Numerical simulation of space-time distribution of gases and particles emitted during 1998 Roraima fires Rodrigo Gevaerd 1 Saulo Freitas 2 – Karla Longo.

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1 Numerical simulation of space-time distribution of gases and particles emitted during 1998 Roraima fires Rodrigo Gevaerd 1 Saulo Freitas 2 – Karla Longo 2 1 Universidade de São Paulo 2 Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos/INPE

2 Vegetation fires in Roraima during 1998 Burned areas by biome (km 2 ) Barbosa e Fearnside (2000) ATSR and TRMM fire counts March -1998 smoke

3 El Niño SST anomaly at Equatorial Pacific: + 3 o C. Weak convective activity on north of Brazil. Positive Anomalies of temperature and negative of relative humidity on Roraima. SST anomaly of 1997/98 years ~ + 4 K

4 Vegetation fires in Roraima during 1998 Meteorological condition - (El Niño) Boa Vista: 30,6 mm set/97-mar/98 8.7% of climatological mean 352mm Relative humidity < 60 % Agricultural burning was the cause of initial ignition Rainfall – March, 1998 (mm) < 50 mm

5 LBA-CLAIRE 1998 Experiment: Flight-8, March, 26 1998 Measurement of CO and CO 2 at high troposphere with biomass burning signature 10 km CO – CO 2 300 ppbv CO Flight-8 Guiana and Suriname Guiana and Suriname

6 Origin of air mass on Suriname on March, 26 1998 Planetary Boundary Layer (1km) East cost of EUA (Krejci et al., 2004) Low troposphere ~ 3 km: Africa (Formenti et al., 2001) High Troposphere ~ 10 - 12 km: Roraima (Freitas et al., 2000)

7 Some sub-grid process involved at gases/aerosols transportation 3D Eulerian model grid box mass inflow mass outflow x ~ 10-100 km x ~ 10-100 km y ~ 10-100 km y ~ 10-100 km z ~ 100 – 1000 m z ~ 100 – 1000 m source diffusion in the PBL convective transport by shallow cumulus convective transport by deep cumulus drydeposition wetdeposition Model top 20-30 km

8 Eulerian Transport Model : CATT-BRAMS Atmospheric Model in-line Eulerian transport model fully coupled to the atmospheric dynamics suitable for feedbacks studies tracer mixing ratio tendency equation where: adv grid-scale advectionadv grid-scale advection PBL turb sub-grid transport in the PBLPBL turb sub-grid transport in the PBL deep conv sub-grid transport associated to the deep convection including downdraft at cloud scaledeep conv sub-grid transport associated to the deep convection including downdraft at cloud scale shallow conv sub-grid transport associated to the shallow convectionshallow conv sub-grid transport associated to the shallow convection W convective wet removalW convective wet removal R sink term associated with dry deposition or chemical transformationR sink term associated with dry deposition or chemical transformation Q source emission.Q source emission.

9 Biomass burning emissions estimate carbon density data land use data fire product emission & combustion factors mass estimation CO source emission (kg m -2 day -1 )

10 Emission parameterization for this case study total burned area given by Barbosa e Fearnside (2000) diurnal variability of burned area given by the same time variation of TOMS Aerosol Index on Roraima. combine fire counts from ATSR and TRMM to provide fire location Mean burned area estimate per fire count

11 Emission parameterization for this case study Model grid-box daily emissions estimate: Total daily emissions of CO and PM2.5 (Tg) 40 CO 4,5 PM2.5 Regional daily emission of CO (Tg) 23-mar-1998

12 Parameterized Deep Convective Transport updraft detrainment downdraft detrainment environmentsubsidence Vertical section at lat 10S vertical vertical level level 11.5 km 11.5 km CO (ppbv) Deep Convective Transport of CO Height (m) 1 km 10 km

13 Model simulation of the main convective systems on 18-march-1998

14 Numerical simulation of transport of CO with CATT-BRAMS during CLAIRE flight 8 height 1km height 11,7 km Fire emissions and trade wind deep convection smoke in PBL anticyclonic flow smoke at high troposphere CLAIRE flight 8 trade wind

15 Numerical simulation of transport of CO with CATT-BRAMS during CLAIRE flight 8

16 Model validation using flight-8 CO profile

17 Model validation using flight-8 CO profile ----- CO observation ----- CO modeled

18 Thanks for your attention

19 Validação do modelo CATT-BRAMS (with Plume Rise)

20 Conclusões Validação do modelo de transporte CATT-BRAMS 3.3 e da parametrização de fontes emissoras. Utilização de avanços em elementos importantes do modelo atmosférico: parametrização de cúmulos (cúmulos rasos e técnica training) e representação de superfície (umidade do solo). Importância da queimada de grandes proporções no dia 17/março (pois não houve necessidade de um ambiente previamente poluído) e o sistema convectivo formado na tarde do dia 18/março. Testes iniciais da técnica plume rise.

21 Transporte de emissões de queimadas advecção em níveis baixos, cúmulos rasos, cúmulos profundos, advecção em níveis altos (jatos), formação de novas partículas, processos químicos, deposição seca, remoção úmida, etc. Transporte em escala continental Fonte: Krejci et al. (2003)

22 Plume caracteristics Características da pluma de fumaça em altitude (assinatura) Fonte: Andreae et al. (2001) elevados valores de ΔCO/ΔCO 2 acima de 9 km, típicos de eventos extremos de queimadas em savanas, ausência de halocarbonetos de origem antropogênica, elevada concentração de metilcloratos.

23 CATT-BRAMS model simulation setup instante inicial: 12UTC 17 março 1998 instante final: 12UTC 28 março de 1998 número de pontos: (290,242,43) níveis de solo: 7 resolução horizontal: 30 km resolução vertical no primeiro nível: 120 m razão de incremento: 1.1 valor máximo de Δz: 750 m passo de tempo: 30 s campos atmosféricos: ECMWF umidade do solo: Gevaerd e Freitas (2005) radiação de onda curta: Harrington (1997) radiação de onda longa: Chen e Cotton (1983) parametrização de cúmulos: Grell (1993) – técnica training

24 Emissão de poluentes Destino do carbono queimado em Roraima entre dez/97 e mar/98 (10 6 Ton): Emissão bruta de gases do efeito estufa em Roraima entre dez/97 e mar/98 (10 6 Ton):

25 Modelo de transporte CATT-BRAMS 3.3 Advecção na escala da grade Convecção rasa Turbulência na escala sub-grade Convecção profunda Remoção úmida do PM25 Deposição seca e processos químicos Emissão associada com a queima de biomassa

26 Validação do modelo CATT-BRAMS

27 Fatores envolvidos no transporte (STILT) (a)Transporte advectivo pelos alísios (baixos níveis), (b)Transporte vertical promovido por sistemas convectivos, (c)Transporte advectivo seguindo um anticiclone em altos níveis. COM CONVECÇÃOSEM CONVECÇÃO

28 Fatores envolvidos no transporte