MODELAGEM NUMÉRICA DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA DA ATMOSFERA E SEUS IMPACTOS NO TEMPO, CLIMA E QUALIDADE DO AR

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1 Revista Brasieira de Meteoroogia, v.24, n.2, , 2009 MODELAGEM NUMÉRICA DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA DA ATMOSFERA E SEUS IMPACTOS NO TEMPO, CLIMA E QUALIDADE DO AR Sauo R. Freitas 1, Kara M. Longo 2, Luiz F. Rodrigues 1 1 Centro de Previsão de Tempo e Estudos Cimáticos, Instituto Naciona de Pesquisas Espaciais (CPTEC/INPE), Cachoeira Pauista, Brasi. 2 Divisão de Geofísica Espacia, Instituto Naciona de Pesquisas Espaciais (DGE/INPE) sauo.freitas@cptec.inpe.br, kara.ongo@dge.inpe.br, uiz.favio@cptec.inpe.br Recebido Juho Aceito Março 2009 RESUMO Uma descrição gera da modeagem numérica da composição química da atmosfera é fornecida neste trabaho. Os papéis reevantes de aguns gases traço e aerossóis no baanço radiativo do paneta, na ateração do cico hidroógico e na pouição do ar são discutidos. Partindo da equação da continuidade, integrada no sistema de equações governantes da atmosfera, os diversos termos que constituem a emissão, deposição, reatividade química e transporte (resovido e sub-grade) são apresentados juntamente com formas de obter a soução numérica. Dentre os componentes desta equação, o termo de reatividade química se destaca pea compexidade do probema em si, na obtenção da soução numérica e no ato custo computaciona envovido. Exempos são fornecidos utiizando o modeo CCATT-BRAMS com recente incusão de reatividade química. Em particuar, a simuação do ozônio troposférico constitui uma tarefa compexa pea fata de dados de emissões, porém resutados obtidos são compatíveis com outros modeos vaidados. Simuações numéricas reaizadas, para a estação seca de 2002, permitiram estudar possíveis cicos biogeoquímicos e corredores de formação e deposição de ozônio e aerossóis de queimadas, assim como o pape destes útimos na estabiização termodinâmica e precipitação. Paavras-chave: Quaidade do ar, gases traço, aerossóis, química da atmosfera, modeos ambientais. ABSTRACT: NUMERICAL MODELING OF THE ATMOSPHERE CHEMISTRY COMPOSITION AND OF ITS IMPACTS ON WEATHER, CLIMATE AND AIR QUALITY. A genera description of the numerica modeing of the atmospheric chemica composition is presented. The reevant roe payed by some trace gases and aerosos on the Earth radiative budget, hydroogica cyce and air quaity are discussed. The formuation for emission, deposition, chemica reactions and transport (resoved and sub-grid scae) processes are introduced within the mass continuity equation integrated to the basic equations system for the Earth atmosphere. The numerica aspects of this formuation are as we discussed, speciay the intrinsic compexity and the high computationa costs of the chemica reactions system. Exampes are showed using resuts obtained with the CCATT- BRAMS mode, such as the sensitivity of the tropospheric ozone simuation to reiabe emission data and comparison of the CCATT-BRAMS resuts with other mode. Numerica simuations performed for the 2002 dry season aowed to study possibe biogeochemica cyces and corridors of tropospheric ozone formation, transport and deposition from precursor s emissions by biomass burning activities. We aso ooked at the atmospheric mode response to the direct effect of biomass burning aerosos on the thermodynamic equation and on the convective inhibition. Keywords: Air quaity, trace gases, aeroso, atmospheric chemistry, numerica modeing

2 Junho 2009 Revista Brasieira de Meteoroogia INTRODUÇÃO As perturbações antrópicas no sistema Terrestre têm sido inequivocamente, associadas às mudanças cimáticas observadas e ançam fundamentada preocupação quanto à sustentabiidade e vunerabiidade deste para a sociedade humana no futuro (IPCC, 2007). Dentre as perturbações antrópicas, se destacam as emissões de gases do efeito estufa, de diversos tipos de aerossóis, gases primários tóxicos e/ou precursores de gases secundários nocivos à saúde, como por exempo, o ozônio (O 3 ), e a mudança de uso e cobertura do soo. As queimadas antropogênicas, que ocorrem majoritariamente em áreas tropicais do paneta, são fontes importantes de gases do efeito estufa, aerossóis e pouentes para a atmosfera (Andreae et a., 2004, Artaxo et a., 2002, Andreae, 1991). Na América do Su, durante os meses de inverno, ocorrem centenas de mihares de focos de incêndio, principamente em ecossistemas de cerrado e foresta, estando majoritariamente associados a práticas agrícoas. Estas queimadas ocorrem primariamente nas regiões Amazônica e do Brasi Centra, porém, através do transporte atmosférico de suas emissões, produzem uma distribuição espacia de fumaça sobre uma extensa área, ao redor de 4-5 mihões de km 2, em muito superior à área onde estão concentradas (Freitas et a., 1999, 2005, 2006, 2007B). Durante a combustão de biomassa, são emitidos para a atmosfera gases, incuindo aguns de efeito estufa e precursores do ozônio troposférico, e partícuas de aerosso que interagem eficientemente com a radiação soar e afetam os processos de microfísica e dinâmica de formação de nuvens e a quaidade do ar. Os efeitos destas emissões excedem, portanto, a escaa oca e afetam regionamente a composição e propriedades físicas e químicas da atmosfera na América do Su e áreas oceânicas vizinhas, com potencia impacto em escaa goba. Em escaas regiona e goba, as emissões de queimadas ateram o baanço radiativo da atmosfera, através dos efeitos diretos das partícuas de aerossóis ao refetir e espahar a radiação soar de vota para o espaço, reduzindo a quantidade absorvida pea superfície terrestre, e ao absorver radiação soar, aquecendo a atmosfera. Jacobson (2001) sugere que o aquecimento atmosférico devido aos aerossóis do tipo back carbon poderia baancear o efeito de resfriamento associado a outros tipos (sufatos), e que a forçante radiativa direta destes pode exceder aquee associado ao CH 4. Desta forma, partícuas de aerosso, produto de processos de combustão incompeta, estariam atrás somente do CO 2 na contribuição para o aquecimento radiativo da atmosfera. Recentemente, Cox et a. (2008) apresentaram um novo aspecto do pape dos aerossóis refexivos (sufatos) sobre o cima. Ao contrabaançarem o efeito dos gases do efeito estufa, reduzem o aquecimento do Oceano Atântico e, assim, diminuem o risco de secas na Amazônia, ta qua a de 2005 (Marengo et a., 2008). O baanço de radiação e o cico hidroógico, também podem ser afetados indiretamente peas emissões de queimadas via aterações na microfísica e na dinâmica de formação de nuvens (Kaufman, 1995), em função de uma maior disponibiidade de núceos de condensação de nuvem (NCN) e geo na atmosfera, os quais promovem mudanças no espectro de gotas de nuvem (Andreae et a., 2004; Koren et a., 2004, Rosenfed, 1999) e estabiização termodinâmica (Longo et a., 2006). O aumento da concentração de partícuas de aerosso impõe a produção de gotícuas de nuvem menores e em maior número, produzindo dois efeitos: primeiro, a maior quantidade de gotícuas refete mais radiação soar de vota para o espaço (portanto resfriando a atmosfera), e, segundo, o tamanho menor será menos favoráve para a produção de chuva, pois gotícuas muito pequenas não tendem a se agutinarem para formar as grandes gotas que caem como chuva. Por outro ado, a estabiização termodinâmica imposta pea interação direta das partícuas de aerosso com a radiação soar (redução do aquecimento na baixa atmosfera por redução da radiação soar) restringe a ascensão de céuas convectivas geradas próximo à superfície e, assim, inibe a formação de nuvens. Este conjunto de fatores sugere que os efeitos das queimadas podem extrapoar a escaa oca e afetar, de maneira importante, o cico hidroógico numa escaa regiona e o padrão da redistribuição panetária de energia dos trópicos para as atitudes médias e atas. As mudanças da composição química da atmosfera reativas à quaidade do ar, também são objeto de crescente preocupação em gera. As popuações que vivem tanto nas megacidades do paneta, quanto em regiões de intensas queimadas, estão sujeitas a um crescente número de dias em que a quaidade do ar utrapassa os níveis de quaidade recomendáveis pea Organização Mundia de Saúde, e previstos na egisação ambienta de diversos países. Dentre os pouentes com maior impacto na saúde púbica, se destacam o materia particuado fino (PM2.5) e o O 3. O ozônio é atamente tóxico, impicando em efeitos na saúde humana, quando respirado, e também produz degradação de pantas presentes em regiões contaminadas. O O 3 é um pouente secundário não sendo emitido diretamente, e compõe o ro dos gases do efeito estufa mais importante. Ainda, seus precursores estão reacionados, principamente às atividades de combustão e biogênicas. Um aspecto reevante é o de que o aquecimento goba pode induzir uma situação ainda mais crítica, em termos de quaidade do ar, ao intensificar as taxas de reatividade química com o aumento das temperaturas próximas à superfície. Por outro ado, mudanças no uso da terra provocam aterações no baanço de energia, água e de momentum na

3 190 Sauo Freitas, Kara Longo, Luiz Rodrigues Voume 24(2) superfície devido às correspondentes mudanças no abedo da superfície, capacidade de evapotranspiração associada à cobertura vegeta e sua estrutura espacia. Em particuar, a substituição de áreas forestadas com sistema radicuar profundo por áreas de pastagens, impica em aumento no abedo e baixa acessibiidade a soos profundos com ato armazenamento de água. Esta mudança eva, em gera, a uma inversão na razão de Bowen, produzindo camadas imite panetárias mais secas, quentes e profundas, principamente durante a estação seca. Desta forma, mudanças no uso da terra são por si só indutoras de ateração no padrão do cico hidroógico. Certamente, estas aterações afetam também o transporte e cicos de gases traço. Outro aspecto reevante corresponde ao efeito da mudança do uso da terra nos aerossóis de poeira de soo. Com soos mais expostos e ventos mais intensos (o que se espera com a diminuição da rugosidade do terreno ao trocar forestas por pastagens) poderá haver um aumento significativo na produção e evantamento de poeira de soo com impactos também no baanço radiativo, microfísica de nuvens e cico hidroógico. Todas estas questões urgem peo desenvovimento de modeos atmosféricos, nos quais as componentes de química e aerossóis atmosféricos estejam consistentemente incuídas. Modeos numéricos com soução do transporte, química e aerossóis atmosféricos acopada à soução do estado atmosférico (on-ine) representam o estado-da-arte em modeagem acopada da atmosfera. A utiização de um sistema único de coordenadas vertica e horizonta, e das mesmas parametrizações físicas do modeo atmosférico para o transporte de eementos traço nas escaas de grade e sub-grade do modeo, faz com que o transporte atmosférico das partícuas de aerosso e gases traço seja consistente com o modeo atmosférico em si, aém de minimizar erros numéricos associados às interpoações em (x,y,z,t), inevitáveis em modeos não acopados (off-ine), e que evam a vioação da conservação de massa, dentre outros probemas. Aém disto, modeos acopados permitem a retro-aimentação do estado atmosférico com as perturbações decorrentes da presença de pouentes atmosféricos a cada passo no tempo do modeo. Esta abordagem segue a tendência gera de desenvovimentos de modeos integrados, veja, por exempo, o modeo WRF-CHEM (Weather Research and Forecasting mode, Um exempo interessante da importância da modeagem acopada em escaa cimática é dado em Andreae et a. (2005). Neste trabaho os autores chamam a atenção para o extraordinário aumento na compexidade do cenário de mudanças cimáticas a partir do reconhecimento da importância dos efeitos das partícuas de aerossóis no cima. Até recentemente, os efeitos bem conhecidos dos gases de efeito estufa eram o personagem mais atuantes nos modeos de previsão cimática. A incusão dos aerossóis, nos modeos de tempo e cima, traz novos desafios em termos de desenvovimentos de novas parametrizações que possam representar apropriadamente os diversos mecanismos através dos quais, essas interações ocorrem, gerando previsões confiáveis. Este trabaho apresenta uma breve introdução à modeagem numérica da atmosfera incorporando gases traço e aerossóis, e apesar de não constituir uma descrição do sistema de modeagem denominado Couped Aeroso and Tracer Transport mode to the Braziian deveopments on the Regiona Atmospheric Modeing System (CATT-BRAMS, Freitas et a., 2005, 2007, Longo et a., 2006, 2007), utiiza-se de diversas parametrizações e resutados deste como exempos desta modeagem. 2. FORMULAÇÃO DOS MODELOS DE QUALIDADE DO AR 2.1 Sistema de equações governantes do estado atmosférico incuindo gases e aerossóis A atmosfera é considerada um sistema macroscópico e de baixa veocidade e, portanto, regido peas eis da física cássica. No entanto, aguns processos atmosféricos, por exempo, interação da radiação com os gases e reatividade química, necessitam da mecânica quântica ou da denominada física semicássica para uma descrição precisa. O sistema de Equações 1, v 1 = v v p gk 2Ω v + F t ra ra = rav t q = v q + Qq t rn = v rn + Q t r n s[ η] = v s[ η] + Qs [ η] t juntamente com a equação de gás idea, é assumido governar a evoução da atmosfera, sendo seu estado futuro podendo ser determinado a partir do conhecimento do seu estado inicia: A primeira Equação 1.1 estabeece a evoução tempora da veocidade do fuido atmosférico ( v ) em função do gradiente de pressão (p), da força gravitaciona, da força de Coriois (referencia terrestre é não inercia) e da viscosidade, numa descrição Eueriana. Esta é a ei de movimento de Newton. A Equação 1.2 expressa matematicamente a conservação de massa, visc (1)

4 Junho 2009 Revista Brasieira de Meteoroogia 191 ou equação da continuidade, descrita em termos de densidade de massa (r a ). A Equação 1.3 é a 1ª ei da termodinâmica expressa em termos da temperatura potencia (q) com o termo Q q, representando genericamente processos diabáticos (como exempos, convergência de radiação e mudança de fase da água). A Equação 1.4 expressa matematicamente a conservação de massa de água em todas as fases existentes, denotadas peo índice n, em termos de razão de mistura de massa (r n /r a ). Qr n representa os termos fontes (evapotranspiração da superfície, mudanças de fase, etc.) e sumidouros (precipitação, mudança de fase, etc.) para as diversas formas e fases da água na atmosfera. A Equação 1.5 é a equação de continuidade de espécies gasosas e aerossóis presentes na atmosfera. Neste caso, Qs n representa matematicamente um compexo conjunto de processos químicos e físicos que atuam na produção ou perda de massa (como exempos, emissão, deposição seca e úmida, fotodissociação, reações químicas, sedimentação gravitaciona, etc.). Em escaas de tempo e numa atmosfera não pouída, geramente, apenas as Equações 1.1 a 1.4 são utiizadas para a determinação da evoução da atmosfera. Embora, de agum modo, a informação do conteúdo de aerossóis reevantes para o processo de microfísica de nuvens e a distribuição dos gases importantes para a transferência radiativa são incuídos. Porém, estes processos são tratados estaticamente, sem evoução tempora e com distribuição espacia homogênea. Em regiões com intensas fontes pouidoras, como na Amazônia e região centra do Brasi na estação de queima, o efeito dos aerossóis de queimadas se faz importante no aspecto radiativo e de microfísica de nuvens, mesmo na escaa de tempo e a Equação 1.5 precisa ser incuída na soução do sistema. Neste caso, as contribuições dos aerossóis na dinâmica da atmosfera são incorporadas nos forçantes Q q e Qr n, respectivamente. No moderno conceito de previsão ambienta, a quaidade do ar é um item tão importante quanto a previsão do tempo meteoroógico. Neste contexto, a soução da Equação 1.5 é incuída na produção operaciona dos centros de previsão de tempo e produtos gráficos com indicadores reacionados à criticidade para a saúde púbica são disponibiizados. Em probemas reais, o sistema de Equações 1 não possui soução anaítica. Isto impõe a busca de soução numérica através de aguma metodoogia de discretização (por exempo, diferenças finitas). Obviamente, a soução mais perfeita seria a forma anaítica que definiria o estado atmosférico continuamente no espaço-tempo. A discretização impõe soução em pontos específicos, distribuídos numa grade, do espaço-tempo e separa todas as escaas de movimento atmosféricos possíveis em duas famíias: resovidas e não-resovidas, dependendo dos espaçamentos da grade e intervaos de tempo de integração adotados. Aém disto, a soução passa a representar uma média estatística de cada variáve prognóstica dentro de cada céua do espaço-tempo discretizado. A decomposição de Reynods é argamente utiizada para a soução numérica do sistema de Equações 1. Neste procedimento, _ cada variáve (s) é separada em termos da média ( s ) e da futuação em torno desta (s ): s = s + s, (2) _ com o termo ( s ) representando a média de voume e no intervao de tempo considerado. Apicando o procedimento de Reynods à equação de continuidade, obtêm-se: s s s s 1 r u s r v s r w s = t x y z x y z u v w Qs r 0 I II onde o termo I representa o transporte resovido (advecção na escaa da grade) e o termo II a contribuição do transporte nãoresovido (transporte sub-grade por turbuência, convecção, etc.). O termo r 0 representa a densidade do ar no estado básico a partir da qua as futuações são cacuadas. Devido à nãoinearidade das equações, o efeito íquido dos fuxos turbuentos ( u ) é não nuo e o transporte sub-grade precisa ser incuído is da soução da Equação 3. Definir os fuxos turbuentos em termos de variáveis da escaa da grade é normamente referido como parametrização e constitui um passo necessário para a soução da Equação 3. Uma vez definidos os fuxos turbuentos, conhecendo se a reação funciona do termo forçante ( Q s ) e a condição inicia e de contorno, a Equação 3 pode, em princípio, ser resovida. No entanto, a imitação computaciona não nos permite a soução desta com todos os termos simutaneamente. Isto decorre do fato de que os termos de transporte acopa as três dimensões espaciais (nx, ny, nz) com as n espécies químicas gerando um sistema com 10 4 ou mais equações. A técnica de separação por processos (spitting operator, Lanser e Verwer, 1998) é comumente utiizada para resover cada processo independentemente e, então, agregar as mudanças resutantes de cada cácuo parcia para compor uma soução aproximada para a Equação 3. Desta forma a Equação 3 é aproximada peo sistema abaixo: s s = ui t adv i x i s 1 r 0 i = t turb r CLP 0 i xi s 1 r t... s = Qs t Q ( u s ) ( u s ) turb (3) 0 i conv = (4) conv r0 i xi

5 192 Sauo Freitas, Kara Longo, Luiz Rodrigues Voume 24(2) onde os índices adv, turb CLP e conv expressam os processos de advecção na escaa da grade, turbuência dentro da camada imite panetária (CLP) e transporte convectivo por nuvens rasas e profundas não resovidas expicitamente. Para obter a tendência tota para o prognóstico fina, cada tendência parcia é resovida separadamente. A soução fina pode ser aproximada compondo paraeamente ou seqüenciamente, este útimo na forma direta ou simétrica, as souções parciais. No caso paraeo, cada equação parcia é resovida a partir da mesma condição inicia associada ao começo do intervao de tempo da integração, isto é, todos os processos são integrados a partir do mesmo vaor inicia da razão de mistura. A soução fina é então obtida a partir da soma das souções parciais: s s s s s... = t t t turb t t adv conv Q CLP Uma vez obtida a tendência tota, a razão de mistura é atuaiza através da equação: s s ( t + D t) = s ( t) + Dt t onde Dt representa o intervao de tempo da integração. 2.2 Descrição dos termos de transporte Nesta seção, descreveremos os diversos termos de transporte envovidos na Equação 3, seguindo o exempo do modeo CATT-BRAMS. O termo de transporte I da Equação 3 é resovido numericamente por esquemas de advecção. Esquemas de advecção adequados devem conservar a massa, ser monotônicos, manter a soução positiva, ser oca, eficiente do ponto de vista numérico e não demandar excessiva informação atera para compor os gradientes necessários para a soução (o que requereria grande massa de dados trafegando pea rede em modeos paraeos com memória distribuída). No sistema CATT- BRAMS advecção de escaares é resovida com um esquema de 2ª ordem e imitadores de fuxo para manter a soução positiva (Tremback et a., 1987) (5) onde Dx i representa os espaçamentos de grade, e os fuxos F são avaiados nos pontos intermediários utiizando-se uma grade Arakawa-C. Trata-se se um esquema numericamente eficiente que necessita apenas das informações dos primeiros vizinhos. No entanto, em situação de fortes gradientes da quantidade advectada, não é estritamente positivo definido, gerando osciações vento acima. Nestes casos, o esquema também apresenta significativa difusão numérica. Para estes esquemas, é necessária a incusão de fitros que eiminem concentrações negativas, pois estas, mesmos pequenas, podem evar à instabiização numérica nos esquemas de reatividade química. Para cacuar o transporte na escaa da sub-grade associado à difusão dentro da CLP, é necessária a determinação dos fuxos turbuentos u is. Uma parametrização usua, denominada teoria K (veja, por exempo, Stu, 1988), reaciona os fuxos turbuentos ao gradiente da quantidade média transportada por meio de um coeficiente de difusividade (K) = s uis Kh i x i Os coeficientes de difusividade são especificados em função das características da circuação (por exempo, cisahamento do vento, estabiidade termodinâmica, escaas de comprimento). Para iustrar os diversos processos de transporte, resutados de diversas simuações numéricas reais executadas previamente serão utiizados. A Figura 1 apresenta o cico diurno da mistura turbuenta, através de uma simuação numérica sobre a região Amazônica. O paine A apresenta a evoução tempora do coeficiente de difusividade vertica. Durante uma situação convectiva, o coeficiente se intensifica ao ongo do dia e a CLP se aprofunda verticamente. Isto é caramente visto no paine (B), com o termo de transporte removendo massa de baixos níveis para níveis mais atos. A razão de mistura do traçador diminui ao ongo do dia (paine C), na ausência de emissão, tendendo a um perfi vertica homogêneo, característica de uma camada bem misturada. O transporte de pouentes da CLP para a troposfera ivre por nuvens precipitantes ou não, constitui um importante mecanismo que afeta a composição química da troposfera e os (7) ( r0 ) ( r0 ) ) ( r0 ) ( r0 ) ( ) ( ) a j + 1/ 2 ( ) s 1 u F F s u u x r Dx com i j+ 1/ 2 j 1/ 2 j i j+ 1/ 2 i j 1/ 2 i adv 0 i j Dx a a F s s s s u Dt i j+ 1/ 2 = j + j+ 1 + j j+ 1, = i Dt Dx i (6)

6 Junho 2009 Revista Brasieira de Meteoroogia 193 Figura 1 - Cico diurno da mistura turbuenta descrita através da simuação numérica do coeficiente de difusividade vertica (A), do termo de transporte turbuento (B) e da razão de mistura do traçador (C). cicos biogeoquímicos. A simuação numérica da pouição do ar em escaa regiona ou goba impõe o uso de modeos com baixa resoução horizonta espacia (Dx > 10 km) e depende, assim, da parametrização de cumuus para a representação, na escaa da grade, de processos convectivos úmidos não resovidos expicitamente. Desta forma, o transporte e deposição úmida de gases e aerossóis por estes sistemas na escaa da sub-grade, precisam também ser parametrizados e incuídos na equação de continuidade. O ponto de partida para a parametrização é o reconhecimento de que, para os processos em questão, apenas o termo vertica é reevante: s t conv 1 r 0 r0 w s z e o probema se torna em como estimar os fuxos turbuentos em w s função de propriedades da escaa da grade. Utiizando o formaismo de fuxo de massa, a decomposição nuvem-ambiente e a aproximação de que os processos convectivos ocupam uma pequena área em reação ao ambiente, é possíve escrever a seguinte reação para o fuxo turbuento (Arakawa e Schubert, 1974, Gre, 1993) (8) c c c ( ) w s = m s s m = rs w c onde m c é denominado fuxo de massa, r é a densidade do ar, c s a fração de área ativa dos cumuus, w a veocidade vertica c dentro da nuvem, s e s as razões de mistura do traçador dentro da nuvem e no ambiente, respectivamente. A generaização deste resutado para incuir todos os tipos de nuvens com correntes ascendentes (updrafts, u) e descendentes (downdrafts, d), eva à seguinte equação (Arakawa e Schubert, 1974) w s = ( s s ) η (, z) m (, z ) d u u u b, u ( s s ) η (, z) m (, z ) d d d d b, d (9) (10) onde η u corresponde ao fuxo de massa normaizado da, d corrente ascendente (u)/descendente (d) da nuvem e m u ao, d fuxo de massa na base da nuvem (u) ou no níve onde a corrente descendente inicia (d). A variáve representa o espectro de nuvens presente na grade do modeo e reevante

7 194 Sauo Freitas, Kara Longo, Luiz Rodrigues Voume 24(2) para o probema. Normamente, as parametrizações de cumuus consideram apenas dois tipos de nuvens no espectro (rasas não-precipitantes e profundas precipitantes), que são tratadas de forma independente. Estabeecendo hipóteses de como o ar ambiente entranha na nuvem e como o ar dentro da nuvem desentranha no ambiente e impondo a conservação de massa no sistema nuvem-ambiente, é possíve escrever a seguinte equação para o transporte na sub-grade de traçadores por convecção profunda e rasa, respectivamente: s mu, dp ( z ) b s d uη u ( su s ) d dεηd ( sd s ) η = + + t deep r 0 conv up down z env s mu, sh( z ) b s d uη u ( su s ) η = + t sh r (11) 0 conv up z env onde d u,d expressa a taxa de desentranhamento de massa da nuvem no ambiente das correntes ascendentes (u) e descendentes (d), e o termo denotado por env representa o transporte do traçador no ambiente pea subsidência compensatória deste. O modeo de nuvens adotado pea parametrização determina a estrutura vertica do transporte. Contudo, a magnitude do transporte é determinada peo fuxo de massa na base de nuvens (m u,dp/sh ), o qua é, por sua vez, obtido pea hipótese de fechamento (por exempo, quase-equiíbrio) assumida pea parametrização convectiva. Note que o transporte por correntes descendentes, não é normamente considerado no caso de cumuus rasos não precipitantes. Para iustrar a simuação do transporte por convecção profunda, a Figura 2A apresenta um perfi vertica de razão de mistura de CO desde a CLP até a ata troposfera. Trata-se de uma simuação rea para as 2100 UTC do dia 24/09/2002, e o perfi foi tomado ao ongo da atitude 10 S. O CO simuado é decorrente de emissões de queimadas bastante freqüentes nesta época do ano sobre a região Norte do Brasi, e se concentra entre as ongitudes 70 W e 50 W. Dentro dos primeiros 2 km de atura, CO é reativamente bem misturado com concentrações variando entre 500 e 1000 ppb, dependendo da proximidade de fontes. Na ata troposfera, como resutado do transporte convectivo, há um enriquecimento de CO da ordem 4 a 6 vezes o vaor do ambiente. A camada enriquecida, neste caso, situa-se entre 9 km e 13 km de atura, região típica de desentranhamento de sistemas profundos. Desta forma, emissões de gases do efeito estufa e outros pouentes tóxicos, são injetados na ata troposfera e transportados rapidamente para ongas distâncias das fontes peos ventos intensos presentes. Este transporte é iustrado na Figura 2B, onde aparece a puma de CO em 11,5 km e as inhas de corrente da circuação sobre a América do Su. A Figura 3 apresenta resutados simiares para a convecção rasa. No paine (A) é mostrada a simuação numérica do transporte de CO, proveniente de queimadas da CLP para a baixa troposfera por sistemas convectivos rasos. No paine (B) Figura 2 - (A) Exempo do transporte vertica de gases traço por convecção profunda. (B) transporte horizonta em 11.5 km de CO introduzido neste níve por sistemas convectivos em Rondônia.

8 Junho 2009 Revista Brasieira de Meteoroogia 195 apresenta-se uma combinação de dois campos: as isoinhas em preto são os fuxos de massa na base das nuvens rasas utiizado aqui para demarcar a ocorrência espacia destas; sombreado em cores denota a razão de mistura de CO ao níve de 3300 m acima da superfície, atura típica da região de desentranhamento de massa transportada por estes sistemas convectivos. O paine (A) apresenta o perfi vertica ao ongo da ongitude 65 W simuado para as 1800 UTC do dia 03/09/2003. Entre as atitudes 17 S e 14 S, o transporte vertica decorre somente da turbuência na CLP. Ao norte de 14 S, cumuus rasos são simuados e atuam sobre a CLP pouída transportando CO para a baixa troposfera, conforme mostrado neste paine. Observa-se também no paine (B), CO sendo transportado para o Su pea circuação regiona presente na baixa troposfera. 2.3 Descrição dos termos forçantes Q s O termo representa processos físicos e/ou químicos não descritos em termos de transporte tais como emissão, deposição seca e úmida, reatividade química e de microfísica de aerossóis que, no entanto, modificam ocamente a razão de mistura do traçador. Importantes processos de emissão de pouentes para a atmosfera incuem queimadas (naturais ou antrópicas), outras formas de combustão (transporte, industria, produção de carvão, etc.) e processos biogênicos. Em queimadas, a principa emissão acontece na forma de CO 2, produzido principamente na fase de chamas. As emissões deste composto representam em média cerca de 80% a 85% da massa tota de carbono queimado, podendo, no entanto, variar de 50% a 99%. A emissão de carbono na forma de CO representa em média 7%, podendo variar entre 2% a 15%. Em terceiro ugar, aparecem os hidrocarbonetos com médias em torno de 2% a 3%, com CH 4 representando cerca de 0,5%. Outros gases emitidos incuem o N 2 O e NO x e também materia particuado. Uma característica reevante das emissões de queimadas é o forte empuxo inicia associado às atas temperaturas dos gases emitidos. Isto impõe uma forte aceeração inicia, que injeta parte da emissão diretamente na CLP, troposfera ivre ou mesmo na estratosfera (FROMM et a., 2000). A determinação da atura fina de injeção constitui uma informação crucia e depende, principamente, da estabiidade termodinâmica da atmosfera, do vento horizonta e da quantidade de energia térmica iberada pea combustão. Chatfied and Deany (1990) e Poppe et a. (1998) demonstraram que devido à não-inearidade da produção de ozônio, sua taxa de formação é infuenciada pea diuição e transporte atmosféricos. Assim, uma descrição correta da atura de injeção de emissões quentes é necessária para a simuação da reatividade química e transporte subseqüente. Na ausência deste mecanismo, as emissões pirogênicas são freqüentemente iberadas na superfície do modeo, ou verticamente distribuídas em uma forma arbitrária (Turquety et a., 2007), ou usando aguma reação empírica entre a atura de injeção e a intensidade do fogo (Lavoué et a., 2000). Freitas et a. (2007) apresentaram uma metodoogia baseada no uso de um modeo de nuvens 1D embebido no modeo de transporte 3D. Nesta técnica, é possíve estimar a camada de injeção partindo das informações de fuxo de caor, tamanho do fogo e do ambiente onde este está ocorrendo. Após cessarem as chamas, uma fase mais fria, com brasas e de menor eficiência de combustão, persiste, emitindo gases e aerossóis que são iberados proximamente à superfície e são misturados dentro da CLP pea turbuência. Emissões urbanas, industriais, veicuares e biogênicas são normamente mais frias, sendo ançadas próximas à superfície Figura 3 - (A) Simuação numérica do transporte de CO da camada imite panetária para a baixa troposfera por sistemas convectivos rasos, descritos peas isoinhas de fuxos de massa (em preto) na figura (B).

9 196 Sauo Freitas, Kara Longo, Luiz Rodrigues Voume 24(2) dentro da CLP transportadas verticamente pea turbuência presente. Existem diversos inventários destas emissões em várias escaas espaciais e temporais. O programa REanaysis of the TROpospheric chemica composition (RETRO, retro.enes.org), constitui um exceente exempo do esforço internaciona para a geração de inventários de emissão de diversas espécies químicas reevantes para a atmosfera e quaidade do ar. Trata-se de um inventário goba (resoução de 0,5 grau) com totais mensais de massa de CO 2, CO, NO X, CH 4, e compostos orgânicos voáteis emitida por ponto de grade. Estimativas de emissões biogênicas podem ser obtidas a partir do programa Goba Emissions Inventory Activities (GEIA, embora emissões interativas, on-ine, com modeo atmosférico, produzidas por sistemas como o Mode of Emissions of Gases and Aerosos from Nature (MEGAN, Guenther et a., 1999) possam ser mais representativas para uso em modeos regionais e na escaa de tempo. Para emissões com empuxo desprezíve em reação ao ambiente, o termo de emissão E η de uma espécie química η pode ser definido como uma emissão na superfície da seguinte forma: E η Fη r ( t ), k = 1 = r0dz1 0, k > 1 (12) onde F η representa o fuxo de massa (em kg[η] m -2 ) tota emitido diariamente dentro do voume de grade, Dz 1 a espessura vertica da primeira céua de grade do modeo e r(t) uma função normaizada a 1, que representa o cico diurno da emissão. Normamente, esta função é descrita como uma Gaussiana dupa para as emissões urbanas, com picos no início da manhã e fim de tarde, representando os horários de trânsito mais intenso de veícuos automotores nas cidades. Emissões por aeronaves requerem tratamento diferenciado para a emissão vertica, sendo a atitude de cruzeiro uma informação necessária para definição correta da camada de injeção dos pouentes emitidos. Queimadas também necessitam de tratamento diferenciado, pois os traçadores emitidos durante a fase das chamas podem ter empuxo inicia suficiente para serem transportados diretamente acima da superfície, conforme descrito anteriormente. Neste caso, primeiramente a fração de massa emitida na fase das chamas () é estimada. Com o uso de um modeo de evantamento de pumas, a atura h da injeção e a espessura da camada de injeção (Dz h ) são estimadas (veja Figura 4 para uma iustração do processo), sendo possíve definir o termo de emissão com dependência da coordenada vertica do modeo (Equação 13). E η = ( 1 ) Fη r ( t ), k = 1 r0dz1 Fη Dzh Dzh r( t), h < z( k) < h + r0dzh 2 2 (13) Neste caso, a função r(t) representa o cico diurno da emissão por queimadas sendo representado por uma Gaussiana simpes com máximo em torno do meio da tarde, horário de pico da ocorrência de focos de queimadas na América do Su (Prins et a., 1998). A estimativa do fuxo de emissão F η associado às queimadas pode ser obtida a partir da reação (Freitas et a., 2005, Longo et a., 2007) η aveg. b.. i veg Εf a i vegi i i Fη =, i DxDy DxDy (14) onde a vegi é a quantidade de biomassa seca acima do soo na posição do fogo i, b vegi a fração de biomassa efetivamente consumida, Εf η o fator de emissão que expressa a quantidade de veg i massa do gás η emitido por unidade de biomassa seca consumida e a i a área queimada peo fogo i. O termo DxDy representa a área da céua do modeo e a soma é efetuada sobre todos os focos de queimada que estão dentro de cada céua. Para áreas de foresta tropica, números típicos para a vegi e b vegi são 30 e 0.5 kg m -2, respectivamente. Como exempo, para uma queimada de 10 ha, a quantidade de CO emitida, utiizando um fator de emissão da ordem de 100 g kg -1, é em torno de 150 ton, o que é suficiente para eevar em 2-3 ordens de grandeza a razão de mistura ocamente. A estimativa dada pea Equação (14) apresenta um significativo grau de incerteza associada, principamente, à área queimada. Fatores de emissão para diversos tipos de bioma são descritos em vários trabahos (por exempo, Andreae e Meret, 2001), porém, simiarmente ao fator combustão, apresentam uma significativa dependência com o grau de umidade presente na vegetação. Quanto maior o conteúdo de água na biomassa, Figura 4 - Iustração do processo de pume rise de emissões de queimadas com definição da atura e camada de injeção.

10 Junho 2009 Revista Brasieira de Meteoroogia 197 mais energia é aocada no processo de evaporação desta, reduzindo a temperatura da combustão e aumentado a proporção de compostos incompetamente oxidados emitidos. O estado-da-arte da estimativa do conteúdo de biomassa em regiões de foresta tropica e cerrado da América do Su, é dado em Saatchi et a. (2007). Neste estudo, os autores utiizaram dados de sensoriamento remoto vaidados com medidas de campos e geraram uma base de dados de densidade de biomassa (kg m -2 ) com 1 km de resoução espacia. A Figura 5 apresenta estimativas de emissão de monóxido de carbono de origem antrópica (urbano, industria e transporte), por queimadas e por processos naturais biogênicos para setembro de Dados em resoução espacia de 50 x 50 km 2, em umidades 10-6 kg[co] m -2 e, no caso de queimadas, utiizou-se focos obtidos por sensoriamento remoto para o dia 21 do referido mês. A estimativa de emissões, utiizando a energia radiativa do fogo obtida por sensores a bordo de satéites (Ichoku e Kauffamnn, 2005, Pereira, 2008), constitui uma técnica recente e promissora, embora também sujeita a grandes incertezas, principamente na taxa de conversão de energia radiativa para fuxo de materia particuado ou de CO 2. A atmosfera é composta de diversos gases que possuem a propriedade de reagirem por processos cinéticos e/ou por fotodissociação, formando espécies secundárias. Em processos cinéticos, a coisão entre moécuas é uma condição necessária para a reação. Aém disto, estas devem ter energia suficiente para quebrar as igações químicas. A fotodissociação é o processo no qua a interação de fótons com moécuas pode evá-as a um estado excitado que, na seqüência, as dissocia, dando origem a outras espécies. Porém, a dissociação não constitui o único processo possíve, pois a moécua pode simpesmente re-emitir a energia do fóton e votar para o estado fundamenta ou pode coidir com o meio e iberar a energia extra recebida. A ionização da moécua, também é outro processo possíve de ocorrer numa reação fotoquímica. As taxas de reação química determinam se uma espécie é formada ou destruída nos processos de reação, e as reações são normamente cassificadas em ordens em função do número de moécuas envovidas. Um exempo de reação de primeira ordem (uni-moecuar) seria a reação de fotóise: A + hυ B, onde a moécua A, ao absorver um fóton (de energia hυ ) se dissocia, dando origem à moécua B. Matematicamente, a expressão para o baanço de massa é dada peo sistema de equações diferenciais dr dt dr dt A B = jr destruição de A A = + jr produção de B A (14) onde r é a concentração das espécies, expressa normamente em moec cm -3, e j a taxa de fotóise (s -1 ). As taxas de fotóise, quantitativamente definidas como as freqüências de reações de fotóise, são obtidas através do uso da equação de transferência radiativa. As taxas de reação cinéticas são expressas numa forma que incui a freqüência de coisão entre moécuas e a fração Figura 5 - Estimativas de emissão de monóxido de carbono de origem antrópica (urbano, industria e transporte), por queimadas e por processos naturais biogênicos para setembro de Dados em 50 x 50 km 2, em 10-6 kg m -2 e no caso de queimadas utiizou-se focos obtidos por sensoriamento remoto para o dia 21.

11 198 Sauo Freitas, Kara Longo, Luiz Rodrigues Voume 24(2) destas, que excedem a energia requerida para a quebra de igações químicas. Assim, são normamente dependentes da temperatura e da pressão atmosféricas. Um exempo de reação de segunda ordem é dado abaixo, onde as moécuas A e B reagem cineticamente, dando origem às moécuas C e D A + B C + D, com taxa de reação dada por k s r a r b e k s = f (T,p), sendo o coeficiente de reação dependente da temperatura (T) e pressão (p). Neste exempo, o baanço de massa é dado por: dr dt dr dt A C dr B = = ksr Ar B, dt dr D = = + ksr Ar B, dt destruição de A e B produção de C e D (15) A formação do ozônio (O 3 ) na troposfera constitui um importante exempo da reatividade química com impacto na pouição do ar. O ozônio é atamente tóxico, impicando em efeitos na saúde humana quando respirado e também produz degradação de pantas presentes em regiões contaminadas. Em termos de baanço radiativo, ee absorve radiação utravioeta nociva a seres vivos e absorve também no infra-vermeho, sendo portanto um dos gases do efeito estufa. No reatório do IPCC de 2007, o O 3 é o terceiro componente da forçante radiativa com vaor médio estimado em +0,35 W m -2. Em termos gerais, as condições propícias para formação de O 3 requerem presença de óxidos nitrosos (NO x =NO+NO 2 ), compostos orgânicos voáteis (COV) e radiação soar ( λ < 420 nm). A interação destes três componentes inicia uma compexa cadeia de reações que dá origem à formação de O 3. O sistema de reações químicas (16) apresenta uma simpificação deste processo. NO x são tipicamente emitidos em processos de combustão (queimadas, motores automotivos, etc), enquanto que os COV são emitidos, como exempo, por evaporação de soventes e atividades biogênicas. Em gera, na ausência de COV, não há uma produção íquida de O 3 com somente NO X e radiação soar, isto é, considerando somente as reações 3, 4 e 5. No entanto, na presença de COV inicia-se uma série de reações extras que terminam numa produção íquida de NO 2 e consumo de NO (reação 2) impicando em um desbaanço que favorece a formação de O 3. A incusão da reatividade química constitui uma das tarefas mais difíceis em modeagem numérica da pouição do ar. O termo de reatividade química é expresso peo seguinte sistema de equações diferenciais não-ineares acopadas: rk drk = Pk ( r) - Lk ( r), k = 1, N t chem dt r = { r1, r2,..., r N} com a condição inicia: r( t0 ) = { r1( t0 ), r2( t0 ),..., r N ( t0 )} (17) onde r k representa a densidade número da espécie k (moec/ cm 3 ), N representa o número de espécies químicas reagentes, P k corresponde à produção íquida da espécie k e L k ao termo íquido de perda de k. Peo fato das taxas de reações químicas, ocorrendo na atmosfera variarem em diversas ordens de grandezas, o sistema de Equações 17 é descrito como um sistema stiff (rígido) exigindo métodos impícitos para soução numérica não proibitiva. Aém disto, mecanismos químicos competos para a fase gasosa e adequados para a troposfera em escaa regiona, como, por exempo, o Regiona Atmospheric Chemistry Mechanism (RACM, Stockwe et a., 1997), possuem da ordem de 70 espécies reagindo através de 230 reações cinéticas ou por fotóise. Isto impica no ato custo computaciona envovido na soução de (Equações 17), sendo de onge o processo mais dispendioso, em termos computacionais, na soução da equação de continuidade (Equação 3). Dentro das diversas técnicas de soução numérica impícita de (Equações 17), se destaca o método de Rosenbrock (Hairer e Wanner, 1991). O método de Rosenbrock é um método impícito de mútipos estágios que permite a troca da soução de um sistema de equações diferenciais não ineares (Equações 17) por um sistema inear agébrico em termos de incrementos K i, sendo a soução dada por: s r( t0 + t ) = r( t0) + bik i= 1, (18) onde s é o número tota de estágios, b i são constantes numéricas dependentes de s e t o passo de integração no tempo. Os incrementos K i são obtidos seqüenciamente através da soução do sistema inear agébrico dado por: i fotóise * (1) COV COV (radicais ivres) cinética * ** (2) COV + NO NO 2+ COV (3) NO + O3 NO 2+ O2 (4) NO 2+ hυ NO + O ( < 420 nm) (5) O + O 2+ M O 3+ M (formação íquida de O 3) (16) (19)

12 Junho 2009 Revista Brasieira de Meteoroogia 199 onde i=1, s, a ij e y ij são constantes dependentes do número de estágios s, r i é uma soução intermediária utiizada para recacuar a produção íquida no estágio i dada peo termo F( r i ) e J a matriz Jacobiano da produção íquida no tempo t0. A maior parte do esforço computaciona envove a soução do sistema inear descrito na primeira equação de (19). O sistema inear a ser resovido é da forma: Ax = b (20) onde A é uma matriz N x N, x é o vetor soução e b é o vetor de termos independentes. Porém, duas características reevantes deste sistema podem ser utiizadas para aceerar o processamento. Uma deas é a que o Jacobiano é extremamente esparso, tipicamente 10 % dos eementos são não nuos. A segunda é a de que a estrutura da matriz é invariáve no tempo e espaço. Isto permite o conhecimento e mapeamento prévio dos eementos não nuos sobre os quais deverão ser reaizadas as operações matriciais. Para a soução do sistema de Equações 20 pode, por exempo, utiizar o método desenvovido por Kundert e Sangiovanni-Vincentei (1986, 1988). Neste método, tomando como referência as posições fixas onde ocorrem as reações químicas, se perfaz uma fatoração LU e resove o sistema de matrizes trabahando com ponteiros de memória. O método trabaha sobre três matrizes originárias da matriz a ser resovida: uma matriz diagona, uma trianguar inferior e outra trianguar superior: A = D + L + U com a soução dada por: ( k 1 ) 1 ( ) ( k) + x = D L + U x + b, k = 1, 2,.. (21) (22) Os eementos da matriz são aocados de forma dinâmica uma única vez e eiminam-se as iterações desnecessárias. Um índice de ponteiros é previamente criado a fim de reacionar a seqüência das posições aocadas, na memória com sua posição origina na matriz. A ordem de fatoração das inhas e counas de uma matriz é de extrema importância afetando diretamente o tempo e a precisão do resutado. O método resove a matriz em duas partes, decomposição (ou fatoração) e o integrador utiiza o método de substituição forward-backward. A deposição seca e a úmida constituem importantes sumidouros de gases e particuados da atmosfera. Deposição seca de gases e partícuas constitui no transporte destes materiais da atmosfera para superfícies, sendo os principais fatores controando este processo a turbuência atmosférica, as propriedades químicas das espécies e a natureza da superfície receptora. O fuxo de deposição f dd de materia para superfície é geramente descrito pea Equação 23 f, (23) onde v d é denominada veocidade de deposição (m/s) e a razão de mistura da espécie em aguma atura de referência (tipicamente 2 metros acima da superfície). Uma vez estimado o fuxo de deposição, o termo sumidouro correspondente na Equação 3, pode ser cacuado por: R dd s fdd = = t Dz dep. seca 1 (24) onde Dz 1 se refere à espessura da primeira camada vertica do modeo. Parametrizar o processo de deposição seca em termos da veocidade de deposição constitui a tarefa difíci neste tema, uma vez que toda uma série de compexos processos físicos e químicos é expressa em apenas um termo. O termo v d para deposição gasosa é, normamente, expresso na forma de um conjunto em série de resistências (anáogo a circuitos eétricos), que representam os diversos mecanismos de transporte e processos de superfície envovidos: v d = v s dd d z ref 1 = R + R + R a b c (25) onde os termos R a R b e R c constituem a resistência aerodinâmica dentro da camada superficia da CLP, a resistência à difusão moecuar dentro da camada quase-aminar adjacente à superfície e a resistência superficia associada ao processo de absorção ou adsorção pea superfície, respectivamente. A resistência aerodinâmica é determinada, principamente, pea turbuência que transporta materia da atmosfera em direção à superfície. Desta forma, esta é determinada em termos da estabiidade atmosférica próxima à superfície e da rugosidade desta, em função de propriedades termodinâmicas e do vento através de teoria de simiaridade. Dentro da fina camada quase-aminar adjacente à superfície, o transporte de gases ocorre por difusão moecuar e, desta forma, a resistência depende da difusividade moecuar do gás. A resistência superficia é a mais compexa de ser estimada sendo fortemente dependente das características da superfície e químicas da espécie sendo depositada. Vaores típicos da veocidade de deposição para o O3, por exempo, são 0.4 e 0.07 cm/s sobre continente e oceano, respectivamente. Devido à ação gravitaciona, partícuas suficientemente pesadas não se movem verticamente com a mesma veocidade das massas de ar, ao contrário dos gases. Estas rapidamente entram num regime de equiíbrio entre as forças gravitaciona e de arraste associada à resistência do ar, com uma veocidade termina dada por, considerando a atmosfera em repouso, 2 2r ( r p rar ) g vsed = Gi (26) 9η ar s zref

13 200 Sauo Freitas, Kara Longo, Luiz Rodrigues Voume 24(2) onde r é o raio da partícua, r p, r ar constituem a densidade da partícua e do ar, respectivamente, g é aceeração gravitaciona, η ar é a viscosidade dinâmica do ar (dependente da temperatura) e G i é um fator para corrigir desvios do regime de Stokes, no qua o raio da partícua é muito maior que o ivre caminho médio do ar. A Equação 26 é uma aproximação váida para regimes de baixo número de Reynods (< 10-2, Pruppacher e Kett, 1997). No caso de partícuas com veocidade de sedimentação não desprezíve, o termo de advecção vertica utiiza uma veocidade vertica efetiva dada por w ef = w v ar sed (27) onde w ar representa a veocidade vertica das massas de ar. Sedimentação gravitaciona constitui um caminho adiciona, paraeo, para o processo de deposição seca de partícuas e, neste caso, a veocidade de deposição é, normamente, dada por v dd, part 1 = + v R + R + R R v a b a b sed (28) onde todos os termos já foram definidos previamente. O processo de deposição úmida acontece quando o materia em questão está embebido dentro de uma porção de água condensada em precipitação; removendo-se, assim, este materia da atmosfera e depositando-o sobre a superfície abaixo. Para gases, assume-se um estado de equiíbrio entre as fases gasosa e aquosa dada pea ei de Henry: r = k r r fase H w fase aquosa gasosa (29) onde k H é a soubiidade da espécie a uma dada temperatura, e r w a razão de mistura de água de chuva ou geo. A taxa de deposição úmida para uma dada camada de espessura Dz é proporcionamente dada por: s t dep úmida khrw s Dz fase gasosa (30) onde s fase se refere à razão de mistura da espécie na fase gasosa gasosa dentro da porção da nuvem em precipitação, e p r a taxa de precipitação. Os termos r tw e p r podem ser obtidos a partir das parametrizações de microfísica e de cumuus do modeo atmosférico. 2.4 Transferência radiativa, taxas de aquecimento e de fotóise A radiação soar é a energia que governa os processos físicos e químicos na atmosfera terrestre. Ao ser transmitida p r sed através da atmosfera ea interage com seus constituintes e aquece a superfície do paneta. Em resposta a este aquecimento, a superfície terrestre emite radiação no infravermeho, a qua é absorvida peo vapor d água e outros gases do efeito estufa. A soução da equação de transferência radiativa em modeos atmosféricos tem como objetivo o cácuo das taxas de aquecimento, sado de radiação na superfície e, no caso de modeos que incuem a reatividade química, de taxas de fotóise. Em modeos atmosféricos é usua a utiização de uma famíia de métodos numéricos comumente denominados por Dois Fuxos (em ingês Two-Stream) para a soução da equação de transferência radiativa, considerando uma camada homogênea [Meador e Weaver, 1980]. Esta equação, em termos da radiância I, pode ser escrita como: di ( t, m) m = I ( t, m) J ( t, m) dt J ( t, m, m ) B ( t, T ) (31) onde t é a espessura ótica, m é cosseno do ânguo zenita, m 0 é cosseno do ânguo zenita soar e T é a temperatura oca. Os termos J, J 0 e B 0 representam a função de espahamento para a radiação difusa, a função fonte para a radiação soar espahada e a função fonte para a radiação de onda onga emitida, respectivamente, e são dados por: w 1 0 J ( t, m) = I(, ) P (, ) d 2 t 1 m m m m (32) w0 t J0 ( t, m, m0 ) = P ( m, m0 ) Fs exp( ) 4π m B ( t, T ) = ( 1 w ) B [ T ] 0 0 (33) (34) A casse de souções Dois Fuxos consiste basicamente na divisão da radiância em duas componentes, a ascendente (+) e descendente (-), cada uma deas representada por termos de retro espahamento e espahamento fronta nas funções de fase P da função de espahamento na Equação 32. Existem na iteratura diversos métodos numéricos propostos para a soução da equação de transferência radiativa a partir da premissa de Dois Fuxos, e a escoha do mesmo é sempre um compromisso entre a acurácia desejada, em função do probema a ser resovido, e a capacidade computaciona disponíve (Toon et a., 1989). Aém disso, os diversos modeos de transferência radiativa diferem entre si em função do tratamento adotado para os processos de absorção de gases, aerossóis e gotas de nuvens. A extinção tota e fração devido ao espahamento, denominada abedo simpes de espahamento (w 0 ) devem incuir a contribuição de gases, aerossóis e gotas de nuvem. 0

14 Junho 2009 Revista Brasieira de Meteoroogia 201 Em modeos atmosféricos acopados destinados a estudos de pouição do ar, souções acuradas para os processos de absorção e espahamento de gases, aerossóis e nuvens são atamente desejáveis porque podem, dependendo das suas concentrações na atmosfera e propriedades óticas, representarem variações importantes no cácuo das taxas de aquecimento atmosférico e, portanto, erros consideráveis no cácuo da temperatura: T 1 dqsoar dqir 1 F = + = t c dt dt c z rad p, m p, m (35) onde F (W/m 2 ) é o fuxo radiativo íquido, somado sobre todos os comprimentos de onda e Q soar e Q ir são as taxas de aquecimento soar e infravermeho (J/kg). Aém disso, as taxas de fotóise, usadas na Equação 14, também dependem dentre outras, das condições de nebuosidade e carga de aerossóis na atmosfera e suas propriedades óticas, por afetarem a disponibiidade de fótons. A taxa de fotóise para uma determinada espécie química A é cacuada partindo da quantidade de fótons (por comprimento de onda λ) disponíveis numa dada seção da atmosfera (o fuxo acitínico, F λ ), do coeficiente de absorção da moécua A (s A,λ) (que fornece a probabiidade de absorção de fótons de dado λ pea moécua), da probabiidade de uma absorção em λ ser seguida de uma dissociação (o quantum yied da reação, f A,λ) e, integrando o produto destas três quantidades em todo o espectro λ, ou seja: j A = s f F d A (36) Em condições extremas de pouição, como é freqüente na Amazônia e Brasi Centra durante a estação de queimadas, a consideração da presença de aerosso pode chegar a representar uma atenuação de 10%-20% na radiação soar instantânea na superfície terrestre. Modeos atmosféricos que incuem este efeito respondem com modificações significativas nos perfis de temperatura, umidade reativa e baanços de caor sensíve e caor atente. As taxas de fotóise cacuadas, por sua vez, podem variar em até 70%, em função da consideração do efeito radiativo do aerosso, e representar uma superestimativa do ozônio troposférico que pode chegar a 300% (Abuquerque et a., 2006). Assim, a incusão adequada e consistente dos processos de espahamento e absorção dos diversos constituintes atmosféricos, através do acopamento do esquema de radiação com as parametrizações de microfísica de nuvens e de aerossóis é necessária. Neste trabaho, não se tratou de processos de microfísica de aerossóis, por exempo, coaguação e de reatividade em meios com mútipas fases de água que evam a termos adicionais na equação da continuidade (Equação 3). 3. RESULTADOS COM O SISTEMA CATT- BRAMS O Centro de Previsão de Tempo e Estudos Cimáticos (INPE/CPTEC) tem avançado na direção do desenvovimento de modeos acopados com aerossóis e traçadores, como o sistema Couped Aeroso and Tracers Transport mode to the Braziian deveopments on the Regiona Atmospheric Modeing System (CATT-BRAMS, Freitas et a., 2005, 2006, 2007A, B, Longo et a., 2006, 2007) e, recentemente, com reatividade química (CATT-Chemistry, Longo et a., 2009, em preparação). Tratase de um modeo numérico de emissão, transporte e deposição de aerossóis e traçadores atmosféricos acopado ao modeo BRAMS ( e com o efeito radiativo de aerossóis de queimadas. O CATT é um modeo on-ine 3D Eueriano, que prognostica a concentração de contaminantes atmosféricos de forma simutânea e totamente consistente com o estado atmosférico simuado peo BRAMS. A Figura 6 iustra os principais processos envovidos na emissão, transporte e deposição de gases e aerossóis e que são simuados peo sistema Figura 6 - Diagrama descrevendo os principais processos sub-grade reevantes para modeagem da pouição do ar e incuídos no sistema CATT- BRAMS.

15 202 Sauo Freitas, Kara Longo, Luiz Rodrigues Voume 24(2) CATT-BRAMS. Este sistema de modeagem foi vaidado utiizando dados observacionais em superfície e na baixa troposfera (medidas em avião instrumentado) e dados obtidos por sensores remotos durante a estação seca de 2002 (Freitas et a., 2007A, B e Longo et a., 2007). Os resutados demonstraram que o modeo possui emissão e deposição reaísticas, e dinâmica robusta (não somente no que diz respeito à advecção na escaa da grade, mas também aos processos convectivos de transporte em escaa de sub-grade, difusão na CLP e mecanismo de pume rise de emissões quentes) para gases reativamente inertes, como o CO, e para aerossóis de queimadas PM2.5. O sistema CATT-BRAMS tem sido utiizado operacionamente no CPTEC para a previsão de quaidade do ar para monóxido de carbono e materia particuado desde 2003 (veja meioambiente.cptec.inpe.br). Um exempo do desempenho deste sistema pode ser visuaizado na Figura 7. Em abri de 2008, agricutores argentinos reaizaram diversas queimadas para conversão de forestas em pastagem, produzindo enorme puma de fumaça (Figura 7B, imagem do MODIS do dia 17/04/2008) que atingiu Buenos Aires degradando a quaidade do ar oca (Figura 7C) e a visibiidade. A Figura 7A mostra a previsão em tempo rea (iniciada às 00UTC 16/04/2008) para as 03UTC 17/04/2008 da puma de fumaça invadindo a região de Buenos Aires produzida peo CATT-BRAMS, demonstrando a capacidade do sistema em capturar, a partir de produto de sensoriamento remoto de fogo, as emissões, reaizar o transporte e prever concentrações de CO e PM2.5. Aguns resutados recentes com reatividade química são mostrados e discutidos a seguir nesta seção. Uma simuação numérica para a estação seca da Amazônia de 2002 foi reaizada com uma grade com 50 km de espaçamento de grade horizonta Figura 7 - (A) Previsão em tempo rea de monóxido de carbono para às 03UTC 17/04/2008, iniciada às 00UTC 16/04/2008, do sistema CATT-BRAMS do CPTEC/INPE ( (B) Imagem no visíve do MODIS em 17/04/2008. (C) foto da cidade de Buenos Aires em 17/04/2008. e espaçamento de grade vertica variáve entre 150 e 850 metros. Dados de anáise do modeo goba do CPTEC T126 foram utiizados como condição inicia e de contorno atmosférica. A condição inicia da umidade do soo foi obtida através de Gevaerd e Freitas (2006). O período de integração foi de 105 dias, iniciando-se às 00UTC de 15/07/2002. O mecanismo químico utiizado para a reatividade foi o RACM (Stockwe et a., 1997) pré-processado peo sistema Simpified Preprocessor for Atmospheric Chemica Kinetics (SPACK, Djouad et a., 2002, Longo et a., 2009). O RACM possui 72 espécies, sendo 36 transportáveis, e 237 reações cinéticas e de fotóise. Nesta simuação, as reações de fotóises foram obtidas por meio de vaores tabeados, produzidos peo SPACK, em função do ânguo zenita, e somente a fase gasosa foi considerada. As condições iniciais para as espécies transportáveis se referem a uma condição de atmosfera não perturbada e horizontamente homogênea. Emissões de origem antrópica (industria, transporte, urbana) do inventário RETRO foram interpoadas para a grade do modeo utiizando um pré-processador de emissões; o mesmo para as emissões biogênicas do programa GEIA. Emissões de queimadas foram processadas em cada ponto de grade utiizando o modeo de emissões Braziian Biomass Burning Emission Mode (3BEM, Freitas et a., 2005, Longo et a., 2007) e focos de queimadas derivados de diversos sensores a bordo de satéites. Um período de 15 dias (15 a 30 de juho) foi utiizado para produzir um estado de composição química da atmosfera mais reaístico, partindo da condição não perturbada, conforme referido anteriormente, até um estado modificado peas emissões. A condição de contorno atera constante para fuxo entrando e variáve com fuxo saindo do domínio foram utiizadas na integração. O mecanismo químico foi resovido com o método de Rosenbrock de 2ª ordem (Verwer et a. 1997), porém com passo de tempo de integração adaptativo, o que permite maior estabiidade e eficiência numéricas. A Figura 8 apresenta um exempo de resutados obtidos desta simuação. O paine (A) mostra PM2.5 integrado verticamente na couna (em mg m -2 ) às 18UTC de 27/08/2002, exibindo uma grande puma de escaa continenta atravessando a América do Su, sendo este transporte de onga distância de aerossóis de queimadas intensificado por jatos de baixos níveis ocorrendo na costa este da Cordiheira dos Andes. O transporte concomitante de vapor d água da região Amazônica (g/kg, a 1400 m acima da superfície) é representado no paine (B) e aimenta compexos convectivos precipitantes ocorrendo a sudeste da Argentina (vide o paine (C)). Os painéis (D) e (E) mostram o transporte vertica, na ata troposfera (10,7 km), de CO, o qua atua aproximadamente como um traçador inerte, e a deposição úmida de PM2.5 através da remoção de materia particuado entranhado na nuvem pea precipitação sobre a superfície, respectivamente.

16 Junho 2009 Revista Brasieira de Meteoroogia 203 O O 3 foi uma das espécies reativas simuadas peo mecanismo com máximos em superfície ocorrendo próximo às regiões emissoras de precursores (região de queimadas e megacidades) e ao ongo dos corredores de exportação destes. A Figura 9 apresenta uma comparação entre dois modeos. O paine (B) apresenta a média mensa para setembro do O 3 em superfície simuada peo modeo goba GEOS-CHEM (Bey et a., 2001) numa resoução espacia de 4 x 4 graus. O máximo de O 3 é simuado na região centra da América do Su, correspondendo à região de maior número de focos de queimadas. Os vaores típicos simuados na região perturbada estão entre 30 e 60 ppbv. O O 3 simuado com a versão do CATT-BRAMS, incuindo reatividade química, apresenta características bastante semehantes em termos dos padrões de distribuição espacia desta espécie e vaores máximos entre 30 e 65 ppbv. Apesar das duas simuações terem resouções bastante diferentes, a média tempora de 1 mês remove transientes e permite uma comparação consistente. Obviamente, uma resoução mais fina permite maior detahamento e resove mehor processos ocais e de menor escaa, sendo, no entanto suavizados pea média tempora. A Figura 10 introduz um baanço da deposição seca de O 3 ao ongo de 2 meses de simuação (agosto e setembro). Trata-se do tota acumuado em superfície em unidade g/m 2. O O 3 se deposita com reativa eficiência e, conforme descrito anteriormente, se forma tipicamente quando precursores emitidos por combustão (NO x ) são transportados para uma região permeada de COV e na presença de radiação soar. Na Figura 10, esta situação parece estar bem representada com 3 corredores de deposição de O 3. Um é formado ao ongo do Estado de São Pauo, partindo de sua capita e região do entorno, com suas emissões de precursores de origem urbana (por exempo, NO X ) sendo transportados continente adentro peo vento predominante de sudeste. Neste caso, o O 3 se forma e se deposita a partir, principamente, das reações envovendo o NO X com os COV das áreas rurais. Dois outros corredores ao ongo da Cordiheira dos Andes, também são evidentes nesta figura, porém a origem dos precursores neste caso envove principamente emissões de queimadas na região contornada em preto. Um dos corredores se ainha para o su na costa este desta cadeia de montanhas, e parece estar reacionado com jatos de baixos níveis, transportando precursores, bem como o próprio O 3 formado vento acima, e gerando uma inha de deposição ao ongo desta cadeia. Um terceiro corredor ao norte, também seguindo os Andes, aparece neste resutado e está associado à entrada de frentes frias e ao desocamento para o su do centro do anticicone sobre o Atântico Su. Nestes casos, surge uma componente de sudeste atuando na região de queimadas transportando emissões em direção a parte noroeste da Amazônia. Esta área, predominantemente de forestas, constitui uma região bastante propícia para a formação de O 3 pea ata taxa de COV de origem biogênica presente na atmosfera. Como o O 3 contribui para a degradação de pantas, a existência destes corredores cooca questões sobre a magnitude Figura 8 - Exempo de resutado de simuação do CATT-BRAMS para as 18UTC de 27/08/2002. (A) PM2.5 verticamente integrado na couna (mg m-2) mostrando o transporte a onga distância de aerossóis de queimadas por jatos de baixos níveis. (B) o mesmo transporte para o vapor d água em 1400 metros acima da superfície. (C) simuação da precipitação acumuada em 3 horas. (D) CO transportado para a troposfera (10.7 km) por sistemas convectivos profundos e precipitantes. (E) deposição úmida de PM2.5.

17 204 Sauo Freitas, Kara Longo, Luiz Rodrigues Voume 24(2) do efeito deetério desta deposição sobre forestas e pantações (como exempos, de soja no Mato Grosso, e de cana-de-açúcar em São Pauo) nestes ocais. Um baanço de dois meses de deposição de PM2.5 de queimadas é apresentado na Figura 11. O paine (A) mostra a deposição seca (em 10-3 g m -2 ) indicando que os máximos ocorrem ocamente, isto é, próximo a região emissora. O PM2.5 possui sedimentação gravitaciona desprezíve, se desocando na atmosfera com praticamente a mesma veocidade vertica das massas de ar. Assim, a maior parte do materia depositado corresponde a emissões em superfície, principamente na fase de combustão fria (smodering) ou trazidas para níveis próximos à superfície por transporte de materia originamente presente em níveis mais atos. A deposição úmida, porém apresenta dois máximos (paine B, em g m -2 ): um oca, próximo às fontes porém mais a oeste, associado à precipitação oca sobre a Amazônia Lega e outro distante e ao su. Este segundo máximo está predominantemente associado ao transporte a onga distância e na baixa troposfera ( ~ 2 km de atura acima da superfície) de PM2.5 por jatos de baixos níveis e/ou peo ramo oeste do anticicone do Atântico Su. Este transporte traz embutido vapor d água da Amazônia (veja Figura 8 b) que predispõe à formação de sistemas convectivos precipitantes no su e sudeste da América do Su, os quais promovem a deposição de grande parte do materia particuado fino carreado da região de queima. Uma questão reevante que surge deste processo é se este constitui um importante cico biogeoquímico conectando a Amazônia com a parte Su da América do Su. O efeito dos aerossóis de queimadas na precipitação, do ponto de vista da estabiização termodinâmica provocada pea absorção e espahamento de onda curta em níveis mais atos e a conseqüente redução da radiação disponíve em superfície, é discutido nesta seção. Para entender o efeito direto dos aerossóis, uma segunda simuação foi reaizada na qua estes não são incuídos no cácuo da transferência radiativa. Neste estudo as propriedades ópticas dos aerossóis consideradas na transferência radiativa são baseadas em uma cimatoogia das observações da rede AERONET na região Amazônica e, portanto, intrinsecamente contêm a informação da composição química e distribuição de tamanho dos aerossóis (Procópio et a., 2003). A Figura 12 apresenta o resutado, com enfoque na região de Rondônia, com ata persistência de níveis de aerossóis provenientes de queimadas. São mostradas duas séries temporais de precipitação simuada (mm/3h, média espacia no quadrado vermeho por 3 meses) para os dois estudos. Comparando as duas séries, evidencia-se o efeito dos aerossóis com uma sensíve diferença nas taxas horárias, principamente no período de pico das queimadas (agosto e setembro). O efeito fina aparece na inha contínua, com um tota de aproximadamente 300 mm acumuados no caso sem aerosso e de 200 mm com aerosso. Assim, só o efeito direto dos aerossóis produziu uma redução da ordem de 30% na precipitação acumuada. Observando os mapas de cimatoogia (à esquerda e em baixo) e precipitação observada (à direita e em baixo) desta figura, depreende-se que o modeo consegue simuar coerentemente os vaores de precipitação típicos da região estudada. Aém disto, a redução prevista pea simuação com os aerossóis parece estar representada no dado de precipitação observada. No entanto, a fata de dados com maior densidade espacia e séries mais ongas não permite uma concusão segura de que se trata do Figura 9 - Ozônio em superfície (ppbv) média mensa para o mês de setembro, (A) modeo CCATT-BRAMS com resoução de 50 x 50 km e (B) modeo GEOS-CHEM com resoução de 4 x 4 graus. Figura 10 - Deposição seca de ozônio acumuado em dois meses (agosto e setembro de 2002).

18 Junho 2009 Revista Brasieira de Meteoroogia 205 Figura 11 - Deposição seca e úmida de PM2.5 acumuado em dois meses (agosto e setembro de 2002). JBN e CCM significam jatos de baixos níveis e compexos convectivos de mesoescaa, respectivamente. Figura 12 - Efeito direto dos aerossóis de queimadas na precipitação enfocando a região de Rondônia. efeito direto dos aerossóis ou uma variabiidade natura do cima oca. Uma avaiação gera sobre a América do Su indica que, em regiões com ata persistência de aerossóis de queimadas, a redução da precipitação acumuada em três meses fica acima de 75 mm. Aparecem também efeitos a onga distância associados ao transporte de aerossóis, como na região situada no norte de Argentina. Esta região é normamente paco de ocorrência de compexos convectivos de mesoescaa e a presença dos aerossóis vindos da Amazônia infuem na formação destes sistemas. Como a convecção interage na circuação atmosférica de uma forma atamente não inear, a perturbação causada peos aerossóis pode afetar também regiões mais distantes através das chamadas teeconexões. Aém disso, uma avaiação concusa sobre o impacto dos aerossóis na atmosfera requer também, o desenvovimento de parametrizações que prognostiquem água de chuva em termos da quantidade de CCN na base da nuvem e incusão na parametrização convectiva. Mais compexo ainda, porém não menos importante do ponto de vista do baanço de radiação, é necessário que os conjuntos de propriedades ópticas de nuvens na transferência radiativa sejam coerentes com os impactos prognosticados dos aerossóis nas nuvens. 4. CONCLUSÕES Este trabaho apresenta uma breve descrição gera do tema de modeagem da atmosfera incuindo emissão, transporte, transformação e deposição de gases traço e aerossóis. Dentre os componentes da equação da continuidade, o termo de reatividade química se destaca pea compexidade de probema em si, na obtenção da soução numérica e no ato custo computaciona envovido. Por outro ado, o pape dos aerossóis de queimadas na modificação do baanço radiativo e conseqüente impacto na formação de sistema convectivos, constitui ainda um probema em aberto. Trabahos futuros incuirão o efeito indireto através da ateração da densidade de núceos de condensação de nuvens e, assim, o pape dos aerossóis de queimadas poderão ser mehor quantificados. Estes modeos não constituem os denominados modeos ambientais ou do sistema terrestre, porem constituem parte essencia destes. Sendo necessários não somente para responder às questões das mudanças da composição química da atmosfera e os impactos na quaidade do ar, mas também para as questões maiores envovendo mudanças gobais, aém de permitirem projeções de cenários futuros com maior confiabiidade para tomada de decisões pea sociedade civi e organismos governamentais. 5. AGRADECIMENTOS Este trabaho foi reaizado com suporte parcia das seguintes agências e projetos: Inter-American Institute for Goba Change Research (IAI) CRN II 2017 e US Nationa Science Foundation (Grant GEO ); NASA Headquarters (NRA-03-OES-02, NRA-97-MTPE-02 e NRA-02-OES-06), CNPq (305059/2005-0, /2007-0) e FAPESP (04/ , 01/ ). 6. REFERÊNCIAS ALBUQUERQUE, L., K. LONGO, S. R. FREITAS, T. TARASOVA, A. PLANA FATTORI, C. NOBRE, L. V. GATTI. Sensitivity studies on the photoysis rates cacuation