P5_marcoscosta_iieamc2009
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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
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
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