COMPARAÇÃO DOS MODELOS GLOBAL E ETA DO CPTEC COM OBSERVAÇOES NA RESERVA BIOLÓGICA DO JARÚ (RONDÔNIA)

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1 COMPARAÇÃO DOS MODELOS GLOBAL E ETA DO CPTEC COM OBSERVAÇOES NA RESERVA BIOLÓGICA DO JARÚ (RONDÔNIA) Claudine P. Dereczynski 1 Sin Chan Chou 2 Patrícia V.Waldheim 1 José A. Marengo 2 Antonio O. Manzi 3 RESUMO Comparações entre as previsões dos modelos global e regional Eta do Centro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos e os dados medidos na Reserva Biológica do Jarú, em Rondônia, são realizadas para o período de 1º de julho a 1º de setembro de As séries temporais e os ciclos diurnos médios das previsões de 24 e 48-h da precipitação e dos fluxos de superfície de ambos os modelos são avaliados, confrontando-os com as observações. No modelo global os valores previstos da radiação de onda curta incidente e da radiação líquida são muito próximos aos observados, contudo verifica-se uma superestimativa das nuvens profundas e da precipitação, que necessitam portanto, de redução. A repartição da energia disponível resulta numa superestimativa dos fluxos de calor sensível e numa subestimativa dos fluxos de calor latente. Os fluxos de calor latente se elevam logo após as chuvas, mas decaem rapidamente após. Nenhuma melhoria na previsão de 48-h sobre a previsão de 24-h é observada. Com relação ao modelo Eta as previsões de precipitação são muito próximas às observações; contudo o modelo superestima a radiação de onda curta incidente, o que resulta num excesso de radiação líquida. Os fluxos de calor latente e de calor sensível são ambos superestimados. Pequena melhoria nas previsões de 48-h com relação às previsões de 24-h é observada. Em ambos os modelos as temperaturas próximas à superfície são superestimadas e a redução da radiação de onda curta incidente à superfície se faz necessária. ABSTRACT Comparison of Center for Weather Prediction and Climate Studies global and regional model forecasts against observation at the Rondonia Coordinated Enhanced Observing Period reference site is carried out for a dry period, between 1 July and 1 September The Rondonia site is located in the Jaru Biological Reserve Area in the state of Rondonia, at the Amazon region. It is a forest site. Time series and mean diurnal cycle of precipitation and surface fluxes are evaluated for 24-h and 48-h forecasts. In the global model the incoming short wave radiation and net radiation are predicted closely to the observed values, however, this occurs with the large overestimate of deep clouds and precipitation. The partition of the available energy results in an overestimate of the sensible heat fluxes and an underestimate of the latent heat fluxes. The latent heat fluxes are large shortly after the rain, but decay quickly. No clear improvement of the 48-h forecasts over the 24-h forecasts can be noticed. The Eta model forecasts of precipitation are close to the observations; however, the model overestimates the incoming short-wave radiation which results in excessive net radiation. The Eta sensible and latent heat fluxes are both overestimated. Small improvement of the 48-h forecasts over the 24-h forecasts could be noticed. Near surface temperatures are overestimated by both models. The global model needs to reduce the precipitation production. Both models need to reduce the incoming short wave radiation at the surface. 1 - Universidade Federal do Rio de Janeiro, Instituto de Geociências, Departamento de Meteorologia, Ilha do Fundão - Cidade Universitária, , Rio de Janeiro, RJ, Brasil. Tel: (21) s: claudine@ufrj.br e patrícia@meteoro.ufrj.br 2 - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, Centro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos. Rodovia Presidente Dutra, Km 40, SP-RJ , Cachoeira Paulista, SP, Brasil. Tel: (12) s: chou@cptec.inpe.br e marengo@cptec.inpe.br 3 Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia, , Manaus, Amazônia, Brasil. manzi@inpa.gov.br

2 Palavras-Chave: avaliação, modelos global e regional do CPTEC INTRODUÇÃO A descrição dos fluxos de energia, momento e umidade na superfície da terra são importantes para o entendimento dos ciclos de energia e da água do sistema climático. Modelos numéricos são geralmente usados para simular a transferência de energia e água entre a terra e a atmosfera. Contudo, os modelos exibem erros causados pelas limitações numéricas, tais como resolução, esquemas físicos e dinâmicos. A descrição dos erros dos modelos pode ajudar a identificar suas fontes de erros, para propor melhorias em seus esquemas e, consequentemente, produzir simulações mais realísticas. A repartição de energia entre calor latente e sensível é uma das principais fontes de erros nas simulações do tempo e do clima (Betts et al., 1996). Esquemas de superfície quando governados por condições observadas podem produzir simulações realísticas tais como os resultados encontrados por Xue et al. (1991) usando o Simplified Simple Biosphere Model (SSiB) sobre a Bacia Amazônica. Contudo, alguns erros podem ocorrer quando os esquemas de superfície são acoplados a modelos atmosféricos, uma vez que as interações com outros esquemas do modelo podem levar a erros maiores. Na validação do modelo Eta/SSiB sobre a América do Sul, Chou et al. (2002) encontraram que uma superestimativa dos fluxos de calor latente (L) e de calor sensível (H) poderiam resultar numa excessiva radiação de onda curta (SWi) alcançando a superfície. Esta SWi excessiva foi encontrada também em previsões de curto prazo sobre a América do Norte (Betts et al., 1997). Este erro pode ser devido ao tratamento da nebulosidade ou extinção pelo vapor d água ou aerossóis deficiente no modelo, como sugerido na avaliação do modelo Eta do National Centers for Environmental Prediction (NCEP) usando dados do Atmospheric Radiation Measurement (ARM) (Hinkelman et al., 1999). O objetivo deste trabalho é comparar as previsões dos modelos global e Eta do CPTEC com observações coletadas na Reserva Biológica (Rebio) do Jarú no Estado de Rondônia, para o período entre 1 Julho e 1 de Setembro de METODOLOGIA E DADOS A versão do Modelo de Circulação Geral (MCG) do CPTEC utilizada é a T126L28, ou seja, truncamento 126 (resolução horizontal de aproximadamente 100 km x 100 km) e 28 níveis na vertical. Maiores detalhes deste modelo são apresentados em Bonatti (1996). O modelo Eta (Mesinger et al., 1988) foi configurado para este trabalho com resolução horizontal de 20 km x 20 km e 38 níveis na vertical. As observações utilizadas neste trabalho foram obtidas na torre localizada na Rebio Jarú em

3 10º04 42 S/61º56 2 W. A cobertura vegetal no local é predominantemente floresta. A topografia na região varia entre 0 e 800 m. Na capital de Rondônia, Porto velho, localizada a aproximadamente 250 km ao norte de Rebio Jarú, a temperatura média dos meses Julho e Agosto varia entre 24º e 25ºC. Esses dois meses são os mais frios do ano, com temperaturas mínimas (máximas) variando entre 18º e 19ºC (31º e 33ºC). As quedas de temperatura nesta época do ano são causadas por sistemas frontais que atingem latitudes mais setentrionais. Em 2001 as temperaturas ficaram ligeiramente acima da normal climatológica. A precipitação climatológica em Rondônia no mês de Julho é de 23 mm, que em média totaliza-se em apenas 2 dias (Rebello et al., 1996). Este é o período mais seco do ano nesta região. Na Rebio Jarú em 2001, foi observado 34,5 mm de precipitação em julho (com apenas 3 dias de chuva, sendo a maior parte totalizada no dia 25 de julho) e 0 mm em Agosto. Os dados da Rebio Jarú utilizados neste trabalho foram: precipitação, temperatura do ar a 2 m, ventos a superfície, fuxos de L e H, e SWi. Como as saídas do modelo global são obtidas a cada 6 horas, a precipitação prevista foi acumulada a cada 6 horas, enquanto os fluxos de energia foram mediados a cada 6 horas. No modelo global a elevação da caixa de grade que contém o sítio de referência em Rebio Jarú é 280 m. No modelo Eta esta elevação é de 63 m. RESULTADOS Estatísticas As estatísticas foram calculados baseados no erro médio (EM), na raiz do erro quadrático médio (REQM),e na correlação linear (CORR) entre as séries previstas e observadas. Os desvios padrão (DP) das séries foram também calculados para dar uma medida da variabilidade das variáveis avaliadas. Os resultados das estatísticas (não mostrados) indicam que em geral o EM é positivo, exceto para o fluxo de L e para a radiação líquida (Rn). Os fluxos de H do modelo global apresentam grandes EM positivos. A REQM é geralmente menor ou da mesma magnitude do DP das observações, exceto para os fluxos de L e de H. A REQM do fluxo de H do modelo global é aproximadamente três vezes maior do que sua variabilidade. A CORR entre as séries observadas e previstas é aproximadamente 0,6 para a maior parte das variáveis, o que indica boa correlação. Os fluxos de L mostraram menores valores de CORR. Apesar dos fluxos de L exibirem menores CORRs, eles são relativamente bem correlacionados com as observações. Precipitação Os eventos de precipitação (três dias) na Rebio Jarú foram causados por convecção isolada (25/07/01) e passagem de sistema frontal (27 e 28/07/01) na parte sudeste do continente. A banda de nebulosidade frontal se estendeu em direção a Rondônia causando precipitação e queda de

4 temperatura nesses dias. Em agosto não houve chuva. As previsões do modelo global superestimaram o número de eventos de precipitação, com chuvas na maior parte do mês de julho e no final do mês de agosto. Um aumento da quantidade de chuva ocorreu com a integração, sendo o total pluviométrico na previsão de 48-h superior ao de 24-h. A superestimativa dos eventos de precipitação no modelo global pode ter sido causada pelo tamanho da caixa de grade do modelo, de aproximadamente 100 km x 100 km, fazendo com que o modelo tentasse incluir a precipitação de áreas vizinhas. Contudo, em julho a precipitação mensal acumulada na previsão do modelo global (121,5 mm em 24-h e em 48-h) foi muito maior do que a observada (34,6 mm). Em agosto, quando não houve chuva o modelo previu 27,3 mm (previsão de 24-h) e 140,8 mm (previsão de 48- h). O modelo Eta, por outro lado, produziu apenas um evento de chuva na previsão de 24-h para o período, o que é mais próximo da freqüência observada. Contudo a previsão de 48-h produziu 2 eventos de precipitação e menores totais pluviométricos, o que sugere que não houve aumento da quantidade de precipitação com a integração do modelo. Fluxo de Calor Latente O modelo global previu o fluxo de L aproximadamente de acordo com o observado em Julho, contudo esses fluxos foram grandemente superestimados em agosto. O modelo produziu precipitação frequentemente em julho, mas raramente em agosto. Isto indica que existe uma relação entre a previsão do fluxo de L e a quantidade de chuva prevista pelo modelo. A medida que o modelo produziu erradamente precipitação em julho, os fluxos de L foram previstos próximos aos valores observados. Contudo, quando o modelo parou de produzir precipitação, esses fluxos decresceram acentuadamente. Durante os dias sem chuva, nenhuma água foi fornecida para a superfície pela precipitação, indicando alguma ineficiência do esquema de superfície do modelo para produzir evaporação direta ou para produzir evapotranspiração a partir da vegetação, por extração de umidade do solo a partir das camadas mais profundas em escalas de tempo menores, durante os dias secos. Uma brusca depleção da umidade do solo ocorreu no modelo global durante os dias sem chuva, o que pode indicar uma rápida transferência ou perda de água da zona de drenagem. Em oposição ao modelo global, os fluxos de L previstos pelo Modelo Eta superestimaram os valores observados. Esses fluxos mostraram variabilidade temporal menor do que observada (o desvio padrão das previsões é menor do que o das observações). Os fluxos previstos decresceram lentamente em direção ao final da estação seca. As previsões de 24-h foram limitadas por aproximadamente 400 W.m -2, enquanto as observações horárias mostraram picos de aprox. 600 W.m -2 em algumas situações. Os erros no modelo Eta foram diferentes do modelo global, a medida que a magnitude dos fluxos do Eta foram mantidos, independente da quantidade de precipitação.

5 Fluxo de Calor Sensível Apesar das observações terem sido tomadas durante períodos secos, os fluxos de H (máximo de aproximadamente 120 W.m -2 ) são menores do que os fluxos de L (valores médios da ordem de 300 W.m -2 ). A floresta continua a evapotranspirar a uma taxa constante apesar da falta de chuvas. Este aspecto durante os dias secos foi também observado por Shuttleworth et al. (1984) na Amazônia. Durante o período em que as precipitações foram previstas pelo modelo global, os fluxos de H foram comparáveis aos valores observados, contudo no período sem chuvas, o modelo superestimou grandemente esses fluxos. Este erro pode ser uma conseqüência do deficiente fluxo de L, que poderia ter reduzido as temperaturas da superfície através da superfície de evaporação. O aumento das temperaturas a superfície provocaram um aumento nos fluxos de H a superfície. O erro é gerado durante os dias secos do modelo global. A medida que a integração prossegue, o modelo global mostra uma leve melhoria desses erros. As previsões dos fluxos de H do modelo Eta mostraram menor variabilidade temporal do que as observações, como indicado pelo desvio padrão da variável. Estas previsões também foram superestimadas. O modelo mostra picos de aproximadamente 200 W.m -2 que foram geralmente superiores aos valores observados. O erro do modelo no fluxos de H é consistente com o grande EM positivo nas temperaturas (não mostrado). Ambos os modelos mostram um aumento nos fluxos de H em direção ao final da estação seca. Radiação A SWi mostrou valores com picos de aproximadamente 700 W.m -2 (valores médios em 6 horas). Valores menores ocorreram em julho indicando condições de nebulosidade mais frequentemente do que em agosto. A SWi do modelo global prevista com 24 e 48-h de antecedência mostrou valores comparáveis às observações em julho. Em agosto esses fluxos foram superestimados, principalmente no período sem chuvas. Nos períodos claros o modelo superestima a SWi, enquanto nos períodos nublados esses fluxos são subestimados. Os valores horários de SWi apresentam picos de aproximadamente 900 W.m -2. As previsões horárias da SWi do modelo Eta se aproximam dos valores observados. Tais previsões mostraram um lento aumento em direção ao final da estação seca, que não é claro nas observações. Uma inspeção detalhada nos períodos de céu claro e de céu nublado previstos pelo modelo Eta mostra que o excesso de SWi é maior nos períodos nublados. O ciclo diurno da Rn (média de 6 horas) prevista pelo modelo global com 24-h de antecedência se ajusta bem às observações. O modelo global faz um balanço correto dos fluxos de radiação, mas a partição entre os fluxos de L e H precisa de algum ajuste como indicado anteriormente. A previsão de 48-h mostrou um aumento do EM negativo que foi causado pelo

6 aumento da produção de nebulosidade e da precipitação. O modelo Eta mostrou excessiva Rn no ciclo diurno. Como os fluxos de L e H do modelo Eta são superestimados, ocorre um desequilíbrio nos saldos de calor do modelo, principalmente nos horários do nascer e do pôr do sol. Neste modelo verifica-se um atraso de 1 h nos picos de previsão ocorrendo com um lento decaimento desses fluxos em direção ao pôr do sol, causando uma superestimativa total. Poderia se esperar que as nuvens a tarde pudessem reduzir a excessiva SWi, contudo, mesmo durante dias sem nebulosidade este atraso está presente na previsão do Eta. Cálculos do ângulo zenital solar devem ser investigados. A Rn noturna é bem prevista por ambos os modelos. Temperatura Ambos os modelos tendem a superestimar a temperatura à superfície, particularmente nos dias em que as chuvas não são previstas. A queda acentuada de temperatura durante a passagem do sistema frontal foi capturada por ambos os modelos. Apesar do modelo Eta ter previsto corretamente menos eventos de chuva, o EM da temperatura à superfície foi superior ao EM do modelo global. O ciclo diurno médio mostra que as previsões do Eta exibem amplitudes térmicas maiores do que a observação. Uma redução da SWi poderia reduzir este erro. O atraso de 1 h no pico da previsão de radiação do Eta reflete-se nas temperaturas à superfície, que em média também exibem um pico aproximadamente 1 h após as observações. DISCUSSÃO E CONCLUSÕES A avaliação dos modelos global e Eta do CPTEC foi realizada, confrontando-se as previsões de 24-h e 48-h de ambos os modelos com os dados observacionais coletados na Rebio Jarú, localizada em Rondônia para o período de 01/07 a 01/09/2001. Ambos os modelos mostraram erros na precipitação, contudo o modelo global, superestimou demasiadamente os totais pluviométricos mensais e o número de eventos de chuva, enquanto o modelo Eta subestimou levemente a quantidade de precipitação.os resultados mostraram que no modelo global os fluxos de L foram uma resposta à precipitação, disponibilizada como umidade do solo. A medida que a chuva cessava, a umidade do solo baixava a valores muito baixos em menos de 12 horas. Numa previsão de precipitação reduzida o modelo global não reproduz os fluxos de L e H corretamente. Uma transferência mais eficiente dos fluxos de L para a atmosfera poderia ser introduzida no modelo global. Neste modelo os fluxos de L são muito menores do que os fluxos de H, contudo observações mostram que durante os períodos secos a floresta continua a evapotranspirar e os fluxos de L são maiores do que os fluxos de H. A Rn foi bem prevista pelo modelo, contudo, a repartição entre esta energia disponível à superfície entre L e H apenas se aproxima das observações quando o modelo produz chuva numa taxa excessiva. O aumento da

7 resolução no modelo global poderia resultar numa considerável melhoria para as previsões, mas uma redução na produção de precipitação poderia ser introduzida, assim como um aumento de outras fontes de evaporação à superfície para produzir uma repartição mais realística do fluxo de L e de H nesta região de floresta Amazônica. Apesar do modelo Eta prever a precipitação melhor do que o modelo global e não mostrar grande erro na Rn, os fluxos de L e de H foram grandemente superestimados. Isto poderia sugerir algum desequilíbrio (da ordem de 50 W.m -2 ) no balanço de calor. Por outro lado o modelo Eta mostra maiores fluxos de L do que de H nos períodos secos, o que é um aspecto esperado na região. O modelo global apresenta o esquema de radiação melhor resolvido, mas necessita de ajustes nos fluxos de superfície. O modelo Eta necessita inicialmente corrigir a excessiva SWi. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Betts, A. K.; Beljaars, A. C. M.; Miller, M. J.; Viterbo, P. A., 1996: The land-surface atmosphere interaction: A review based on observational and global modeling perspectives. J. Geophys. Res., v 101, p Betts, A. K.; Chen, F., Mitchell, E. K.; Janjic, Z.I., Assessment of the land surface and boundary layer models in two operational versions of the NCEP Eta Model using FIFE data. Mon. Wea. Rev., v 125, p Bonatti, J. P., 1996: Modelo de Circulação Geral Atmosférico do CPTEC. Climanálise. Special Edition. INPE. São José dos Campos. Chou, S. C.; Tanajura, C. A. S.; Xue, Y.; Nobre, C. A., 2002: Validation of the Eta/SSiB over South America. J. Geophys. Res., v 107, D20. Hinkelman, L. M.; Ackerman, T. P.; Marchand, R. T., 1999: An evaluation of the NCEP Eta Model predictions of surface energy budget and cloud properties by comparison with measured ARM data. J. Geophys. Res., v 104, D16, p Shuttleworth, W. J.; Gash, J. H. C.; Lloyd, C. R.; Marques Filho, A. O.; Fisch, G.; Silva Filho, V. P.; Ribeiro, M. N. G.; Molion, L. C.; Sá, L. D. A., Nobre, C. A.; Cabral, O. M.; Patel, S.; de Moraes, J. C., 1984: Eddy correlation measurements of energy partition for Amazonian forest. Quart. J. R. Met. Soc., v 110, p Xue, Y.; Sellers, J. P.; Kinter III, J.L..; Shukla, J., 1991: A simplified simple biosphere model for global climate studies, J. Climate, v 4, p