of 5 integrations of 2 years. On annual average, the afforestation and the savanization average in area lead to the precipitation and evapotranspiration increase and moisture convergence reductions; the semidesertification and desertification lead to precipitation, evapotranspiration and moisture convergence reductions. In the afforestation, the diabatic heating increased and the adiabatic one diminished. The adiabatic heating reduction was due to anomalous upward motion at 850 mb. Below this level, atmospheric and moisture divergences occurred and above it convergence. In the savanization, semidesertification and desertification, the diabatic heating diminished and the adiabatic one increased. The reduction in the diabatic heating was due to the anomalous downward motion in the lower levels. Below 700 mb, atmospheric and moisture divergence occurred; above 700 mb, convergence. The reduction in the moisture convergence was due to the moisture divergence in the levels below of 700 mb. In all scenes, the reduction in the moisture convergence was due to the atmospheric divergence at the lower levels. The climate impacts are noted in the NEB neighborhoods. Phase I investigated the impact in the seasonal climate when a more realistic and updated representation of the Amazon (AMZ) and NEB vegetation was inserted. In the control run, the map of vegetation originally used in the CPTEC

(control) was utilized; in the simulation run, the map of vegetation elaborated by the Proveg Project of the CPTEC/INPE (PROVEG). Each experiment consisted of 5 integrations of 8-months. Significant impacts were verified during summer (DJF) and autumn (MAM) seasons, representative of the rainiest trimester of the AMZ and the NEB semi-arid, respectively. Precipitation anomalies are found in the neighborhoods of the modified regions. In the deforested region, in both seasons, negative anomalies of precipitation was noted along the coastal region and the positive anomalies in direction to the continent, following the deforested region. In the NEB, positive precipitation anomalies were verified in the regions where the caatinga vegetation type was substituted by extensive cultivated areas, mainly during MAM. Additionally, had been detected negative anomalies on the coastal regions and NEB semi-arid. The changes in the seasonal climate pattern resulted from local effects on the regions with modified vegetation. Therefore, the utilization of the model Eta/SSiB allowed to identify anomaly patterns near to the degraded areas and mesoescales circulations, which are only observed from simulations with high resolution model.

SUMÁRIO Pág.

CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO27
1.1 Caracterização do Problema27
1.2 Objetivos3
CAPÍTULO 2 - ELEMENTOS TEÓRICOS35
2.1 Mecanismos de Retroalimentação36
2.2 Estudos de Sensibilidade Climática41
2.2.1 Sensibilidade do Clima a Mudanças de Biomas em Regiões Semi-Áridas41

2.2.2 Estudos de Sensibilidade de Modelos à Representação da Cobertura Vegetal 47

CAPÍTULO 3 – MATERIAIS E MÉTODOS51
3.1 Materiais51
3.1.1 Dados Meteorológicos51
3.1.2 Mapas de Vegetação52
3.1.2.1 Mapa de Vegetação da Etapa I52
3.1.2.2 Mapas de Vegetação da Etapa I54
3.1.3 Modelo Regional Eta59
3.1.4 Modelo de Superfície SSiB62
3.2 Métodos63
3.2.1 Seleção dos Anos64
3.2.2 Etapa I6
3.2.2.1 Simulação Climática – Controle6
3.2.2.2 Sensibilidade Climática67
3.2.2.3 Cancelamento dos Erros Sistemáticos70
ETA75
4.1 Erros Sistemáticos na Precipitação75
4.2 Padrões de Circulação de Verão e de Inverno80
CAPÍTULO 5 – SENSIBILIDADE CLIMÁTICA87
5.1 Impactos Climáticos87
5.2 Balanço de Água102
5.3 Parâmetros de Superfície1
5.3.1 Pressão à Superfície113
5.4 Balanço de Radiação à Superfície115
5.5 Balanço de Energia à Superfície119
5.6 Razão de Bowen121
5.7 Balanço de Energia Atmosférico123
5.7.1 Aquecimento Diabático125
5.7.2 Aquecimento Adiabático e Movimento Vertical128
5.7.3 Convergência de Umidade135
5.8 Forçante Atmosférica na Simulação do Clima137
5.9 Discussão139

CAPÍTULO 4 – SIMULAÇÃO CLIMÁTICA DO MODELO REGIONAL

REPRESENTAÇÃO REALÍSTICA DA VEGETAÇÃO145
6.1 Impactos Climáticos Sazonais145
6.2 Discussão162
CAPÍTULO 7 – CONCLUSÕES169
7.1 Sugestões para Trabalhos Futuros173
A.1 Simulações Testes188
A.2 Correção de Parâmetros de Superfície189
A.3 Eta/SSiB versus MCGA/SSiB194
APÊNDICE B – SIMULAÇÕES COM O MCGA/SSIB197
B.1 Experimentos Numéricos197
B.2 “Spin-up” da Umidade do Solo199
Ministério do Meio Ambiente. Instituto Desert (2006)29

3.1 - Mapa de vegetação sobre a América do Sul utilizado pelo modelo SSiB/ETA-40 km do CPTEC para o estudo de sensibilidade climática. As

informações estão em coordenadas da grade E de Arakawa54

3.2 - Mapa de vegetação sobre a América do Sul utilizado pelo modelo SSiB quando acoplado ao modelo Eta: (a) Controle (Cândido, 2002) e

Arakawa57

(b) PROVEG. As informações estão em coordenadas da grade E de

3.3 - Domínio do Modelo Eta, centrado em 54,5oW e 19,5oS. As resoluções espaciais de 0,278o e 0,263o implicam num total de 119 e 249 pontos nas

direções x e y, respectivamente60
INMET para o período de 1961-19906

o oceano, com base na série histórica do CPTEC e a climatologia do

4.1 - Precipitação total anual (m): (a) simulada pelo Eta/SSiB; (b) observada com base na série do CRU; (c) observada gerada pelo CPTEC; (d) Normal climatológica 1961-1990 com base no INMET, ANEEL, SUDENE, SIMEPAR e DAEE. (a-c) são referentes ao período de junho/1994 a

maio/199676

4.2 - Precipitação acumulada nos trimestres (m): (a) DJF; (b) MAM; (c) JJA;

NEB (simulado-observado, direita)78

(d) SON. Eta/SSiB (esquerda), observado (CRU, centro) e anomalia sobre o

(esquerda) e JJA (direita). Eta/SSiB (topo). Reanálise do NCEP (base)81

4.3 - Pressão Reduzida ao Nível Médio do Mar - PNMM (hPa) em DJF

(esquerda) e JJA (direita). Eta/SSiB (topo). Reanálise do NCEP (base)84
4.5 - Idem a Fig. 4.4 mas em 200 hPa85

4.4 - Isolinhas e magnitude do escoamento horizontal em 850 hPa (m/s) em DJF

temperatura do ar no dossel em oC (linha tracejada)8

através do modelo Eta/SSiB. Precipitação em m/dia (linha contínua) e

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