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Aluna : Elisa Thomé Sena Orientador : Prof. Dr. Paulo Eduardo Artaxo Netto Agosto /2013

IFUSP. Variabilidade espacial e temporal da forçante radiativa direta de aerossóis de queimadas e os efeitos da mudança de uso do solo na Amazônia. Aluna : Elisa Thomé Sena Orientador : Prof. Dr. Paulo Eduardo Artaxo Netto Agosto /2013. Objetivo geral.

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Aluna : Elisa Thomé Sena Orientador : Prof. Dr. Paulo Eduardo Artaxo Netto Agosto /2013

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Presentation Transcript

  1. IFUSP Variabilidade espacial e temporal da forçante radiativa direta de aerossóis de queimadas e os efeitos da mudança de uso do solo na Amazônia Aluna: Elisa ThoméSena Orientador: Prof. Dr. Paulo Eduardo ArtaxoNetto Agosto/2013

  2. Objetivogeral Investigarosimpactos do desflorestamento e emissões de partículas de queimadasnaAmazôniasobre o balançoradiativo de ondascurtasdaregião, emcondiçõeslivres de nuvens. 2 / 42

  3. Objetivosespecíficos • - Calcular a forçante radiativa direta de aerossóis em larga escala na região amazônica e sua distribuição espacial e temporal durante a estação de queimadas. • Avaliar o impacto dos aerossóis de queimadas sobre diferentes tipos de superfície (floresta e cerrado). • Calcular a forçante radiativa devida a mudanças de albedo de superfície, causadas pelo desflorestamento em Rondônia. • Quantificar a alteração da quantidade de vapor d'água atmosférico após o desflorestamento e seu impacto no balanço radiativo de ondas curtas da região. 3 / 42

  4. Aerossolatmosférico Aerossol: conjunto de partículas sólidas ou líquidas em suspensão na atmosfera. Tamanho: nm - mm. Naturais: aerossóismarinhos, biogênicos, fungos, ressuspensão de poeira do solo, etc. Antrópicas: queimadas, emissõesveiculares e industriais, etc. Tempo de vida curto: segundos a semanas. Seinfeld, 2006 4 / 42

  5. Efeitosclimáticos dos aerossóis Forster et al., 2007 Efeito direto: Espalhamento e absorção de radiação • Concentração de aerossóis; • Distribuições horizontal e vertical; • Propriedades ópticas dos aerossóis; • Interação dessas partículas com o vapor d’água (higroscopicidade); • Propriedades da superfície. 5 / 42

  6. Efeitos climáticos dos aerossóis Efeitos indiretos: • Aerossóis atuam como CCN, podendo alterar a distribuição de tamanhos e quantidade de gotas da nuvem. Modificando: • a fração de radiação refletida para o espaço (albedo da nuvem); • padrão de precipitação; • desenvolvimento vertical; • tempo de vida das nuvens. 6 / 42

  7. Efeitos climáticos dos aerossóis Efeito semi-direto: A absorção da radiação por aerossóis gera aquecimento da atmosfera e das gotas de nuvens, intensificando a evaporação da nuvem. PS: Esta nomenclatura é do IPCC AR4 que será alterada no AR5 com a inclusão dos chamados “adjustments”, incorporando alguns feedbacks na forçante indireta. 7 / 42

  8. Forçantesradiativasclimáticas Equilíbrioradiativo: • F↓ TOA = F↑ TOA Forçanteradiativa: perturbaçãoimpostaaobalançoradiativoterrestrecausadapor um agenteclimáticoexterno. Trenberth et al., 2009 Naturais: erupçõesvulcânicas, variaçõessolares, tempestades de poeira do deserto, etc. Antrópicas: emissõesveiculares e industriais, usinastermoelétricas, queimadas, mudançasnacobertura vegetal, etc. Forçantepositiva : balançoenergético no TOA + (aquecimento) • Forçante negativa : balançoenergético no TOA - (resfriamento) 8 / 42

  9. Forçantesradiativasclimáticas Médias globais das componentes da forçante radiativa (IPCC – AR4) Não perturbado: 1750 Forster et al., 2007 9 / 42

  10. DesflorestamentonaAmazônia Maiorfloresta tropical do mundo: 6,3 milhões de km2 - Biodiversidade; - Ciclo hidrológico; - Reservatório global de carbono. INPE, 2012 Em 2012: 4600 km² Áreadesmatadaaté 2012: 746 mil km² 10 / 42

  11. Queimadas na Amazônia Estaçãoúmida: Aerossóisbiogênicos Estaçãoseca: Aerossóis de queima de biomassa Transporte de aerossóis em larga escala. 11 / 42

  12. Interação entre aerossóis e nuvens na Amazônia Interação entre aerossóis e nuvens é muitoimportante e poucocompreendidaatualmente. Koren et al .(2008) Medidasde propriedadesfísicasemnuvenssãoescassas e osprocessosfísicosenvolvidosnaformação de nuvensaindanãosãobemcompreendidos, principalmenteparanuvensprofundas. Impactos: Desmatamento + Queimadas • - Desenvolvimento de nuvens • - Circulaçãoatmosférica • - Balanço radiativo • - Taxa de absorção de CO2 (fotossíntese) ASTER 29/08/2006 12 / 42

  13. Fundamentaçãoteórica: Transferênciaradiativa • Interação da radiaçãoeletromagnética com moléculase partículasnaatmosfera. Coeficiente linear de extinção: bext(l, s) = besp(l, s)+babs(l, s) Lei de Beer-Lambert-Bouguer : q0 TOA Espessuraóptica: dext Profundidadeóptica: Profundidadeóptica de aerossóis (AOD) Sup.

  14. Equação de transferênciaradiativa (ETR) ETR: Emissão térmica: Espalhamento de outras direções para a direção de interesse Função de fase de espalhamento Albedo de espalhamento simples: Códigos de transferência radiativa: resolução numérica da ETR. 14 / 42

  15. Propriedadesópticas de um meio material Parâmetro de assimetria: Simétrico: g = 0 Totalmente frontal: g = 1 Totalmente retroespalhada: g = -1 McCartney, 1976 Expoente de Ångström: Fator de eficiência de extinção: 15 / 42

  16. Sensores a bordo de satélites Cruzam o Equador Terra: 10:30/22:30 h Aqua: 13:30/1:30 h Órbita polar Altitude: 705 km MODIS (MODerate resolution Imaging Spectrometer) AOD em 550 nm: 10 km Máscara de nuvens: 1 km Albedo e BRDF: 1 km 36 bandas espectrais entre 0,4 e 14,4 mm Swath: 2330 km CERES (Clouds and Earth’s Radiant Energy System) SW Irradiância no topo da atmosfera CERES-SSF: produtos do MODIS reprojetados para a resolução do CERES: 20 km ADM Irradiância Radiância SW (0,3 a 5,0 mm) LW (8 a 12 mm) Total (0,3 a 200 mm) 16 / 42

  17. Metodologia • Pico daestação de queimadas (ago/set) 2000 – 2009 • Condiçõeslivres de nuvens: MODIS • Pixels localizadossobrerios, lagos, etc. foramremovidos • Grade: 0,5º x 0,5º • Cadacélulafoiclassificada de acordo com o tipo de superfície: < 0,140 > 0,155 Caso contrário Floresta Cerrado Transição • Albedo de superfície 17 / 42

  18. Forçanteradiativadireta de aerossóis SWARF: Forçanteradiativadireta de aerossóis Fcl: Irradiânciaascendente no TOA paracondiçõeslimpas Faer: Irradiânciaascendente no TOA paracondiçõespoluídas CERES: Irradiância no TOA Como obterFcl? SWARF < 0 18 / 42

  19. Metodologia 1 – SWARF sazonal Cálculo da forçante radiativa direta de aerossóis média durante a estação de queimadas. Patadia, F., et al (2008) Lat x Lon: 0,5o x 0,5o Fcl • N emcadacélula > 10 • R emcadacélula > 0,2 • Regressão linear: AOD < 2 2 meses de medidas Alta dispersão q0 e FTOA variam 19 / 42

  20. Metodologia 2 – SWARF diária Desenvolvimento de uma metodologia para calcular a forçante radiativa direta de aerossóis para cada dia do ano. CERES: julho a outubro – AOD < 0,1 background Fcl(q0) para cada célula de 0,5º x 0,5º y = ax + b q0 está no eixo x Dispersão é menor q0, Faer 20 / 42

  21. SWARF média de 24h - Normalização: comparação com medidas em diferentes horários - Utilizaçãoemmodelosclimáticos Código de transferência radiativa: SBDART Ciclo de 24h da forçante radiativa direta de aerossóis Modelo para representar os aerossóis de queimada Modelos de superfície: Floresta e cerrado 21 / 42

  22. Modelo de aerossóis AERONET – sítios localizados na região estudada entre 2000 e 2009 (agosto e setembro). Algoritmos de inversão Propriedades ópticas de aerossóis a440-870nm= 1,647 22 / 42

  23. Modelos de superfície MODIS BRDF: fornece parâmetros anisotrópicos que permitem calcular o Albedo(q0, t, l) em 7 l : 0,47; 0,555; 0,648; 0,858; 1,24; 1,64 e 2,13 mm Interpolação linear do albedo de superfície em l. Floresta Cerrado Curvas espectrais de albedo de superfície em função da AOD e q0. 23 / 42

  24. Resultados de SWARF obtidospelo SBDART SWARF Instantânea em função de q0, AOD, Tipo de superfície. Verde: Floresta Laranja: Cerrado O conteúdo de vapor d’água médio de cada região foi utilizado no SBDART. SWARF instantânea SWARF média em 24h q0, Latitude, Dia do ano: 243 Horário 24 / 42

  25. SWARF média de 24h SWARF média de 24h obtida pelo SBDART Tipo sup., Lat., q0, t SWARF Instantânea obtida pelo SBDART 25 / 42

  26. Validação dos modelosutilizados no SBDART F↓BOA: Piranômetros x SBDART - Áreas 50 x 50 km centradas nas estações da AERONET (BRDF MODIS para cada sítio) - AOD, vapor d’água: AERONET (½ hora da passagem do Terra) - w0, g, Qext, a440-870nm: AERONET inversões do dia • l: 0,3 a 2,8 mm F↑TOA: CERES x SBDART • l: 0,3 a 5,0 mm 26 / 42

  27. Correçãopara a SWARF – ADMs Empíricos Modelos de distribuição angular do CERES não consideram a anisotropia das partículas de aerossol (Patadia et al., 2011). Patadia, F., et al (2013) Floresta: Cerrado: Estas correções foram aplicadas às forçantes radiativas diretas obtidas a partir de medidas do CERES e do MODIS. 27 / 42

  28. Comparação entre SWARFs SWARF Instantânea: CERES (M2) x SBDART Grande influência dos modelos de aerossóis e superfície na SWARF calculada por códigos de transferência radiativa. SWARF 24h: CERES (M2) x AERONET Medidas espacialmente coincidentes de SWARF AERONET e CERES (M2). Horários diferentes SWARF 24h 28 / 42

  29. Resultados: Variações temporais da SWARF Médias durante as estações de queimadas (Ago/Set). O ano 2004 foi excluído da análise devido a problemas no produto CERES-SSF naquele ano. Média SWARF24h M1: -8,2 + 2,1 W/m2 Média SWARF24h M2: -5,2 + 2,6 W/m2 Média AOD: 0,25 + 0,04 Parte da diferença entre as SWARFs (cerca de 2 W/m2) pode ser explicada pelas diferentes referências utilizadas para Fcl (AOD=0 x background). 29 / 42

  30. O impacto da coleção do MODIS na SWARF As diferenças apresentadas para as SWARFs entre 2000 e 2003, também ocorre devido ao fato de a coleção 4 do MODIS ter sido utilizada para estes anos. - Coleção 4 não permite AOD < 0. Método 1 - Coleção 5 permite AOD < 0. Reprojeção MODIS no CERES (0;F) Coleção 4 Coleção 5 NA 0,05 -0,05 0,05 (0,05;F) 0,05 NA 0,05 -0,05 AOD Média: 0,05 AOD Média: 0 Quando a FR Sazonal (Método 1) é obtida a partir da AOD da coleção 4, o valor absoluto da SWARF é superestimado. 30 / 42

  31. Distribuiçãoespacialda SWARF 24 h Média durante a estação de queimadas. Correlações Médias (2000 a 2009): RM1: -0,75 + 0,05 RM2: -0,86 + 0,03 31 / 42

  32. Influência do tipo de superfíciena SWARF SWARF 24h Média (2000 a 2009): Floresta: -6,5 + 2,8 W/m² Cerrado: -3,3 + 2,2 W/m² SWARF 24 h é sistematicamente maior sobre regiões de floresta. 1) Transporte de aerossóis para regiões cobertas por floresta. 2) O albedo de superfície de floresta é menor. Koren et al .(2004) 32 / 42

  33. Eficiênciadaforçanteradiativa Taxa de variação da SWARFcom a AOD: Etfoicalculadaparafloresta e para cerrado. Nãolinearidade de SWARF (ou FTOA) com AOD AOD < 2 33 / 42

  34. Eficiênciadaforçanteradiativa AOD < 1 2009: AOD baixa, Et alta AOD < 2 Não linearidade: Não utilizar Et para regiões de queimadas. AOD < 3 Et 24h Média (2000 a 2008): Floresta: -19 + 1 W/m²/t550nm Cerrado: -16 + 3 W/m²/t550nm AOD < 4 AOD < 5 34 / 42

  35. Distribuiçãoespacialda SWARF 24 h Metodologia 2: SWARF para cada dia do ano 35 / 42

  36. RF de Mudança de albedo de superfície LURF: Forçante radiativa de mudança do uso do solo (alterações no albedo de superfície causadas pelo desflorestamento) Sazonalidade LURF: Primeira aproximação: baixa em áreas tropicais Desmatada LURF BB season LURF anual Preservada Sazonalidade SWARF: estação de queimadas dura aproximadamente 2 meses Média anual: LURF 24h: -8,1 + 1,0 W/m² SWARF 24h: -0,9 +0,4 W/m² LURF = Fclpres - Fcldesm

  37. Impacto do desflorestamento no H2O ReservabiológicaJaru: preservada Abracos Hill (Ji-Paraná): desmatada • Distância: 86 km H2O: AERONET em 2002 Áreasdesmatadassãoaproximadamente 0,35 cm de H2O maissecas doqueáreaspreservadas (10%). 37 / 42

  38. Influência da redução de vapor d’água SBDART: 0,3 a 5,0 mm LURF24h x CWV 0,4 W/m2 1,2 W/m2 • Linhascontínuas: mesmoconteúdo de vapor d’águaintegradonacoluna antes e apósdesflorestamento. • Linhas pontilhadas: conteúdo de vapor d’água precipitável após o desflorestamento é 0,35 cm de H2O menor. 38 / 42

  39. Conclusões • A média da SWARF durante a estação de queimadaspara o período de 10 anosanalisadofoi de -5,2 + 2,6 W/m2; • Valores de até -30 W/m2foramobservadoslocalmentepara a médiadiária da SWARF 24h; • - A SWARF 24 h é sistematicamentemaiorsobreáreascobertasporfloresta do quesobre o cerrado; • A eficiência da forçante de aerossóis 24 h foi cerca de 3 W/m2/AOD maior sobre floresta do que sobre cerrado; • A mudança de albedo de superfície gera uma forçante radiativa média anual cerca de 8 vezes maior do que a de aerossóis considerando condições livres de nuvens; 39 / 42

  40. Conclusões • A quantidade de vapor d’água integrado na coluna atmosférica é 0,35 cm de H2O menor em áreas desmatadas do que sobre floresta; • Este decréscimo contribui para o aumento do impacto do desflorestamento no balanço radiativo de ondas curtas que varia entre 0,4 e 1,2 W/m2; • Os altos valores de forçantes obtidos indicam que o desmatamento e a emissão de partículas podem ter fortes implicações para a taxa fotossintética, convecção e para o ciclo hidrológico na Amazônia. 40 / 42

  41. Sugestõesparatrabalhosfuturos • Melhorar a caracterização das propriedades ópticas de aerossóis; • Melhorar a caracterização do albedo de superfície espectral; • Incluir a sazonalidade do albedo de superfície no cálculo da LURF; • Incluir a contribuição da distribuição vertical dos aerossóis no cálculo da SWARF; • Investigar interações entre aerossóis e nuvens na Amazônia. 41 / 42

  42. Obrigada!

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