Estimativa dos fluxos de energia superficiais para o Sítio Experimental de Paraíso do Sul - RS

Transcrição

1 Estimativa dos fluxos de energia superficiais para o Sítio Experimental de Paraíso do Sul - RS Andréa Ucker Timm 1, Virnei Silva Moreira 1, Geovane Webler 1, Débora Regina Roberti 1, Alcimoni Nelci Comin 1, Luis G.G. de Gonçalves 2, Osvaldo L.L. de Moraes 1, Gervásio Annes Degrazia 1 1 Laboratório de Micrometeorologia (LuMet), Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria-RS, Brasil, andreatimm@mail.ufsm.br 2 Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos (CPTEC), Instituto de Pesquisas Espaciais (INPE), Rodovia Presidente Dutra, km40, Cachoeira Paulista SP, Brasil. ABSTRACT: This work aims to compare the flows of energy (sensible heat, latent and ground) obtained form Experimental Site in Paraíso do Sul with the results estimated by the Noah Land Surface Model. According to the results, the Noah Land Surface Model presents a good agreement with observed data, except for the period in which the rice cultivation remains irrigated (December to April). Palavras-chave: Noah LSM, Fluxos de energia superficiais, Condições iniciais. 1 INTRODUÇÃO Nas últimas décadas, um grande número de avanços vem sendo realizado nos modelos de superfície principalmente no que diz respeito aos fluxos de energia superficiais e armazenamento de água e energia na superfície. As constantes evoluções da umidade do solo, temperatura do solo e cobertura de neve são importantes para o armazenamento de água e energia na superfície tanto a curto prazo (isto é, diariamente) quanto a longo prazo (ou seja, sazonalidade anual) e estes, por sua vez, dependerão das condições da superfície (tipo vegetação e textura do solo). Os modelos de superfície são responsáveis por gerar as condições iniciais na camada mais baixa da atmosfera nos Modelos Globais de Clima e Previsão Numérica do Tempo, nos quais os processos físicos de superfície devem ser representados satisfatoriamente (Ek et al., 2003). Eles fornecem a descrição do sistema solo-vegetação que são usados como condições de contorno inferior para a atmosfera, além de fornecer a resposta à atmosfera a partir da superfície (Rodell et al., 2005). As condições iniciais utilizadas num modelo de superfície são representadas por um conjunto de dados espacialmente variáveis que descrevem os dados de energia e superfície da água no instante em que a simulação inicia. O sistema de Assimilação de Dados de Superfície (LDAS: Rodell et al., 2004) ( Land Data Assimilation System) tem sido empregado com sucesso para fornecer os campos de condições iniciais da umidade do solo para uso em modelos meteorológicos de previsão e para abordar questões de gerenciamento na superfície terrestre. Deste modo, o objetivo deste trabalho é estimar os fluxos superficiais de energia utilizando o Modelo de Superfície Noah e comparar os resultados simulados com os dados observados obtidos a partir de uma torre micrometeorológica instalada na região central do Rio Grande do Sul (RS), mais especificamente, em Paraíso do Sul sobre uma cultura de arroz irrigado, durante o período de 27/06/2003 à 26/06/2004, totalizando 366 dias de dados. Para inicializar o Modelo de Superfície Noah com condições iniciais ideais será realizado o experimento spin-up, ou seja, será realizada a estabilização do modelo com condições iniciais e dados forçantes atmosféricos obtidos a partir do Sistema de Assimilação de Dados de Superfície para a América do Sul ( South American Land Data Assimilation System SALDAS: de Gonçalves et al., 2009) para o período de 01/01/2000 à 26/06/2003. Por fim,

2 para a simulação do Modelo de Superfície Noah são utilizados os dados de forçantes atmosféricos observados (dados da torre micrometeorológica) e as condições iniciais obtidas a partir do último passo de tempo do experimento spin-up. 2 - MATERIAL E MÉTODOS Descrição do Sítio Experimental e Dados Utilizados A partir de 2003 o Laboratório de Micrometeorologia da UFSM vem realizando observações micrometeorológicas no município de Paraíso do Sul, no estado do Rio Grande do Sul, no sul do Brasil. O município de Paraíso do Sul está localizado na região central do estado e a torre micrometeorológica encontra-se instalada nas coordenadas (29º44 39,6"S; 53º8 59,8"W), a uma altitude de aproximadamente 108m. A torre instrumentada faz parte do projeto CT-HIDRO, um projeto nacional de grande abrangência, com o propósito de descrever as condições de superfície para diferentes ecossistemas do país. A torre está localizada próximo ao Rio Jacuí, em uma área de cultivo de arroz irrigado. Os dados usados neste trabalho fazem parte da campanha experimental realizada durante o período de 27 de junho de 2003 a 26 de junho de 2004, compreendendo um ciclo completo do arroz, ou seja, o arroz é cultivado no período de novembro a abril, e no restante do ano o solo não é cultivado, ficando apenas coberto com uma vegetação rasteira. O sítio experimental tem como características terreno plano e homogêneo e, durante praticamente todo o período do ciclo do arroz, a superfície permanece coberta com uma camada de água de 5-7cm, influenciando nos fluxos de energia superficiais. Os sensores foram fixados em uma torre micrometeorológica de 10m de altura, localizada em terreno plano, que coletaram dados a uma taxa de 1Hz e 16Hz. Como se sabe, fluxo é a transferência de uma quantidade por unidade de área. Na camada limite atmosférica tem-se interesse, principalmente, em fluxos de massa, calor, umidade, momentum e poluentes. Os fluxos podem ser definidos como o produto turbulento de duas grandezas não lineares, chamado de covariância. As médias dos fluxos experimentais foram calculadas utilizando médias de 30 minutos com avanço de 3 minutos e as variáveis turbulentas foram calculadas com auxílio de um programa na linguagem Fortran-77, pelo método da covariância dos vórtices (eddy covariance). Medidas das condições atmosféricas, tais como: temperatura do ar (ºC), umidade relativa, pressão (mb), radiação de onda curta incidente (W/m 2 ), precipitação (total acumulada em inches), velocidade do vento (m/s) e radiação de onda longa incidente (W/m 2 ) foram utilizadas como dados de entrada para a simulação do Modelo de Superfície NOAH. Porém, os dados de radiação de onda longa incidente ( LW in ) foram calculados de acordo com o 4 termo.t Descrição do Modelo de Superfície Noah No início de 1990, o National Centers for Environmental Prediction (NCEP) começou a testar a eficiência do LSM (Land Surface Model) desenvolvido para ser utilizado na previsão numérica do tempo da Oregon State University (OSU LSM) (Mahrt e Pan, 1984; Pan e Mahrt, 1987; Ek e Mahrt, 1991). O LSM da OSU consistia de duas camadas no solo com as equações de condutividade térmica para a temperatura do solo e uma forma da equação de Richardson para a umidade do solo (Ek et al., 2003). Ainda durante aquela década, o NCEP expandiu suas colaborações no desenvolvimento do LSM através das várias componentes do Global Energy and Water Cycle Experiment (GEWEX). Como conseqüência, testes do LSM nas versões acopladas e não acopladas utilizando diferentes escalas espaciais e temporais foram realizadas, melhorando substancialmente a complexidade do LSM da OSU, renomeado para Noah LSM.

3 O Noah LSM evoluiu do LSM OSU, o qual foi desenvolvido em meados da década de 1980 (Mahrt and Ek, 1984; Mahrt and Pan, 1984 ; Pan and Mahrt, 1987; e Ek and Mahrt, 1991). Primeiro, o número de camadas do solo foi aumentado de duas (10 e 190cm de espessura) para quatro (10, 30, 60 e 100cm de espessura) e a profundidade da zona de raiz tornou-se espacialmente variável (dependendo da classe da vegetação) antes fixa (2m para todas as classes de vegetação). Posteriormente, o acoplamento da evaporação potencial de Penman abordada por (Mahrt and Ek, 1984) para o modelo do solo de multicamadas de Mahrt and Pan, 1984 e Pan and Mahrt, 1987, com a adição da formulação da evaporaçãotranspiração do dossel ( Jacquemin and Noilhan, 1990). Adicionalmente, modificações no Noah LSM foram realizadas pelo Centro de Modelagem Ambiental do NCEP Environmental Modeling Center (EMC/NCEP), incluindo a adição da componente de escoamento superficial a partir do modelo de balanço hídrico simples de Schaake et al. (1996) (apud Grunmann, 2005) e parametrizações de solo congelado e neve de Koren et al. (1999a) [19]. Descrições do modelo durante a sua evolução no NCEP nos anos 1990 e anterior a 2000 são melhores detalhadas em Chen et al. (1996), Koren et al. (1999) e Ek et al. (2003). Neste trabalho foi utilizada a versão off-line do Noah O modelo de superfície Noah foi executado para o período de 27/06/03 à 26/06/04 usando condições iniciais idealizadas dadas pelo experimento spin-up realizado com os dados de forçantes atmosféricos do SALDAS para o período de 01/01/00 à 26/06/03. O primeiro passo no tempo do dia 27/06/03 é ajustado a partir do último passo no tempo do dia 26/06/03 e é forçado por dados observados obtidos a partir da torre micrometeorológica. 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados obtidos para os fluxos a partir do Noah LSM (Figuras 1-3) foram comparados com dados observados obtidos da torre micrometeorológica localizada na região de estudo. Na Figura 1(a) é apresentada o dia médio mensal para o fluxo de calor sensível (H) obtido pelo Noah LSM e H observado. Enquanto na Figura 1(b) é apresentado o diagrama de dispersão, juntamente com o ajuste linear e o coeficiente de correlação. A partir da Figura 1(b) podemos verificar que H é bem descrito pelo modelo, mas com uma maior dispersão em torno da diagonal principal. A partir do coeficiente de correlação (R=0.7870) também é possível verificar que a concordância é menor entre os dados observados e simulados. Além disso, verifica-se que o Noah LSM superestima os dados observados para H. O mesmo ocorre para o fluxo de calor latente (LE) (Figura 2), o qual apresenta um coeficiente de correlação de Figura 1. Fluxo de calor sensível obtido a partir do Noah LSM versus dados observados e seu

4 Figura 2. Fluxo de calor latente obtido a partir do Noah LSM versus dados observados e seu O fluxo de calor no solo (Figura 3) mostra boa concordância entre os dados observados e simulados pelo Noah LSM, no entanto apresenta algumas dispersões em torno da diagonal principal, o que é também verificado pelo coeficiente de correlação (R=0.7763). Além disso, é possível verificar tanto pelo dia médio mensal, quanto pelo diagrama de dispersão, que os valores simulados subestimam os valores observados. Porém, verifica-se uma pequena defasagem, principalmente após o período de plantio do arroz. Figura 3. Fluxo de calor no solo obtido a partir do Noah LSM versus dados observados e seu 4 CONCLUSÕES Neste trabalho foi apresentado um estudo sobre o Noah LSM com o objetivo de estimar os fluxos de energia (fluxos de calor sensível, latente e do solo) entre a superfície e a atmosfera. Um requisito muito importante destes modelos são as condições iniciais para as variáveis do solo, as quais, muitas vezes, são difíceis de estabelecer. Além disso, nem sempre o período de dados forçantes atmosféricos observacionais existentes é muito longo, o que também dificulta principalmente quando se pretende realizar o experimento spin-up para estabilização do modelo.

5 Devido ao número limitado de torres micrometeorológicas de observações contínuas disponíveis na América do Sul, e particularmente, no estado do Rio Grande do Sul (RS), neste trabalho utilizou-se os dados forçantes atmosféricos do SALDAS para a realização do experimento spin-up, ou seja, para estabilização do Noah LSM. Os fluxos de energia superficiais estimados a partir do Noah LSM apresentaram resultados razoavelmente satisfatórios quando comparados com os dados observados da torre micrometeorológica, no entanto, verificou-se que apesar de algumas defasagens, que as maiores diferenças ocorrem justamente nos meses de verão, ou seja, no período de janeiro a março, justamente quando a cultura de arroz passa a ser inundada com uma lâmina de água de 5-7cm. Também se calculou o coeficiente de correlação entre os dados observados e simulados, os quais se mostraram razoavelmente satisfatórios, visto que o modelo utilizado neste trabalho não leva em conta culturas agrícolas específicas e, principalmente, períodos de inundação. 5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CHEN, F. et al. Modeling of land-surface evaporation by four schemes and comparison with five observations. Journal of Geophysical Research, v.101, n.d3, p de GONÇALVES, L.G.G. et al. The South American Land Data Assimilation System (SALDAS) 5-Yr retrospective atmospheric forcing datasets. Journal of Hidrometeorology, v.10, n.4, p , EK, M.B. et al. Implementation of Noah land surface model advances in the National Centers for Environmental Prediction operational mesoscale Eta model. Journal of Geophysical Research, v.108, n.d22, EK, M.B. and MAHRT, L. A one-dimensional Planetary Boundary Layer Model with interactive soil layers and plant canopy. Users Guide Version College of Oceanic and Atmospheric Sciences, Strand Agriculture Hall, Rm. 326, Oregon State University Corvallis, Oregon USA, GRUNMANN, P.J. Variational data assimilation of soil moisture information. Tese (Doctor of Philosophy) - University of Maryland, Maryland at College Park, JACQUEMIN, B. and NOILHAN, J. Sensitivity study and validation of a land surface parameterization using the hapex-mobilhy data set. Boundary-Layer Meteorology, v.52, p , KOREN, V. et al. A parameterization of snowpack and frozen ground intended for NCEP weather and climate models. Journal of Geophysical Research, v.104, n.d16, p , MAHRT, L. and EK, M. The influence of atmospheric stability on potential evaporation. Journal of Climate and Applied Meteorology, v.23, p , MAHRT, L. and PAN, H. A two-layer model of soil hydrology. Boundary Layer Meteorology, v.29, p.1-20, PAN, H.-L. and MAHRT, L. Interaction between soil hydrology and boundary layer development. Boundary Layer Meteorology, v.38, p , RODELL, et al. Evaluation of 10 methods for inicializing a land surface model. Journal of Hydrometeorology, v.6, p , RODELL, et al. The global land data assimilation system. Bulletin of the American Meteorological Society, v.85, n.3, p , 2004.