A Experiência do MIT em Modelagem Aplicada a Mudanças Climáticas, Biocombustíveis e Uso da Terra

1. A Experiência do MIT em Modelagem Aplicada a Mudanças Climáticas, Biocombustíveis e Uso da Terra Angelo Gurgel FEA-RP – Universidade de São Pauloe MIT Joint Program on the Science and Policy of Global Change

2. 1. Mudanças Climáticas 2. Sistemas Integrados de Modelagem Climática 3. O Sistema do MIT Joint Program 4. Alguns resultados 5. O modelo econômico 6. Exemplo de desenvolvimento da modelagem: biocombustíveis e mudanças no uso da terra 7. Considerações finais Sumário

3. 1. Mudanças Climáticas

4. O aquecimento global é um fenômeno climático de aumento da temperatura média global nos últimos 150 anos; Evidências deste fenômeno: Medições de temperatura: aumento de cerca de 0,6o C (+-0,2o C) durante o século XX; Redução da cobertura de neve em montanhas e regiões polares (perda de 10% a 15% desde 1950); Aumento na frequência e intensidade de eventos extremos (furacões, enchentes, secas). Mudanças Climáticas

9. ENERGY BALANCE IN THE CLIMATE SYSTEM ESSENCE OF THE GREEN- HOUSE EFFECT

10. 2. Sistemas Integrados de Modelagem Climática

11. Govenos buscam previsões de tendências futuras das mudanças globais: evitar ou diminuir impactos indesejáveis. IPCC: relatórios com os resultados de estudos da comunidade científica mundial, base para debates políticos e científicos. O estudo de mudanças climáticas: sistemas integrados de modelagem

12. Modelos climáticos e potenciais para o uso e desenvolvimento da agroinformática: O estudo de mudanças climáticas: sistemas integrados de modelagem Modelos Climáticos Globais Cenários de mudaças Climáticas Modelos de crescimento de culturas/experimentos Modelos Climáticos Regionais

13. O estudo de mudanças climáticas: sistemas integrados de modelagem • Mudanças climáticas: fenômeno complexo – exige a interação entre cientistas e modelos de diferentes áreas: • Ciências sociais • Física • Química • Oceanografia • Hidrologia • Ecossistemas

14. Estudar mudanças climáticas: quão difícil é isso? Incertezas nas propriedades do sistema climático: Absorção de carbono pelos oceanos; Efeitos indiretos dos aerosois; Limitações nos dados coletados dos oceanos, terra e atmosfera; Representação do processo de formação de nuvens; Incertezas nas emissões de gases de efeito estufa: Projeções populacionais e de crescimento econômico; Evolução da tecnologia; Mudanças no uso da terra; Incertezas e desconhecimento dos feedbacks entre os sistemas climático e humano O estudo de mudanças climáticas: sistemas integrados de modelagem

15. 3. O Sistema do MIT Joint Program

16. MIT Integrated Global System Model: Construído para analisar as mudanças ambientais em escala global resultantes das ações antropogênicas, quantificando as incertezas associadas com as mudanças previstas e mensurando os custos e efetividade ambiental de políticas propostas para mitigar os riscos das mudanças climáticas O Sistema Integrado do MIT Joint Program

17. O Sistema Integrado do MIT Joint Program

18. O Sistema Integrado do MIT Joint Program Modelo dinâmico-estatístico de média zonal Resolve explicitamente as equações primitivas para o estado médio zonal da atmosfera Inclui parameterização de calor, humidade, e transporte de momentum por remoinhos de larga escala, baseados em teoria baroclínica de ondas; A parameterização numérica de processos físicos inclui nuvens, convecção precipitação, radiação, fluxos de superfície, entre outros.

19. O Sistema Integrado do MIT Joint Program Interações e processos entre os componentes atmosférico-terrestre e oceânico

20. O Sistema Integrado do MIT Joint Program Interações e processos entre os componentes atmosférico-oceânico e terrestre

21. 4. Alguns resultados ilustrativos

22. Concentrações de CO2, CH4 e N2O

23. Mudança na temperatura média do ar e no nível médio dos oceanos

24. Mudança na cobertura de gelo

25. Mudanças por latitude

26. Sequestro de carbono pelos oceanos

27. Chance de exceder a temperatura média global em diferentes níveis de estabilização: ppm ppm ppm ppm

28. Valor presente líquido (VPL) dos custos de mitigação como % do VPL do bem-estar mundial até 2100 Stern Review estimou menos de 1% para estabilizar a 450 ppm, mas considrou apenas 2050 (antes do trabalho mais árduo).

29. O Desafio Tecnológico 450ppm CO2: quase livre de CO2, pouco crescimento no uso de energia, uso de biocombustíveis, energia fóssil com captura e sequestro de carbono Sem controle: crescimento do uso do carvão e petróleo

30. A “Loteria” das Mudanças Climáticas Prever as mudanças em temperatura e suas probabilidades em escala global, bem como as possíveis consequências e custos econômicos de tais mudanças e e do controle, mitigação e adaptação

31. 5. O modelo econômico

32. Modelo de equilíbrio geral Base de dados: Global Trade Analysis Project (GTAP) Dados de energia: International Energy Agency (IEA) Dados de emissões: U.S Environmental Protection Agency (EPA) Representação detalhada de oferta e consumo de energia 16 regiões e 21 setores, dinâmico recursivo Cenários de longo prazo e curto prazo Impactos de mudanças e políticas climáticas nos sistemas econômico e energético (agricultura, saúde humana, aumento dos oceanos, demanda de energia, impacto geral em bem-estar) Emissions Prediction and Policy Analysis (EPPA) Model

33. Modelo EPPA Países e regiões representadas

34. Sectors Non-Energy Agriculture Energy Intensive Other Industry Services Industrial Transport Household Transport Energy Crude oil Refined oil Liquid fuel from biomass Shale oil Coal Natural gas Electricity Synthetic gas (from coal) For special studies Crops, Livestock, Forestry, Food For special studies Hydrogen Cars, Plug-in Electric Cars For special studies Gasoline, Diesel, Refinery Gases, Heavy Fuel Oil, Petroleum Coke, Bitumen Upgrading Technologies Included Fossil (oil, gas, coal) IGCC with carbon capture NGCC with carbon capture NGCC without capture Nuclear Hydro Wind and solar Biomass (Baseload, Shoulder, Peaking) Modelo EPPA Setores Representados “New” Technologies

35. EPPA é um Modelo Computável de Equilíbrio Geral da Economia Global Ligação explícita entre variáveis econômicas e valores físicos de energia Region “A” Primary Factors Emissions: CO2 CH4 N2O SF6 HFCs PFCs Urban gases Income Consumer Sectors Production Sectors Expenditure Goods and Services Intermediate demand Public GoodsTaxes International Trade Government

36. Função de produção Crescimento do trabalho Mudança em produtividade Acumulação de capital Identidade contábil Equil. poupança-investim. Propenção a poupar Emissões de carbono Lógica do Modelo EPPA

37. Modelo escrito em GAMS (General Algebraic Modeling System - http://www.gams.com/) GAMS é uma linguagem de programação matemática para resolver problemas de otimização; O Modelo EPPA utiliza o subsistema MPSGE (http://www.mpsge.org/), que resolve o problema de equilíbrio geral como um problema de complementariedade mista (MCP) Lógica do Modelo EPPA

38. Exemplo: x·f(x) = 0, x(5 – x) = 0 Solução: x = 0 (f(x) ≠ 0) ou x = 5 (f(x) = 0) Lógica do Modelo EPPA

39. Três condições definem a solução de equilíbrio no MPSGE: Lógica do Modelo EPPA

40. 6. Exemplo de desenvolvimento da modelagem: biocombustíveis e mudanças no uso da terra

41. Biocombustíveis, mudanças no uso da terra e mudança climática CO2 Fonte: Mann (1997) FLORESTA Mudanças no uso da terra:

42. GHG and Other Pollutants from energy and agriculture/land use Land use shares for crops, livestock, bioenergy, forestry Coupled Ocean, Atmosphere Crop, pasture, bioenergy, forest productivity CH4, N2O, Net CO2 from land use Biogeophysical Land Processes Spatial data (0.5º x 0.5º) for land use Temperature, Precipitation, Solar Radiation CO2, Tropospheric Ozone, Nitrogen deposition EPPA-Global Land System Interactions MIT EPPA, 16 Region, multi-sector CGE model Downscaling Technique/ Spatial disaggregation algorithm DYNAMIC TERRESTRIAL ECOSYSTEMS MODEL (TEM)

43. TEM Downscaling Technique S: land use share of some category EPPA At Regional Level: Scrop Spasture Sforestry Distribute S in the g grids cells Scrop Spasture Sforestry Statistical Work (TEM) (IGSM) Sg driven by: vegetation productivity, temperature, precipitation, distance to urban areas (IGSM)

44. Resultados Cenário Desmatamento Areas of Different Land Uses Net GHG Balance Net Land Carbon Flux 44

45. Resultados Cenário Intensificação Areas of Different Land Uses Net GHG Balance Net Land Carbon Flux 45

46. Net Land Carbon Flux Net GHG Balance Net Land Carbon Flux Net GHG Balance PCCR Net Land Carbon Flux Net GHG Balance Net Land Carbon Flux Net GHG Balance 46

47. Net Land Carbon Flux Net GHG Balance Net Land Carbon Flux Net GHG Balance OLSR Net Land Carbon Flux Net GHG Balance Net Land Carbon Flux Net GHG Balance 47

48. Distribuição das mudanças no uso da terra Intensificacao Desmatamento Biomass Crops Natural Forest Biomass Crops Natural Forest Crops Natural Grass Crops Natural Grass Pasture Crops + Biomass Pasture Crops + Biomass Managed Forest Agriculture Managed Forest Agriculture

49. 7. Considerações finais

50. Estudo de Mudanças Climáticas requer o uso e avanço contínuo das tecnologias computacionais; Experiência do MIT Joint Program on the Science and Policy of Global Change: Uso de linguagens e técnicas de programação avançadas e das mais diversas; Necessidade de interação entre os diferentes campos das ciências e técnicas de modelagem; Grande demanda por profissionais capazes de entender e construir esses canais de interação; Grande oportunidade de aplicação desses conhecimentos em outras questões multidisciplinares. Considerações Finais