Desenvolvimento de Simulações Numéricas para Detecção e Previsão do Transporte de Poluentes na Região Amazônica: Análise do Transporte dos Poluentes

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1 Desenvolvimento de Simulações Numéricas para Detecção e Previsão do Transporte de Poluentes na Região Amazônica: Análise do Transporte dos Poluentes Andrea M. Ramos 1,2, Fábio C. Conde 1,2, Maria G. R. Oliveira 1, Kleber R. P. Ataíde 1, Wagner A. Bezerra 1, Ivanete M. D. Ledo 1, Edmundo W. M. Lucas 1, Luiz A. R. Santos 1, Danielle B. Ferreira 1, Mozar A. Salvador 1 1. Instituto Nacional de Meteorologia (INMET). Eixo Monumental Sul. Via S1. Sudoeste, , Brasília, Distrito Federal - DF, Brasil. 2. Centro de Geofísica de Évora (CGE), Universidade de Évora, Évora, Portugal. ABSTRACT This study presents numeric simulation of synoptical conditions and the atmospheric transports of pollutants emitted by forest fires occurred over Amazonian region and characterize extreme weather conditions that determine a better or worse dispersion. The simulations were performed by the on-line 3-D transport model CATT-BRAMS (Coupled Aerosol and Tracer Transport to the Brazilian developments on the Regional Atmospheric Modeling System) that consists of a numerical model of transport of aerosols and atmospheric trace coupled to the Brazilian version of the RAMS model. The initial and lateral boundary conditions necessary to run RAMS were taken from the Aviation run of the National Center for Environmental Prediction Global Spectral Model (AVN/NCEP) during october 2009 and three nested grids with resolutions of 120, 30 and 10 km respectively were used. This first part will be presented a brief review of the CATT-BRAMS, followed by the simulation features, synoptic situation during in the period and description burns and the second part, the results for simulations to validate numerical modeling plume of smoke CO and PM 2,5. The results indicate that dismantlability in 2008/2009 was more concentrated in the state of Pará with 57% increase in participation by 43% over the period The model results showed that CATT-BRAMS got to simulate the evolutions of synoptic scale systems, being the grid with high resolution more sensitive to improve the quality of the results. Palavra-chave: qualidade do ar, condições sinóticas, desmatamento, CATT-BRAMS, Amazônia Legal. INTRODUÇÃO O Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) concluiu o levantamento detal hado do desmatamento por corte raso para toda a Amazônia Legal no período de agosto/2008 a julho/2009. Medido pelo PRODES (Projeto de Monitoramento do Desflorestamento na Amazônia Legal), após a análise de 400 imagens dos satélites LANDSAT, CBERS e DMC, o desmatamento no período foi de km 2. O Pará respondeu em por 57% do desmatamento na Amazônia Legal, aumentando sua participação de 43% em relação ao período Este trabalho, visa desenvolver, mediante a modelagem numérica, a previsão dos campos de concentração e transporte de poluentes provenientes da queima de incêndios florestais ou em áreas do avanço da fronteira agrícola, em terreno de topografia variável, possibilitando o monitoramento da qualidade do ar associado com sistemas meteorológicos que ocorreram durante o período de 01 a 04 de Outubro de 2009, que corresponde o periodo mais critico desde mês, conforme o Boletim de Monitoramento de Focos de Calor do Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e dos Recursos Naturais Renováveis (IBAMA/MMA, Para analisar o transporte atmosférico e evolução da pluma de fumaça do monóxido de carbono (CO) e do material particulado (PM 2.5 ), além de

2 estudar os padrões sinópticos associados para o início e a manutenção dos incêndios, será utilizado o modelo CATT-BRAMS (Coupled Aerosol and Tracers Transport model to the Brazilian Regional Atmospheric Modeling System). Nesta segunda parte serão apresentados os resultados referentes a validação das simulações para modelação numérica da pluma de fumaça do CO e do PM 2.5 descrevendo a concentração e o transporte para cada resolução da grade utilizada neste trabalho. MATERIAL E MÉTODOS Para a realização das simulações da concentração e o transporte de poluentes, foi utilizado o modelo atmosférico CATT-BRAMS (Coupled Aerosol and Tracers Transport model to the Brazilian Regional Atmospheric Modeling System) é um modelo 3D euleriano que prognostica a concentração de contaminantes atmosféricos de forma simultânea, e totalmente consistente com o estado atmosférico simulado pelo RAMS/BRAMS, possibilitando o estudo da interacção ou da retro-alimentação entre o contaminante e a própria atmosfera (como no caso dos aerossóis libertados em incêndios e do seu forçamento radiativo). BRAMS é baseado no Regional Atmospheric Modeling System (RAMS, Walko et al., 2000), versão 6, com novas funcionalidades e parametrizações especializadas para trópicos e subtrópicos. Uma descrição pormenorizada das parametrizações e as novas funcionalidades podem ser encontradas em Freitas et al., 2000, 2005, 2006, 2007 e Longo et al., As características e opções feitas para a simulação estão descritas em Ramos et al., Em suma, o modelo foi inicializado e ajustado com as análises do modelo global AVN/NCEP (Aviation run of the National Center for Environmental Prediction Global Spectral Model), configurado para 3 grades: 120, 30 e 10 Km, com o topo do modelo a aproximadamente 21 km, centradas em 01º26 S; 48º26 W (Fig. 1), sendo que a 3 grade, de maior resolução, cobre o estado do Pará. As simulações foram feitas a partir das 00:00 UTC no dia 01/10/2009 por um prazo de 124 horas e saídas a cada 6 horas. O tipo de vegetação queimada é obtido do mapa de vegetação de 1km do IGBP-INPE (International Geosphere -Biosphere- Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais). RESULTADOS E DISCUSSÕES (a) (b) Figura 1: Domínios das três malhas utilizadas para o desenvolvimento do trabalho. Figura 2: (a) Linhas de Corrente e (b) campo de pressão ao nível médio do mar simulados pelo CATT-BRAMS no período de 1-15 de outubro de As condições de grade escala na atmosfera e nos oceanos em outubro de 2009 na Amazônia, segundo Boletim Climático da Amazônia disponibilizada pelo Sistema de Proteção da Amazônia (SIPAM) e Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos (CPTEC), foi condicionada em altos níveis por um amplo anticiclone com característica da Alta da Bolívia. Em 850 hpa apresentou um significativo fluxo anômalo do norte afetando o centro-sul do Para, indicando que o Jato de Baixos Nivéis (JBN) ficou deslocado a leste da sua posição climatológica, resultando em chuvas anômalas que ocorreram durante outubro e em superfície mostrou fraca anomalia negativa da pressão para a região de interesse. A fig.2

3 (a,b) mostra a simulação do CATT-BRAMS, para grade 1 (120km), das linhas de corrente em 250 hpa, para o período de 1-15/10/2009, apresenta a Alta da Bolívia posicionada a oeste de sua configuração, de acordo com o observado. Em baixo níveis, o modelo simulou um campo de pressão variando em torno de 1005 hpa, com anticiclones subtropicais mais ao norte em relação ao observado. A seguir, são apresentadas análises das cartas de pressão no nível do mar durante o periodo de 02-04/10/2009, às 00Z (fig. 3). Na análise das carta às 00Z para os dias selecionados observa-se a persistência de um amplo sistema de baixa pressão influenciando toda a região de estudo, com núcleos pontuais de 1008 hpa para os dias 02 e 04/10/2009. Em 03/10, há uma dissipação desde centro, atuando uma faixa de pressão em torno de 1012 hpa, com ventos de Nordeste (NE) no norte do Pará, favorecendo a entrada de umidade do oceano Atlântico para esta área. Em 02/10/2009 a Alta Subtropical do Pacifico Sul (ASPS) esta centrada em torno de 30 S/85 W, com núcleo pontual de 1024 hpa, persistindo esta condição em 03/10. Em 04/10 este sistema enfraquece, favorecendo o desenvolvimento de um centro de baixa pressão a leste. A Zona de Convergência Intertropical (ZCIT) atuou em uma faixa média entre 8º e 11ºN no Pacífico e no Atlântico durante o periodo do evento. Deste sistema, para os dias 03 e 04/10 estendeu-se um cavado equatorial que atuou sobre o norte da Venezuela e da Colômbia. Figura 3: Carta de Pressão ao Nível do Mar (PNM) às 00Z de 02 a 04 de Outubro de Fonte: Centro de Hidrologia da Marinha-Marinha do Brasil. S o u re T ra c u a t e u a Ó b id o s M o n t e A le g re P o rt o d e M o z B re v e s B e lt e rra C a m e t á A lt a m ira It a it u b a S ã o F é lix d o X in g u C o n c. d o A ra g u a ia 2 8, 0 3 0, 0 3 2, 0 3 4, 0 3 6, 0 3 8, 0 T e m p e ra t u ra M á x im a ( C) T m a x T m a x _N C S o u r e T r a c u a t e u a Ó b id o s M o n t e A le g r e P o r t o d e M o z B r e v e s B e lt e r r a C a m e t á A lt a m ir a It a it u b a S ã o F é lix d o X in g u C o n c. d o A r a g u a ia 1 0, 0 1 5, 0 2 0, 0 2 5, 0 3 0, 0 T e m p e r a t u r a M ín im a ( C) T m in (a) (b) (c) Figura 4: Valores observados para a temperatura máxima (a), mínima (b), umidade relativa (c) das estações meteorologicas do INMET e a Normal Climatológica (NC) para outubro de 2009 no Pará. Analisando as temperaturas máxima e mínima em relação a Normal Climatológica (NC) no Pará (Fig. 4) a partir do conjunto de estações meteorológicas disponibilizadas pelo Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) os valores observados indicam de modo geral, acima da NC em cerca de 1 a 2 C. Para a umidade relativa do ar, verifica-se valores abaixo da normal para todos os municipios, em torno de 70%. Os resultados simulados para a precipitação acumulada e temperatura média são apresentados na figura 5. A precipitação observada e modelada (apesar de superestimar o observado) confirma a caracterização sinótica estabelecida, onde mostra precipitações acima da normal climatológica com os máximos de chuva orientados no sentido noroeste-sudeste como em São Felix do Xingú (217.60mm), Belterra (130.10mm) e Belém (142.30mm). Os mínimos de precipitação (abaixo de 100 mm) concentram-se no sentido noroeste-norte do estado e as s estações localizadas em Breves, Monte Alegre e Tracuateua não apresentaram registro de chuvas. Para a temperatura média, os valores modelados acompanham o observado, ambos acima da normal climatologica. T m in _N C S o u re T ra c u a t e u a Ó b id o s M o n t e A le g re P o rt o d e M o z B re v e s B e lt e rra C a m e t á A lt a m ira It a it u b a C o n c. d o A ra g u a ia 0, , , 0 0 U m id a d e re la t iv a (%) U m id U m id _N C

4 Soure Óbidos Porto de Moz Belém Cametá Itaituba Conc. do Araguaia (a) 20,0 30,0 40,0 Temperatura Média ( C) Tmed_mo d Tmed_obs Tmed_NC Figura 5: (a) Precipitação acumulada e (b) temperatura modeladas, observadas e em relação a Normal Climatológica para outubro de 2009 no Pará. Este padrão observado para as variavéis analisadas corraboram com a previsão climática para o trimestre outubro, novembro e dezembro de 2009 (OND) do Infoclima (Boletim de Informações Climáticas do CPTEC/INPE) que indicou maior probabilidade de chuvas entre a categoria normal e abaixo da normal climatológica no norte da região Norte do Brasil, em função da persistência do fenômeno El Niño com fraca intensidade, enquanto que os valores de temperatura foram previstos acima da normal climatológica na região norte. Os resultados correspondem a média de 24 horas de simulação do campo espacial da pluma de fumaça do monóxido de carbono (CO) no nível de 70 metros em ppb (parte por bilião) e em metros, além do material particulado (PM 2.5 ), integrado na coluna atmosférica, expresso em g.m -2, ambos com média horária às 18:00 UTC com a sobreposição do campo do vento para o período de 02 a 03 de Outubro de 2009, como pode ser observado na fig.6 e na fig.7, mostra focos de queima (IBAMA) para o período simulado. Os resultados indicam que o padrão predominante de exportação do CO foi para o interior do continente, em função de um fluxo predominante de nordeste, do oceano, para a região em todas as grades analisadas. Ressalta-se que a segunda grade, teve por objetivo permitir a passagem de informações que ocorrem da grade de maior resolução (10km) para a de menor resolução (120 km). Para a grade 3, em função da resolução da grade, há pormenorização das concentrações de CO sobre o estado do Pará, com núcleos 5000 ppb na faixa que envolve o norte do estado e um núcleo máximo na região sudoeste do Pará, atingindo partes extremas do sudeste do Amazonas e norte de Mato Grosso. O padrão de escoamento é similar para o PM2,5, com uma orientação nordeste-sudeste, atingindo uma parte do sudeste do Amazonas e norte de Mato Grosso. S oure Óbidos Porto de Moz C ame tá Itaituba C onc. do Araguaia (b) Precipitação Acumulada (mm) Prec_Mod prec_obs Prec_NC CO_120km_12UTC CO_30km_12UTC CO_120km_12UTC

5 PM 2,5 _120km_12UTC PM 2,5 _30km_12UTC PM 2,5 _10km_12UTC Figura 6: Simulações numéricas obtidas pelo CATT-BRAMS do monóxido de carbono (CO), em ppb, e material particulado (PM 2.5 ), em g.m -2, integrado na coluna atmosférica com sobreposição do campo do vento para 3 grades: 120, 30 e 10 km, durante o período 2 3/10/2009. Figura 7: Focos de queima para os dias 2 e 3 de Outubro de 2009 (Fonte: IBAMA) CONCLUSÕES Uma queda substancial e consistente do desmatamento vem sendo verificada desde 2004, quando foi criado pelo governo federal o Plano para Prevenção e Controle do Desmatamento na Amazônia (PPCDAM). Entretanto, o desmantamento continua, no total de km 2 em 2008/2009 e o Pará respondeu por 57% desde desmatamento, aumento sua participação em 43% em relação ao período de Na primeira parte do trabalho, foram feitas coletas das condições sinóticas e a descrição dos focos de queima para caracterizar o ambiente atmosférico em outubro de 2009, assim como a característica da simulação utilizando o CATT-BRAMS e nesta segunda parte, foi analisada a previsão e o transporte de poluentes durante os eventos de 2-3/10/2009 que correspondeu ao periodo mais critico desde mês, conforme o Boletim de Monitoramento de Focos de Calor do Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e dos Recursos Naturais Renováveis (IBAMA/MMA). Os resultados indicam que o transporte de plumas de fumaça produzido pelos incêndios é originado a partir da exportação vertical de produtos de queimadas e da configuração sinótica atuante, de forma que a simulação apresentou uma boa performance em caracterizar as condições atmosféricas, tendo como padrão de exportação da pluma predominante para o interior do continente brasileiro. As conclusões referentes a metodologia apresentada mostram que os resultados mais pormenorizados para a malha de maior resolução (10 km) confirmam que a técnica de aninhamento de grades pode ser bastante útil nas simulações de circulações locais, caracterizado por um fluxo de nordeste constante para todo o período analisado. Ressalta-se ainda que a poluição provocada pelos incêndios pode atingir regiões distantes dos locais de origem e que adicionada a poluição antropogênica associada à ocupação urbana e atividades industriais, pode aumentar suas concentrações, proporcionando prejuízos ao meio ambiente como um todo. Desta forma, o entendimento e avaliação deste impacto, passam necessariamente, pela junção de estudos observacionais e modelação numérica gerando modelos complexos que descrevam as inter-relações biosfera-atmosfera, caracterizando um estudo multidisciplinar.

6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS FREITAS, S. R., K. LONGO, M. SILVA DIAS, P. SILVA DIAS, R. CHATFIELD, E. PRINS, P. ARTAXO, G. GRELL y F. RECUERO. Monitoring the transport of biomass burning emissions in South America. Environmental Fluid Mechanics, DOI: /s , 5 (1-2), p , FREITAS, S. R., LONGO, K. M., ANDREAE, M. O.: Impact of including the plume rise of vegetation fires in numerical simulations of associated atmospheric pollutants, Geophys. Res. Lett., 33, L17808, doi: /2006gl026608, FREITAS, S. R., K. LONGO, M. DIAS, R. CHATFIED, P. DIAS, P. ARTAXO, M. ANDREAE, G. GRELL, L. RODRIGUES, A. FAZENDA, J. PANETTA.: The Coupled Aerosol and Tracer Transport model to the Brazilian developments on the Regional Atmospheric Modeling System (CATT-BRAMS). Part 1: Model description and evaluation. Atmos. Chem. Phys. Discuss., 7., , GEVAERD, R. y Freitas, S. R.: Estimativa operacional da umidade do solo para inicialização de modelos de previsão numérica da atmosfera. Parte I: Descrição da metodologia e validação, Revista Brasileira de Meteorologia, 21, 3, 1-15, LONGO, K. M., S. R. FREITAS, SILVA DIAS, M.A.F, P. SILVA DIAS. Numerical modeling developments towards a system suitable to a real time air quality forecast and climate changes studies in South America. Newsletter of the International Global Atmospheric Chemistry Project, Taiwan, v. 33, p , LONGO K.M, S. R. FREITAS, A. SETZER, E. PRINS, P.ARTAXO, M. ANDREAE. The Coupled Aerosol and Tracer Transport model to the Brazilian developments on the Regional Atmospheric Modeling System (CATT -BRAMS). Part 2: Model sensitivity to the biomass burning inventories. Atmos. Chem. Phys. Discuss., , 2007.