P5_marcoscosta_iieamc2009

Modelagem integrada da atmosfera-biosfera-hidrosfera Marcos Heil Costa – UFV

LNCC, 13 de janeiro de 2009

• 1a parte: Modelagem integrada na UFV • 2a parte: Alguns resultados • 3a parte: Desenvolvimentos futuros

1a parte: Modelagem integrada na UFV

Atividades de integração • Iniciadas em 1994 • Equipe distribuída por UW, WHRC e UFV, com colaboração de NCAR e LLNL. • Filosofia: Desenvolvimento, calibração, testes e aplicações de modelos de processos superficiais, ecossistemas terrestres, hidrologia de superfície e biogeoquímica terrestre e aquática, e acoplamento a modelos de circulação geral da atmosfera.

Estrutura dos modelos integrados

Modelos de ecossistemas terrestres • Modelo principal: IBIS • Incorpora: – Fluxos de massa, energia e momentum – Fenologia – Dinâmica de ecossistemas – Ciclo do carbono terrestre (completo) – Ciclo do nitrogênio terrestre (limitado) • 28.000 linhas de código

Modelos de ecossistemas terrestres Estrutura do IBIS

IBIS: Projetos em andamento • Projetos de intercomparação de dados e modelos do LBA (LBA-DMIP) – Fase 1: comparação contra fluxos medidos em torres (Tese DS Hewlley Acioli) – Fase 2: comparação contra medições regionais dos componentes do balanço de carbono e água (Tese DS Graciela Fischer) – Fase 3: comparação contra medições ecológicas nos experimentos Seca-Floresta Santarém e Caxiuanã (Pos-dr. Hewlley Acioli)

IBIS: Projetos em andamento • Desenvolvimento de um novo calibrador para o IBIS, baseado em múltiplos sítios e considerando a hierarquia de funcionamento dos ecossistemas – Tese MS Claudeci Varejão Jr. – Algoritmo genético de calibração hierárquica – Calibra em primeiro lugar os processos rápidos, passando para os processos mais lentos em seguida: • Fluxo de radiação  fluxo de massa  fenologia  alocação de carbono  biomassa final e carbono no solo – Repete iterativamente se necessário

IBIS: Projetos em andamento • Modificação do código IBIS para a simulação da refletância nas bandas do vermelho (650 nm), infravermelho próximo (850 nm) e azul (490 nm), comparáveis às bandas 1, 2 e 3 do MODIS, e cálculo de índices de vegetação NDVI e EVI pelo próprio modelo – Tese MS Thomé S. Almeida – Visa permitir a comparação dos resultados do modelo com propriedades espectrais mais básicas, como refletância e índices de vegetação, ao invés de outros produtos derivados, como LAI e FAPAR – Esta técnica permitirá a integração total entre modelos, observações de campo e sensoriamento remoto

IBIS: Projetos em andamento • Incorporação do AGRO-IBIS – Responsável: Santiago Viana Cuadra – AGRO-IBIS é um supercódigo do IBIS para simular o crescimento e produtividade de culturas agrícolas – Calibração inicial para soja, milho e cana-de-açúcar – Requer bancos de dados espaciais de uso do solo por cultura agrícola, o que também estamos desenvolvendo (responsável: Christiane C. Leite)

Modelos de hidrologia superficial • Inicialmente modelo de transporte de água por uma bacia hidrográfica – vazão apenas (Costa e Foley, 1997) • Incorporação de lagos interiores e inundação – HYDRA (Coe et al. 2002) • Melhoria no algoritmo de inundação e incorporação de processos biogeoquímicos aquáticos (ciclo do carbono e nitrogênio) – THMB

Modelos de hidrologia superficial • THMB: Terrestrial Hydrological Model with Biogeochemistry • Apenas 3.000 linhas código • Melhorias em relação ao HYDRA 2.0 incluem: – – – – – –

Sinuosidade dos rios I/O exclusivamente em netcdf Calcula P-E em áreas alagadas Inclui determinação da cota de transbordamento do rio Inicializa a área inundada de acordo com funções empíricas Cálculo da velocidade do fluxo depende do gradiente do rio e raio hidráulico (Eq. Manning) – Cálculo da velocidade do fluxo da várzea independente da velocidade de fluxo do rio – SRTM substitui ETOPO5 como DEM para calcular área inundada

Modelos de hidrologia superficial • Biogeoquímica do nitrogênio: – Inicialmente testada por Donner et al. para o Mississippi – Testes no Brasil dificultados pela ausência de dados de validação – Alguns dados disponíveis para Ji-Paraná e Tanguro • Biogeoquímica do carbono: – Tese Ph.D. Erica Howard (UW) – Roteamento e transformações químicas do carbono – 3 reservatórios: rio aberto, marginal, planície inundada – 7 classes em cada reservatório: autotrofos, carbono orgânico particulado fino e grosso, carbono orgânico e inorgânico dissolvido, sedimentos e liteira • Ainda não inclui emissão de CO2, CH4 e outros gases-traço

Modelos de circulação geral da atmosfera • NCAR GENESIS v. 2.0 – 1998-2000 – Descontinuado em 2000

• NCAR CCM 3.6 – 2000 …… 2009 – Versão paralelizada do NCAR CCM3 + IBIS 2.1 + modelo de circulação e carbono oceânico constitui o LLNL PCM (Parallel Climate Model), usado nas integrações do IPCC 2001 e 2007.

• Acoplado ao NCAR CCSM 3.0 – 2009 ……

• Discussões para acoplamento ao BRAMS e CPTEC global – 2009 ……

Desempenho do CCM3/IBIS • Configuração T42 L18, dt = 15 min. • CCM 3.6 + IBIS 2.6 no Sun Opteron CPTEC (compilador pgf90, MPI) – 95 min . ano-1 com 8 CPUs – 44 min . ano-1 com 32 CPUs – 41 min . ano-1 com 64 CPUs

• CCM 3.6 + IBIS 2.6 em SGI Core2Quad 2.8 GHz (compilador ifort, Open/MP) – 48 min . ano-1 com 8 CPUs

2a parte: Alguns resultados (a) Modelo de hidrologia superficial

THMB – O que há para melhorar?

Coe et al. JGR 2002

THMB – O que há para melhorar?

ETOPO5

SRTM

THMB – Novos Resultados Vazão THMB v2: r2 = 0,987

Vazão THMB v1: r2 = 0,979

Coe, Costa, Howard, Hydr. Proc., 2008

THMB – Novos Resultados

Coe, Costa, Howard, Hydr. Proc., 2008

THMB – Novos Resultados Fração da área inundada em Maio 1996, obtida do JERS (Hess et al. 2003)

Simulado, THMB v2

Simulado, THMB v1

Coe, Costa, Howard, Hydr. Proc., 2008

2a parte: Alguns resultados (b) Modelo de dinâmica de vegetação

Calibração do IBIS contra dados do LBA (a)

Tapajós km83 Rn (W m-2) - AGO

Rn sim

(b)

900

700

500

500

300

300

100

100

4/8/2000

(c)

6/8/2000

8/8/2000

10/8/2000

12/8/2000

Rn sim

Tapajós km83 Rn (W m-2) - MAR

Rn obs

900

-100 22/11/2000

500

500

300

300

100

100

18/3/2001

20/3/2001

22/3/2001

24/3/2001

26/11/2000

28/11/2000

30/11/2000

-100 18/5/2001

20/5/2001

22/5/2001

Tese MS Hewlley Imbuzeiro

24/5/2001

2/12/2000

Rn sim

Tapajós km83 Rn (W m-2) - MAI

Rn obs

900 700

16/3/2001

24/11/2000

(d)

700

-100 14/3/2001

Rn sim Rn obs

900

700

-100 2/8/2000

Tapajós km83 Rn (W m-2) - NOV

Rn obs

26/5/2001

28/5/2001

(a)

Tapajós km83 PARin (µ mol m-2 s-1) -AGO

PARin sim PARin obs

2500

(b) 2500

2000

2000

1500

1500

1000

1000

500

500

0 2/8/2000

(c)

4/8/2000

6/8/2000

8/8/2000

-2

10/8/2000

-1

Tapajós km83 PARin (µ mol m s ) - MAR

12/8/2000

PARin sim PARin obs

0 22/11/2000

(d)

2500

2500

2000

2000

1500

1500

1000

1000

500

500

0 14/3/2001

16/3/2001

18/3/2001

20/3/2001

22/3/2001

24/3/2001

Tapajós km83 PARin (µ mol m-2 s-1) - NOV

0 18/5/2001

24/11/2000

26/11/2000

28/11/2000

-2

30/11/2000

-1

Tapajós km83 PARin (µ mol m s ) - MAI

20/5/2001

22/5/2001

Tese MS Hewlley Imbuzeiro

24/5/2001

PARin sim PARin obs

26/5/2001

2/12/2000

PARin sim PARin obs

28/5/2001

(a)

Tapajós km83 G (W m-2) - AGO

G sim G obs

60

(b)

G obs

30

0

0

-30

-30

4/8/2000

(c)

6/8/2000

8/8/2000

10/8/2000

Tapajós km83 G (W m-2) - MAR

12/8/2000

G sim G obs

-60 22/11/2000

60

30

30

0

0

-30

-30

16/3/2001

18/3/2001

20/3/2001

22/3/2001

24/3/2001

24/11/2000

(d)

60

-60 14/3/2001

G sim

60

30

-60 2/8/2000

Tapajós km83 G (W m-2) - NOV

-60 18/5/2001

26/11/2000

28/11/2000

30/11/2000

Tapajós km83 G (W m-2) - MAI

20/5/2001

22/5/2001

Tese MS Hewlley Imbuzeiro

24/5/2001

2/12/2000

G sim G obs

26/5/2001

28/5/2001

(a)

-2

Tapajós km83 LE (W m ) - AGO

LE sim LE obs

(b)

-2

Tapajós km83 LE (W m ) - NOV

800

800

600

600

400

400

200

200

0

0

-200 2/8/2000

4/8/2000

(c)

6/8/2000

8/8/2000

10/8/2000

Tapajós km83 LE (W m-2) - MAR

12/8/2000

LE sim

-200 22/11/2000

(d)

26/11/2000

28/11/2000

30/11/2000

2/12/2000

LE sim

-2

Tapajós km83 LE (W m ) - MAI

LE obs

LE obs

800

800

600

600

400

400

200

200

0

0

-200 14/3/2001

24/11/2000

LE sim LE obs

16/3/2001

18/3/2001

20/3/2001

22/3/2001

24/3/2001

-200 18/5/2001

20/5/2001

22/5/2001

Tese MS Hewlley Imbuzeiro

24/5/2001

26/5/2001

28/5/2001

(a)

Tapajós km83 NEE (kg C ha-1 hr-1) - AGO

NEE sim NEE obs

(b)

Tapajós km83 NEE (kg C ha-1 hr-1) - NOV

20

20

10

10 0

2

0

-10

-10 -20 2/8/2000

(c)

4/8/2000

6/8/2000

8/8/2000

10/8/2000

Tapajós km83 NEE (kg C ha-1 hr-1) - MAR

20

12/8/2000

NEE sim

-20 22/11/2000

(d)

24/11/2000

26/11/2000

28/11/2000

30/11/2000

Tapajós km83 NEE (kg C ha-1 hr-1) - MAI

NEE obs

2/12/2000

NEE sim NEE obs

20

10

10

0

0

-10

-10

-20 14/3/2001

NEE sim NEE obs

16/3/2001

18/3/2001

20/3/2001

22/3/2001

24/3/2001

-20 18/5/2001

20/5/2001

22/5/2001

Tese MS Hewlley Imbuzeiro

24/5/2001

26/5/2001

28/5/2001

(a)

Tapajós km83 NEE (kg C ha-1 hr-1) - AGO

NEE sim NEE obs

(b)

Tapajós km83 NEE (kg C ha-1 hr-1) - NOV

20

20

10

10 0

2

0

-10

-10 -20 2/8/2000

(c)

4/8/2000

6/8/2000

8/8/2000

10/8/2000

Tapajós km83 NEE (kg C ha-1 hr-1) - MAR

20

12/8/2000

NEE sim

-20 22/11/2000

(d)

24/11/2000

26/11/2000

28/11/2000

30/11/2000

Tapajós km83 NEE (kg C ha-1 hr-1) - MAI

NEE obs

2/12/2000

NEE sim NEE obs

20

10

10

0

0

-10

-10

-20 14/3/2001

NEE sim NEE obs

16/3/2001

18/3/2001

20/3/2001

22/3/2001

24/3/2001

-20 18/5/2001

20/5/2001

22/5/2001

Tese MS Hewlley Imbuzeiro

24/5/2001

26/5/2001

28/5/2001

+ 12.12 Tapajós km83 Rn (W m -2) y = 0.88x R2 = 0.79

(a)

(b) 50

900

30 Simulado

Simulado

700 500 300

(c)

100

300 500 Observado

700

10 -10

-50 -50

900

-30

(d)

Tapajós km83 H (W m -2)

400

-10 10 Observado

30

50

600

800

Tapajós km83 LE (W m -2)

800 y = 0.52x + 15.74 R 2 = 0.43

300

600

200

Simulado

Simulado

y = 1.76x - 2.56 R2 = 0.70

-30

100 -100 -100

Tapajós km83 G (W m -2)

100 0

y = 0.73x + 39.51 R 2 = 0.65

400 200 0

-100 -200 -200

(e)

-100

0

100 200 Observado

300

400

-200 -200

0

200 400 Observado

Tapajós km83 NEE (kg C ha -1 hr -1) 20

Simulado

10

y = 0 .62 x - 0 .92 R 2 = 0 .52

Tese MS Hewlley Imbuzeiro

0 -10 -20 -20

-10

0 Observado

10

20

Tapajós km83 Cumulativo Rn (MJ m-2)

(a)

3500

H ac. Obs

Rn ac. sim

2500

(b)

400

Rn ac. Obs

3000

Tapajós km83 Cumulativo H (MJ m-2)

H ac. Sim

300

2000

200

1500 1000

100

500 0 1/7/00

19/9/00

8/12/00

26/2/01

17/5/01

Tapajós km83 Cumulativo LE (MJ m-2 )

5/8/01

(c)

19/9/00

8/12/00

26/2/01

17/5/01

-1

Tapajós km83 Cumulativo NEE (kg C ha )

5/8/01

(d)

0

2000 LE ac. Obs 1600

0 1/7/00

-1000

LE ac. Sim -2000

1200 -3000

800 -4000

400 0 1/7/00

NEE ac. Obs NEE ac. Sim

-5000

19/9/00

8/12/00

26/2/01

17/5/01

5/8/01

-6000 1/7/2000

19/9/2000

8/12/2000

Tese MS Hewlley Imbuzeiro

26/2/2001

17/5/2001

5/8/2001

Alguns resultados do LBA-DMIP fase 1

Slide cedido por Scott Saleska, Univ. of Arizona

2a parte: Alguns resultados (c) Modelo acoplado clima x dinâmica de vegetação

Recrescimento da floresta amazônica sob deficiência nutricional após um desmatamento de grande escala • Região 1 – Colômbia e noroeste do Amazonas • Região 2 – Amazônia central acima de 10º S • Região 3 – Sul da Amazônia abaixo de 10º S

Tese DS Mônica Senna

(a) 10 8 6 4 2 0

Trees Biomass (kg-C m-2)

2.0 NPP (kg-C m-2 y-1)

Precipitation (mm day

12

1

(a)

(a) 1.6 1.2 0.8 0.4 0.0 0

10

20

30

40

50

0

10

20

Years

8 6 4 2 0

1.6 1.2 0.8 0.4

30

40

50

0

10

20

Years

40

20

10

1.6

8 6 4 2 0 30

40

50

1.2 0.8 0.4

0

10

20

Years

PND

50

30

40

50

30

40

50

10 8 6 4 2 0 0

10

20

30

40

50

12 10 8 6 4 2 0 0

10

20

Years

PNF

40

Years

0.0 20

30

12

50

Trees Biomass (kg-C m-2)

2.0

P

10

(c)

12 NPP (kg-C m-2

Precipitation (mm day -1)

30

(c)

F

0

Years

(c)

10

2

(b)

0.0

0

4

Years

Trees Biomass (kg-C m

10

20

6

0

2.0 NPP (kg-C m-2 y-1)

Precipitation (mm day -1)

12

10

8

50

(b)

0

3

40

10

Years

(b)

2

30

12

F

P

PND

Years

PNF

F

P

PND

PNF

3a parte: Desenvolvimentos futuros (Próximos 5 anos)

Desenvolvimentos futuros • Modelo integrado de processos superficiais brasileiro • Desenvolvimento pela comunidade • Financiamento – – – – –

Moore Foundation (2008-2013) CNPq PNPD (2008-2013) CNPq INCT (2008-2011) FAPESP ? Outros ?

Filosofia do modelo integrado •

Adaptar um modelo de biosfera (IBIS) que incorpore os principais processos relevantes para o território nacional, para fins de previsão do tempo, clima e estudos climáticos de longo prazo. i. Representação específica dos ecossistemas nacionais ii. Representação dos ecossistemas agrícolas iii. Representação de áreas inundadas iv. Incêndios e recuperação de áreas abandonadas

Por quê um modelo comunitário? • O objetivo principal é dividir os esforços de: – – – – – – –

desenvolvimento calibração acoplamento treinamento otimização numérica documentação etc.

(i) Representação específica para os diversos ecossistemas brasileiros • Provavelmente todos os modelos de biosfera usam representações globais para os grandes ecossistemas • Apesar disso, ecossistemas semelhantes, como a savana africana e o cerrado brasileiro, são significativamente diferentes entre si • A generalização da representação implica em erros na simulação dos fluxos • Planeja-se regionalizar a representação dos ecossistemas no IBIS, para garantir excelente desempenho sobre a América do Sul, sem perder o bom desempenho global

(ii) Representação de culturas agrícolas Ecossistemas agrícolas não são representados de maneira específica •

Globo: 28 M km2 pastagens (22% área continental) 15 M km2 (12% área continental)

•

Brasil: 2 M km2 pastagens (24% território) 1,2 M km2 culturas agrícolas (14% território)

•

Culturas agrícolas têm especificidades:  Anuais, perenes  Época de plantio  Parâmetros específicos por espécie

(iii) Representação de áreas inundadas • Aplicações em diversas regiões: Amazônia, Pantanal, Araguaia • Implicações na troca de fluxos entre biosfera e atmosfera, na hidrologia, no balanço de carbono • Pelo acoplamento síncrono do THMB ao IBIS • Parametrizações específicas para as diversas bacias brasileiras • Assimilação dos padrões espaciais de inundação a serem gerados pelo SWOT (lançamento previsto 2013-2015)

(iv) Incêndios • Fogo • • • • •

Albedo Biomassa LAI Balanço de carbono Emissões de aerossóis e gases-traço • ....

Incêndios globais, setembro 2006 (MODIS)

(iv) Incêndios • Módulos: – Ignição • Baseado em dados de sensoriamento remoto de média resolução

– Combustão • Calibrado usando experimentos de campo

– Propagação • Baseado em dados de sensoriamento remoto de alta resolução • Processo de sub-grade; incorporação em GCMs improvável

IBIS – Otimização numérica • Versões Open/MP e MPI por Art Mirin (LLNL) – Escalabilidade ~100% – Independência das células com seus vizinhos – Novo código terá dependências

• Planos para otimizar o código para a CPU IBM Cell 8-cores • Sem planos ainda para otimização para GPUs

Conclusões • Com essas modificações, o IBIS passará a incorporar todos os processos relevantes para a dinâmica do ecossistemas da América do Sul, e sua interação com a atmosfera • A partir de 2009, IBIS será acoplado ao modelo global do CPTEC e ao NCAR CCSM3 • Integração com outros grupos brasileiros fundamental