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

Sumário 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

1. Mudanças Climáticas

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 0,6 o C (+-0,2 o 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

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

2. Sistemas Integrados de Modelagem Climática

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

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

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

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

3. O Sistema do MIT Joint Program

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

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.

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

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

4. Alguns resultados ilustrativos

Concentrações de CO 2, CH 4 e N 2 O

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

Mudança na cobertura de gelo

Mudanças por latitude

Sequestro de carbono pelos oceanos

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

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).

Sem controle: crescimento do uso do carvão e petróleo 450ppm CO 2 : quase livre de CO 2, pouco crescimento no uso de energia, uso de biocombustíveis, energia fóssil com captura e sequestro de carbono O Desafio Tecnológico

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 A “Loteria” das Mudanças Climáticas

5. O modelo econômico

Emissions Prediction and Policy Analysis (EPPA) Model 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)

Modelo EPPA Países e regiões representadas

Modelo EPPA Setores Representados 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 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) “New” Technologies For special studies Hydrogen Cars, Plug-in Electric Cars For special studies Gasoline, Diesel, Refinery Gases, Heavy Fuel Oil, Petroleum Coke, Bitumen Upgrading

Consumer Sectors Production Sectors Primary Factors Income Goods and Services Expenditure EPPA é um Modelo Computável de Equilíbrio Geral da Economia Global Emissions: CO 2 CH 4 N 2 O SF 6 HFCs PFCs Urban gases Government International Trade Public Goods Taxes Intermediate demand Region “A” Ligação explícita entre variáveis econômicas e valores físicos de energia

Lógica do Modelo EPPA 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  Modelo escrito em GAMS (General Algebraic Modeling System -  GAMS é uma linguagem de programação matemática para resolver problemas de otimização;  O Modelo EPPA utiliza o subsistema MPSGE ( que resolve o problema de equilíbrio geral como um problema de complementariedade mista (MCP)

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

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

Fonte: Mann (1997) Mudanças no uso da terra: CO 2 FLORESTA Biocombustíveis, mudanças no uso da terra e mudança climática

MIT EPPA, 16 Region, multi-sector CGE model Downscaling Technique/ Spatial disaggregation algorithm DYNAMIC TERRESTRIAL ECOSYSTEMS MODEL (TEM) CH 4, N 2 O, Net CO 2 from land use Crop, pasture, bioenergy, forest productivity Spatial data (0.5º x 0.5º) for land use EPPA-Global Land System Interactions GHG and Other Pollutants from energy and agriculture/land use Land use shares for crops, livestock, bioenergy, forestry CO 2, Tropospheric Ozone, Nitrogen deposition Temperature, Precipitation, Solar Radiation Coupled Ocean, Atmosphere Biogeophysical Land Processes

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

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

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

Net Land Carbon Flux Net GHG Balance PCCR 46

Net Land Carbon Flux Net GHG Balance OLSR 47

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

7. Considerações finais

Considerações Finais 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.

Obrigado pela atenção!

Biomass Crops Biomass (“Intensification” Scenario)

Biomass Crops Biomass (“Intensification” Scenario)

Natural Forest Natural Forest (“Intensification” Scenario)

Natural Forest Natural Forest (“Intensification” Scenario)

Biomass (“Deforestation” Scenario) Biomass Crops

Biomass (“Deforestation” Scenario) Biomass Crops

Natural Forest Natural Forest (“Deforestation” Scenario)

Natural Forest