InteraçãoBiosfera– Atmosfera e modelos de superfície Celso von Randow

Atmosphere – Biosphere Exchange Why is it relevant ? From: Sarmiento and Gruber, 2002 (Phys. Today) For Example: CO 2

Sarmiento and Gruber, 2002: Figure 3: Growth rate of carbon reservoirs.Since 1958, the yearly accumulation rate of atmospheric carbon dioxide has grown, on average, from about 1 Pg C/yr to about 3.0 Pg C/yr (light blue area). Over the same period, fossil-fuel emissions (red line) have grown from about 2.5 Pg C/yr to about 6.5 Pg C/yr. Net uptake by the ocean or terrestrial biosphere (green region) must account for the difference. Note the large interannual variation in the annual atmospheric CO 2 growth rate. Higher growth rates generally appear to be associated with El Niño episodes (orange arrows), the exception being the period following the eruption of Mt. Pinatubo in the early 1990s. CO 2,Atm Accumulation= CO 2 Source- Land & Ocean Sinks

Sources: Fossil Carbon added atmos Gt y -1 Tropical deforestation Gt y -1 + Sinks: Ocean uptake Gt y -1 Regrowing Forests N.H Gt y Atmospheric gain Gt y -1 = Total: Gt y -1 = Total: 7.1 Gt y -1 Missing Sink Gt y -1 Balance: Carbon Fluxes/Reservoir Changes: Estimates for 1980s Indications: larger sink in Terrestrial Biosphere

Global Carbon Cycle: Estimates of 1990’s Black: pre-industrial ‘natural’ reservoirs and fluxes Red: ‘anthropogenic’ fluxes

A atmosfera próxima à superfície Qual a importância de se estudar os processos de troca na atmosfera próximo à superfície? Transportes são muito eficientes Condições (quase) sempre turbulentas Atmosfera responde rapidamente a mudanças nos fluxos de superfície

Tópicos Aspectos do Balanço de Energia Turbulência atmosférica Características da Camada Superficial Métodos de estimativa de fluxos e evapotranspiração Aspectos de modelos de superfície

Interação Biosfera - Atmosfera

= H +  Q s + E  E = R + P +  S + G PAR NEE = GPP + R +  Sc K* + L* = Rn Processos conectados

CamadaLimitePlanetária (CLP)  CLP: parte inferior da troposfera que é diretamente influenciada pela superfície em escala de 1 hora ou menos  Condições da superfície e da estabilidade atmosferica criam uma estrutura vertical específica, com um ciclo diurno característico

CLP Convectiva 4.5 ms -1 Pluma bem misturada z i = 1400 m Grande vórtice convectivo Tarong, Queensland (AUS), stack height: 210 m, z i = 1400 m, w* = 2.5 ms -1. Photo: Geoff Lane, CSIRO (AUS) Plumas acompanham vórtices, que englobam toda a camada de mistura Componentes não passam acima da camada de inversão (entranhamento) Pluma bem misturada na camada de mistura A t m o s f e r a l I v r e Camada Limite Planetária (CLP)

Camada de mistura Camada Limite Noturna Camada residual Camada Limite Planetária Camada superficial

Ciclo Diurno – Balanço de Energia

Ciclo Diurno da Camada Limite

Turbulência

Características da Turbulência Caótica, não-linear, processos aleatórios Não é possível prever onde e quando um vórtice se formará  estudos somente possíveis usando métodos estatísticos Difusividade: mistura rápida, eficiente transporte de momentum, calor e massa Vórtices tridimensionais Energia turbulenta gerada por fricção ou produção térmica, dissipada nas escalas menores.

VENTO HORIZONTAL PRODUÇÃO MECÂNICA

PRODUÇÃO TÉRMICA

FLUXO : Quantidade da substância ou propriedade que passa por uma área em um intervalo de tempo Velocidade V Concentração (densidade) C

Média e flutuações

Covariância dos vórtices turbulentos As equações básicas: Eddy Covariance + termos de correções

z Temp potencial Condição Instável z Temp potencial Condição Estável X w’ pos.  ’ pos. w’ neg.  ’ neg. w’  ’ pos. w’ neg.  ’ pos. w’ pos.  ’ neg. w’  ’ neg.

Trocas de CO 2

~ 380 ppm

Durante o dia cai para 350 ppm Durante a noite passa de 400 ppm ~ 380 ppm Trocas entre a vegetação e a atmosfera

370 ppm CO ppm w’ > 0 c’ < 0 w’ c’ < 0 w’ < 0 c’ > 0 w’ c’ < 0 CO ppm CO ppm CO ppm

w’ > 0 c’ > 0 w’ c’ > 0 w’ < 0 c’ < 0 w’ c’ > ppm CO ppm CO ppm CO ppm CO ppm

Ciclo diurno da troca líquida de carbono

Eddy Covariance Eddy Accumulation Fluxo-gradiente Fluxo-variância Método da razão de Bowen Penman-Monteith Medições dos Fluxos Métodos DiretosMétodos Indiretos Vantagens e Desvantagens Considerações e aplicação dos métodos Correções

Finnigan et al. (2003) Volume de controle

+ termos de correções Lembrando… Eddy Flux

Anemômetro sônico (velocidade do vento 3-D e temperatura) Analisador de gás por infra-vermelho (IRGA – Infra-Red Gas Analyzer) (concentração (densidade) de H 2 O e CO 2 ) Medições de vento, temp., umidade e CO 2 Sistema ‘Caminho Fechado’ (‘Closed-Path’)

Analisador de gás de ‘Caminho Aberto’ (‘Open-path’) Sistema ‘Caminho Aberto’ (‘Open-Path’)

H =  a c p w’  ’ E =  a w’q’ FCO 2 =  a w’c’ + termos de correções (W / m 2 ) (  mol / m 2 s) Calor Sensível Calor Latente (ou Evapotranspiração) Fluxos de CO 2 Fluxos de calor e CO 2

Densidade da componente c Razão de mistura da componente c qcqc Ex.: Densidade de vapor: mmol / m 3 (de H 2 O) densidade de gás carbônico:  mol / m 3 (de CO 2 ) = densidade do ar Ex.: razão de mistura de umidade: mmol / mol (ou g/kg) (de CO 2 ) (de ar seco) razão de mistura de CO 2 :  mol / mol (ppm) (de H 2 O) (de ar seco) Correções de variações de densidade

Variações na densidade do ar Correções de variações de densidade

Webb-Pearman-Leuning (WPL correction) Sistemas de ‘Caminho Aberto’ (‘Open-Path’) Sistemas de ‘Caminho Fechado’ (‘Closed-Path’) M a = massa molar do ar seco ( ~ g/mol ) M v = massa molar do vapor (= M H2O ~ 18 g/mol)

Rotações dos eixos

Correções do método de eddy flux Variações de densidade Rotação do vento na direção vertical Resposta dos sensores (anemômetro sônico, analisador de gás) Separação física entre os sensores e entre os transdutores do sônico Atenuação de flutuações em tubos (mistura) Distorção do escoamento pela própria estrutura dos sensores …

Correções do método de eddy flux Correções são muitas, mas já bem estabelecidas e testadas em experimentos de campo

NEE = GPP + R +  Sc Trocas de Carbono Balanço de Carbono na interface Biosfera-Atmosfera NEE (‘Net Ecosystem Exchange’) Fc = medido pelo eddy flux Armazenamento (‘Storage’) de CO 2 na camada de ar dentro da copa

Troca Líquida do Ecossistema FCO 2 (Eddy)  Sc (‘Storage’) NEE (‘Net Ecosystem Exchange’)

Perda Noturna Noites com pouca turbulência: CO 2 ‘escoa’ pela topografia Parcela de Ar próxima ao Solo enriquecida de CO 2 NOITE

Início da manhã Footprint da torre

Parte do CO 2 emitido é ventilado fora do footprint da torre

Parte do CO 2 emitido é ventilado fora do footprint da torre

Parte do CO 2 emitido é ventilado fora do footprint da torre

Parte do CO 2 emitido é ventilado fora do footprint da torre

Parte do CO 2 emitido é ventilado fora do footprint da torre

Parte do CO 2 emitido é ventilado fora do footprint da torre

Eddy Accumulation Usada para medir gases-traço, componentes químicos que são mais complicados de se medir em alta frequência (e.g. VOC’s, CH 4, NOx, amonia…)

Medições dos Fluxos por métodos indiretos Em geral consistem em medir as concentrações (ou temperatura) em duas alturas e estimar os fluxos através do gradiente vertical. Vantagem: usam sensores mais simples e mais convencionais Desvantagem: necessitam de relações ‘empíricas’ entre os gradientes e os fluxos.

Medições dos Fluxos por métodos indiretos Teoria K – Difusividade Turbulenta -K x = Coeficiente de difusividade turbulenta da componente x

Teoria K – DifusividadeTurbulenta Assumindo-se fluxos ~ constantes com a altura: Medições/ Parametrizações dos Fluxospormétodosindiretos resistência

‘Escala’ de referência Fluxo de momento Características da Camada Superficial u z Velocidade de fricção

u z z0z0 Rugosidade e altura de deslocamento u z z 0 + d Vegetação baixa Vegetação alta (condições neutras) z 0  comprimento de rugosidade (roughness length) d  altura de deslocamento (displacement height)

Método da Razão de Bowen / Balanço de Energia Razão de Bowen = Calor sensível Calor latente K h ≈ K e

Método da Razão de Bowen / Balanço de Energia Balanço de Energia

Método de Penman-Monteith Conceito: Modelo “Big-Leaf” e = pressão de vapor e =  v R v T R v ~ 462 J / kg K e w (ou e s ) = pressão de vapor de saturação ( T em o C !! ) (es(T) em kPa)

Modelo “Big-Leaf” Equações básicas  = constante psicrométrica  hPa / K r v = r a + r s

Resistência aerodinâmica e da superfície r v = r a + r s

Solução aproximada Usando uma relação aproximada: e s (T 0 ) ≈ e s (T) + s (T 0 -T) s = slope da curva e s (T) Equação de Penman-Monteith

Genealogy of Land surface Parameterization in Climate Models

71 Evaporação Precipitação Transpiração Evaporação de água interceptada H2OH2O Escoamento superficial e subterrâneo Fluxo de radiação solar Reflexão Atenuação pelo dossel H2OH2O CO 2 Respiração Fotossíntese Respiração MODELOS BIOFÍSICOS Modelam os balanços de energia, água e momentum no sistema solo- vegetação-atmosfea No início, algumas propriedades da superfície sólida eram consideradas características estáticas (albedo, z 0, umidade no solo) que eram prescritos como CC inferior nos MCGA Deficiências nos MCGA: i)Albedos não realistas ii)Roughness lenght constante iii)Bucket model com capacidade constante de 150 mm A partir da década de 80 foram criados os primeiros modelos biofísicos

72 ATMOSFERA SISTEMA BIOFÍSICO Albedo, Roughness, Fotossíntese, Evapotranspiração BIOQUÍMICA Nutrientes, propriedades dos solos Ecologia Terrestre Nutrientes, propriedades dos solos Gases traço Fluxos: R n, H, LE, tau, CO 2 Forçante Físico- Químico: T, u, P, S , L , CO 2 Adaptado de: Sellers, P. J. – Land Surface process modelling – Climate System Modelling Anos

Parametrizações de superfície – principais parâmetros

rara rara LE i erer erer es(T)es(T) rcrc LE c zrzr D es(T)es(T) rsrs rsrs rsrs rcrc r c = resistência do dossel ( s m -1 ) r s = resistência estomática ( s m -1 ) r s → ∞ estômato fechado r s → 0 estômato aberto Índice de Área Foliar

Watson (1947): soma da área foliar do dossel por unidade de superfície projetada no solo (m 2 /m 2 ) O IAF está diretamente relacionado com a produtividade e a evapotranspiração de ecossistemas florestais (Lang & Mcmurtrie, 1992) Indica quantas camadas podem cobrir o solo onde a planta está crescendo. IAF=3, três camadas O IAF é um fator determinante na interceptação da radiação e da precipitação no topo do dossel e nos balanços de energia e água LANG, A. R. G.; McMURTRIE, R. E. Total leaf areas of single trees of Eucalyptus grandis estimated from transmittances of the sun's beam. Agricultural and Forest Meteorology, v. 58, p , 1992 Supondo que cada trifoliate possua uma área de 1m 2 e a area no quadrado cinza possua 1 m 2... ÍNDICE DE ÁREA FOLIAR (IAF) WATSON, D. J. Comparative physiological studies on growth of field crops: I. Variation in net assimilation rate and leaf area between species and varieties, and within and between years. Annals of Botany, v. 11, p , 1947

1 st generation

2 nd generation

3 rd generation

4 th generation

Trends in landsurfacemodeling 5 th generationmodelstend to integrateallsurface processes relevant for theclimate system –Mass, energyand momentum exchange –Photosynthesisandecophysiology processes –Vegetation dynamics –Terrestrialbiogeochemicalcycles (C, N, etc.) –Surfaceandsubsurfacehydrology –Agriculturalland use –Urbanareas –Emissionsof trace gases, VOCs, dustandaerossols –Land Ice –...

Some current efforts Simulate effects of deforestation and rising CO 2 concentration on the Amazon climate and feedbacks on forest structure, considering –Biophysical effects (exchange of mass & energy) –Physiological effects –Biogeochemical feedbacks through atmospheric CO 2 concentrations Couple IBIS/INLAND to CPTEC atmospheric global model Evaluate in which conditions the ecosystems are vulnerable or resilient to climate change (e.g. ‘Savanization’ or rain forest regrowth in Amazonia)

Brazilian Earth System Model Brazilian initiative: development of an integrated model that will consistently incorporate the relevant hidro-bio-physical- chemical processes of the global climate system Main components: Atmospheric model: CPTEC AGCM Ocean model: Global GFDL ocean model (MOM4 with sea ice and biogeochemistry components ) Land surface model: INLAND (developed from IBIS land surface model Integrated Biosphere Simulator; Foley et al., 1996; Kucharik et al., 2000) Atmospheric chemistry and radiation model: CATT model (CPTEC)