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

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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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Presentation Transcript
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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

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Objetivogeral

Investigarosimpactos do desflorestamento e emissões de partículas de queimadasnaAmazôniasobre o balançoradiativo de ondascurtasdaregião, emcondiçõeslivres de nuvens.

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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.

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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

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efeitos clim ticos dos aeross is
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.

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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.

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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.

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for antes radiativas clim ticas
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)

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for antes radiativas clim ticas1
Forçantesradiativasclimáticas

Médias globais das componentes da forçante radiativa (IPCC – AR4)

Não perturbado: 1750

Forster et al., 2007

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desflorestamento na amaz nia
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

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Queimadas na Amazônia

Estaçãoúmida: Aerossóisbiogênicos

Estaçãoseca: Aerossóis de queima de biomassa

Transporte de aerossóis em larga escala.

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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

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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.

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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.

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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:

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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)

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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

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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

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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

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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

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swarf m dia de 24h
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

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modelo de aeross is
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

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modelos de superf cie
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.

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resultados de swarf obtidos pelo sbdart
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

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swarf m dia de 24h1
SWARF média de 24h

SWARF média de 24h

obtida pelo SBDART

Tipo sup., Lat., q0, t

SWARF Instantânea

obtida pelo SBDART

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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

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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.

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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

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resultados varia es temporais da swarf
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).

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o impacto da cole o do modis na swarf
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.

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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

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influ ncia do tipo de superf cie na swarf
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)

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Eficiênciadaforçanteradiativa

Taxa de variação da SWARFcom a AOD:

Etfoicalculadaparafloresta e para cerrado.

Nãolinearidade de SWARF (ou FTOA) com AOD

AOD < 2

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efici ncia da for ante radiativa
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

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Distribuiçãoespacialda SWARF 24 h

Metodologia 2: SWARF para cada dia do ano

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rf de mudan a de albedo de superf cie
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

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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%).

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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.

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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;

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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.

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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.

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