IMPLICAÇÕES DA SUBESTIMATIVA DA PRECIPITAÇÃO CONVECTIVA DIURNA DA CFSR NOS FLUXOS HIDROLÓGICOS

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1 IMPLICAÇÕES DA SUBESTIMATIVA DA PRECIPITAÇÃO CONVECTIVA DIURNA DA CFSR NOS FLUXOS HIDROLÓGICOS Leonardo M. DOMINGUES 1, 2, Jônatan D. TATSCH 1, Bruno P. CESTARO 1, Emilia BRASÍLIO 1, Humberto R. da ROCHA 1 1 IAG/USP São Paulo SP 2 leomdomingues@model.iag.usp.br RESUMO: A precipitação diária da CFSR apresentou uma grande melhoria em comparação às reanálises prévias, apesar de superestimar (subestimar) a frequência de ocorrência de precipitação diária de intensidade fraca (forte) para algumas regiões do Brasil, conforme relatam estudos prévios. Nesse trabalho, é avaliado o potencial de aplicação da precipitação horária da reanálise do CFSR através de simulações com o modelo SiB2, previamente calibrado para os ecossistemas de cerrado e soja. As implicações da subestimativa da precipitação convectiva horária são avaliadas em termos dos fluxos hidrológicos. ABSTRACT: CFSR daily precipitation showed a notable improvement in comparison with the previous reanalysis. However, it overestimates the frequency of occurrence of weak daily precipitation and underestimates the stronger frequency for some Brazilian regions, according to previous studies. In this article, we evaluate the potential application of the hourly precipitation from CFSR reanalysis through some simulations with SiB2 model, previously calibrated for Cerrado and soybean ecosystems. The implications of underestimating the hourly convective precipitation are evaluated by analysis of the hydrological fluxes. 1- INTRODUÇÃO O advento dos dados de reanálise representa um grande avanço para a modelagem atmosférica por oferecer uma série de dados contínua no tempo, de longo prazo, tridimensional e com cobertura espacial global. Esses dados são física e dinamicamente consistentes e combinam observações de diversas fontes, como: satélite, estações de superfície, radiossondagens e análises de modelos de circulação geral da atmosfera. Modelos agrometeorológicos, hidrológicos e de superfície, quando aplicados em escala regional, requerem, em geral, dados regularmente distribuídos no domínio espacial, com alta resolução espacial e temporal. Devido à escassez de séries históricas de estações de superfície, os dados das reanálises surgem como uma possível alternativa, embora as incertezas nesses dados sejam difíceis de serem quantificadas (Climate Data Guide, 2012). A reanálise do Sistema de Previsão Climática (Climate Forecast System Reanalysis, CFSR) do NCEP (Saha et al., 2010) é a primeira a incluir um sistema acoplado de interação oceano-gelo marinho-superfície terrestre-atmosfera. A precipitação da CFSR apresentou uma grande 1

2 melhoria (Silva et al., 2011; Yoo et al., 2011) em comparação às reanálises prévias R-1 (Kalnay et al., 1996) e R-2 (Kanamitsu et al., 2002). Adicionalmente, a CSFR fornece dados em resolução temporal e espacial superiores às demais reanálises atualmente disponíveis. Silva et al. (2011) relataram uma superestimativa da CFSR na probabilidade de eventos de precipitação diária de intensidade fraca e uma subestimativa da precipitação de intensidade forte para várias regiões do Brasil em relação precipitação observada. Os autores sugerem que esse padrão pode estar associado a um início muito rápido da precipitação diurna convectiva. Yoo et al. (2011) relataram que o ciclo diurno da precipitação da CSFR em comparação a estimativas de precipitação por satélite (CMORPH) apresenta maior amplitude nas áreas continentais dos trópicos e um horário de pico antecipado de 2-5 horas. Entretanto, avaliações deste tipo para a precipitação horária da CFSR em relação a observações de superfície são mais difíceis de encontrar na literatura. Portanto, antes de utilizarem-se a precipitação horária da CSFR para calibração e validação de modelos da superfície terrestre para os ecossistemas brasileiros, é importante avaliar as implicações nos fluxos hidrológicos simulados usando esses dados e suas limitações apontadas anteriormente. Nesse artigo, avaliar as potenciais mudanças nos fluxos hidrológicos devido à subestimativa da precipitação convectiva da reanálise do CSFR. 2 -DADOS E MÉTODOS DE ANÁLISE Nesse trabalho foram utilizados dados horários de radiação solar incidente, temperatura do ar, umidade específica, pressão atmosférica, velocidade do vento e precipitação da CFSR-NCEP (Saha et al. 2010) com alta resolução espacial (~38 km). Esses dados foram utilizados como forçantes no modelo Simples da Biosfera (SiB2) previamente calibrado para os ecossistemas de cerrado (Rocha et al., 2002) e soja (Cestaro, 2012) utilizando-se dados observados de fluxos de superfície e biomassa aérea. O período analisado foi de para a simulação do cerrado e de para a simulação da cultura de soja. Foram delineados dois experimentos: (i) controle: utilizando dados horários da CSFR inalterados e (ii) convectivo: onde a precipitação horária da CSFR foi acumulada nas 24 horas e esse valor foi prescrito às 15 h (hora local) como a hora de ocorrência. Esse experimento foi idealizado para representar uma situação onde somente ocorressem eventos de precipitação convectiva. Para essas duas simulações avaliou-se o efeito na partição da evapotranspiração (ET), em suas componentes (T: transpiração, Ei: interceptação, Es: evaporação) e no runoff simulado. 3-RESULTADOS A Figura 1 mostra os fluxos hidrológicos totais no ciclo de soja para os experimentos controle (ctl) e O total de precipitação acumulado no período da simulação foi de 556 mm. A ET mostrou uma diferença de 62 mm entre os experimentos controle e convectivo, devido, principalmente, a maior Ei no experimento controle (297 mm) em comparação ao 2

3 experimento convectivo (163 mm). Consequentemente, menos água foi disponibilizada para evaporação no experimento ctl (55 mm) em relação ao conv (80 mm), menos água foi convertida na forma de runoff no experimento ctl (78 mm) em relação ao conv (134 mm) e também menos água foi disponível para transpiração no experimento ctl (144 mm) em relação ao conv (191 mm). O (A) runoff (ET) do experimento convectivo foi maior (menor) que o runoff (ET) no experimento controle nos meses de novembro e dezembro de 1988 (Figura 2, b,f). A Es e a T (Ei) foram (foi) sistematicamente superiores (inferior) no experimento convectivo (Figura 2, c,d,e). Os padrões observados para a soja foram similares para o cerrado, porém com magnitudes diferentes. Figura 1. Fluxos hidrológicos totais no ciclo de soja (novembro/1988 a fevereiro/1989) para os experimentos controle (ctl) e Figura 2. Médias mensais da precipitação (Prec, a), evapotranspiração (ET, b), razão entre interceptação e ET (Ei_r, c), razão entre evaporação e ET (Es_r, d), razão entre transpiração e ET (T_r, e), razão entre runoff e Prec (Roff_r, f), no período de novembro/1988 a fevereiro/1989, para cultura de soja nos A Figura 3 mostra uma diferença menor (23 mm) na ET entre os experimentos controle e convectivo. A Ei no experimento ctl foi de 350 mm, aproximadamente o dobro da Ei do experimento conv (184 mm). Consequentemente, menos água foi disponibilizada para evaporação no experimento ctl (119 mm) em relação ao conv (130 mm), menos água foi convertida na forma de runoff no 3

4 experimento ctl (284 mm) em relação ao conv (308 mm) e também menos água foi disponível para transpiração no experimento ctl (551 mm) em relação ao conv (683 mm). Figura 3. Média dos fluxos hidrológicos totais anuais no cerrado, no período de janeiro/1998 a dezembro/2009, para os O (A) runoff (ET) do experimento conv foi maior (menor) que o runoff (ET) no experimento ctl durante a estação chuvosa (Figura 4, b,f). A Ei (T) foi maior (menor) no experimento ctl que no experimento conv (Figura 4, c,e). Figura 4. Médias mensais da precipitação (Prec, a), evapotranspiração (ET, b), razão entre interceptação e ET (Ei_r, c), razão entre evaporação e ET (Es_r, d), razão entre transpiração e ET (T_r, e), razão entre runoff e Prec (Roff_r, f), no período de janeiro/1998 a dezembro/2009, para o ecossistema de cerrado nos 4-CONCLUSÕES A precipitação da reanálise apresenta uma subestimativa da precipitação convectiva diurna. A consequência dessa característica nos fluxos hidrológicos simulados pelo modelo SiB2, para um ecossistema agrícola e natural, foi avaliada nesse estudo através da comparação entre duas simulações. A primeira (experimento clt) com a precipitação horária da CFSR inalterada e a segunda (experimento conv) onde a precipitação horária da CFSR foi acumulada nas 24 horas e esse valor foi prescrito às 15 h (hora local) como a hora de ocorrência para todo período. Os 4

5 resultados evidenciaram uma grande mudança na partição da ET entre suas componentes dependendo do experimento (ctl e conv). Em geral a subestimativa da precipitação convectiva da CFSR resulta em uma intensificação da interceptação, diminuição da transpiração, da evaporação e do runoff. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CESTARO, B.P. Implementação do modelo da biosfera SiB2 para agroecossistemas brasileiros Dissertação (Mestrado em Meteorologia) Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas, Universidade de São Paulo, São Paulo, Climate Data Guide, NCAR. Disponível para acesso em: Acessado em 04/08/2012. KALNAY, E., KANAMITSU, M., KISTLER, R., COLLINS, W., DEAVEN, D., GANDIN, L., IREDELL, M., SAHA, S., WHITE, G., WOOLLEN, J., ZHU, Y., CHELLIAH, M., EBISUZAKI, W., HIGGINS, W., JANOWIAK, J., MO, K. C., ROPELEWSKI, C., WANG, J., LEETMAA, A., Reynolds, R., JENNE,R, JOSEPH, D. The NCEP/NCAR 40 Year Reanalysis Project, Bull. Amer. Meteor. Soc., 77, KANAMITSU, M., EBISUZAKI, W., WOOLLEN, J, YANG, S.K., HNILO, J.J., FIORINO, M., POTTER, G.L. NCEP-DOE AMIP-II Reanalysis (R-2), Bull. Amer. Meteor. Soc., 83, ROCHA, H. R. da ; FREITAS, H. C. ; DIAS, M. A. F. S. ; LIGO, M. A. ; CABRAL, O. M. R. ; TANNUS, R. N. ; ROSOLEM, R..Measurements of CO2 exchange over a woodland savanna (Cerrado Sensu stricto) in southeast Brasil. Biota Neotropica (English ed.), Campinas, SP, v. 2, n. 1, SAHA, S., NADIGA, C., THIAW, C., WANG, J., WANG, W., ZHANG, Q., VAN DEN DOOL, H.M., PAN, H. L., MOORTHI, S., BEHRINGER, D., STOKES, D., WHITE, G., LORD, S., EBISUZAKI, W., PENG, P., XIE, P.. The NCEP Climate Forecast System Reanalysis. Submitted to the Bulletin of the American Meteorological Society, SILVA, V.B.S., KOUSKY, V. E., HIGGINS, R.W. Daily Precipitation Statistics for South America: An Intercomparison between NCEP Reanalyses and Observations, Journal of Hydrometeorology, v.12 YOO, S.H., XIE, P., WANG, W. Global precipitation diurnal variations depicted in the observation and the CFS Reanalysis, In: 91 st American Meteorological Society Annual Meeting. Disponível para acesso em: _2011_Poster.pdf. 5