Modelo de estimativa de fluxo regional aplicado em áreas de floresta e pastagem na Amazônia. Julio Tóta Instituto Nacional de Pesuisas Espaciais, INPE CP 5, 1-97, São José dos Campos, SP, Brasil. Telefone: (1) 345-683. E-mail: tota@met.inpe.br Gilberto Fisch Centro Técnico Aeroespacial (CTA/IAE-ACA) CEP: 128-94, São José dos Campos, SP, Brasil. Telefone: (1) 347-4565. E-mail: gfisch@aca.cta.iae.br ABSTRACT The regional sensible heat fluxes estimated by simple model, using properties of the convective boundary-layer from the Rondonia Boundary Layer Experiment (RBLE3) data, over the forest and grassland regions of the western Amazonia was investigated. These investigation has done by comparation between observed and estimates sensible heat fluxes. The results showed that, in general, the model for sensible heat overestimated the surface fluxes measured, for both sites. In this case, the statistic results were Root Mean Suared Deviation (RMSD) of 45.1 and 67.2 W m -2, and Bias of -. and -28.5 W m -2, for forest and pasture areas, respectively. These results suggest that there is a significant difference between the regional estimates and a point measurements, i. e., the point mesurements may not be reprentative of a region (1x1 km) in the heterogeneous case. In spite of the simplicity of these models, they are an alternative to estimate regional surface fluxes using Planetary Boundary Layer (PBL) properties obtained through rawinsoundings. Palavras Chave: Modelo de Camada de Mistura, Estimativa de Fluxos, Floresta Amazônica 1. Introdução A região Amazônica representa uase a metade das áreas de floresta tropical úmida do globo, em ue se destaca sua grande biodiversidade, e riueza natural, além de ser uma reconhecida fonte de energia para a Circulação Geral da atmosfera (Sá et al., 86). Grande parte deste ecossistema vem sendo afetado pelo desmatamento, com áreas de floresta natural sendo substituída por áreas de pastagem. Segundo levantamento feito pelo INPE (http://www.inpe.br/amz.html), a taxa anual média de desmatamento das áreas de floresta na Amazônia Legal aumentou de,3% em 9/91 para,4% no biênio 92/94, o euivalente a um incremento anual de 11.13 km 2 para.896 km 2 de área de desmatamento, respectivamente. Essas taxas foram de 29.59 km 2 ano -1 e.1 km 2 ano -1, para os períodos 94/94 e 95/96, respectivamente. O Estado de Rondônia contribuiu para o total bruto da Amazônia Legal com valor percentual médio de,% anualmente, correspondendo a cerca de 2.692 Km 2 ano -1 de área de desmatamento. Portanto, é importante avaliar os possíveis impactos, a nível local e regional, ue venham a acontecer caso os processos de troca de energia entre a superfície e a atmosfera sejam afetados com a mudança na cobertura vegetal da Amazônia. Neste contexto, estudos sobre a interação entre superfície e atmosfera e aueles relacionados com a camada limite sobre a Amazônia são relevantes. O presente trabalho apresenta a aplicação de um modelo para estimativa de fluxo regional a partir de propriedades da camada limite planetária (CLP) sobre dois tipos de vegetação, caracterizadas por floresta e pastagem, na região de Rondônia (Amazônica Ocidental). O objetivo é de analisar as diferenças entre valores de fluxos turbulentos medidos pelo instrumento de correlações de vórtices (HYDRA), em um único ponto na superfície e aueles resultantes de um modelo para estimar os valores desses fluxos em escala regional.
2. Dados e Metodologia Os dados utilizados foram obtidos durante o Rondônia Boundary Layer Experiment (RBLE3) na região de Jí-Paraná Estado de Rondônia (Figura 1). Esse experimento foi realizado durante a estação seca entre os dias 13 a 26 de agosto de 94, sendo ue as medidas foram feitas simultaneamente nas áreas de floresta (Reserva Biológica do Rio Jarú, 1 5 S, 61 55 W, 1 metros de altitude) e pastagem (Fazenda Nossa Senhora Aparecida, 1 45 S, 62 W, 2 metros de altirude). As condições sinóticas na região do experimento foram características do período seco, com pouca atividade convectiva e ventos predominantemente zonal. Os dados de radiossondagens foram obtidos pelo sistema PC-Cora Vaisala (Finlândia) com informações do perfil de temperatura, umidade específica e ventos entre a superfície e 5. metros. Os fluxos turbulentos de superfície (calor sensível e latente) foram medidos pelo instrumento de correlações de vórtices HYDRA(maiores detalhes em Shuttleworth et al., 88). Ambas as medidas foram feitas simultaneamente em áreas de floresta e de pastagem, nos horários das 8, 11, e hora local (HL). Maiores detalhes do RBLE3 podem ser encontrados em Fisch et al. (96) e Tóta (98). Neste estudo foi utilizado um modelo simples de camada de mistura para as euações de conservação de entalpia desenvolvido por Tennekes (73), o ual tem sido bastante usado para estudar a estrutura e evolução da CLP (Culf, 92; Fisch, 96). Este modelo, representado na Figura 2, tem se mostrado eficiente na estimativa de fluxos turbulentos de superfície (Culf, 93). Neste caso, aplica-se a forma inversa do modelo, onde os dados de entrada são propriedades da CLP. Para isso, a euação para as estimativas dos fluxos de calor sensível de superfície em diferenças finitas, a ual também inclui uma parametrização do processo de entranhamento seguindo Lily (68), resume-se em: t t+ 1 t+ 1 t t t+ 1 t+ 1 t h + h m m =ρ ρ h h H c c s p p 2 t 2 t onde: H s é o fluxo regional estimado de calor sensível na superfície; a temperatura potencial; ρ é a massa específica do ar; c p é o calor específico do ar a pressão constante; h altura da camada de mistura e a intensidade da descontinuidade térmica no topo da camada de mistura. Nessa euação, o subscrito m refere-se à média da propriedade na camada de mistura, t refere-se ao tempo, sendo t o intervalo de tempo entre duas radiossondagens sucessivas ascendentes do tempo t até o tempo t+1. 3. Resultados Na Tabela 1 estão sintetizados os resultados, em termos de índices estatísticos, das estimativas obtidas pelo modelo para ambas as áreas de floresta e pastagem para todos os dias do experimento. Em uma média diária as estimativas do modelo superestimam os fluxos medidos pelo HYDRA em ambas as áreas de floresta (RMSD: 45,4 W m -2 e Bias: -,2 W m -2 ) e de pastagem (RMSD: 7,3 W m -2 e Bias: -,4 W m -2 ), conforme se pode observar na Figura 3. Entretanto, esses resultados mostram-se consistentes com valores encontrados na literatura, e. g., Culf, 93 (RMSD: 47,7 W m -2 e Bias: -12,4 W m -2 ) em Sahel, África. Na Figura 4 pode-se observar ue, nos períodos de máximos valores de trocas de fluxos entre superfície e atmosfera (11- HL), o modelo superestima bastante os valores medidos em superfície, principalmente sobre a área de pastagem. No período da manhã (8-11 HL) nota-se ue os valores medidos são simulados razoavelmente bem na área de floresta e subestimados sobre a área de pastagem. Isto se deve, principalmente, ao fato de ue o acoplamento da camada estável com a camada de mistura acontecem em horários diferentes para as áreas de floresta e de pastagem, em função dos processos turbulentos relacionados com o auecimento do ar sobre a pastagem, ue ocorre mais rapidamente do ue sobre a floresta. Ao longo do dia, este acoplamento faz com ue o ar perto da superfície torne-se mais seco, aumentando as trocas de fluxos de calor sensível (máximos em 11- HL), ue em geral são, em todos os horários, sempre maiores sobre a área de pastagem em função de sua maior eficiência térmica (Figura 4).
4. Conclusões O presente trabalho apresenta uma análise comparativa entre fluxos turbulentos de calor sensível medidos pontualmente (HYDRA) e estimados em escala regional por um modelo simples, sobre uma área de floresta e outra de pastagem, na região de Ji-Paraná-RO (Amazônia ocidental), usando dados do experimento RBLE3. Os resultados mostraram ue, em uma média diária, o modelo superestima os valores medidos em superfície. Isto sugere ue, apesar das limitações do modelo (sensibilidade dos parâmetros de entrada, inversão de grande escala e advecção dentre outros processos não considerados pelo modelo), as medidas feitas em um único ponto talvez não sejam representativas da contribuição da superfície em uma escala regional, mesmo auelas realizadas sobre uma área homogênea (floresta) como sobre uma área heterogênea (pastagem). Essas diferentes características entre áreas de floresta e de pastagem são oriunda do desflorestamento, onde a mudança, principalmente do albedo da superfície, dentre outras, alteram as trocas de energia entre a superfície e a CLP, e conseuentemente, os balanços de energia e radiação. Referências Bibliográficas Culf, A. D. An aplication of simple models to Sahelian convective boundary layer growth. Boundary Layer Meteorology, 58(1-2):1-. 92. Culf, A. D. The potential for estimates regional sensible heat flux from convective boundary layer growth. Journal of Hydrology, 6:5-4. 93. Fisch, G. Camada limite Amazônica: aspectos observacionais e de modelagem. (Tese de Doutorado em Meteorologia) - Instituto Nacional de Pesuisas Espaciais, São José dos Campos, 96. 1p. (INPE-61-TPT/584). Sá, L. D. A.; Manzi, A. O.; Viswanadam, Y. Partição de fluxos de calor sensível e de calor latente acima da floresta amazônica de terra firme. São José dos Campos, INPE. julho, 86. (INPE-3972- PRE/97). Lilly, D. K. Models of cloud-topped mixed layers under a strong inversion. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 94:292-39. 68. Tennekes, H. A model for dynamics of the invertion above a convective boundary layer. Journal of Atmospheric Sciences, 3(4):558-567. 73. Tóta, J. Estimativa regional de fluxos de calor sensível e latente em áreas de floresta e pastagem na Amazônia. (Dissertação de Mestrado em Meteorologia) - Instituto Nacional de Pesuisas Espaciais, São José dos Campos-SP. 98. 113p. Figura 1: Localização dos sítios experimentais de floresta e de pastagem (RBLE3).
z γ b b γ Camada Estável Estratificada ρc p w b (Entrada no Topo) h m m Camada de mistura (CM) CAIXA (CM) ρc p w s (Entrada na Superfície) Figura 2: Estrutura do modelo. 5 H (W/m2) - Floresta (RBLE3) (Dia/Horário) a) b) 3 - (Dia/Horário) -5-5 5 - - - 3 Figura 3: Fluxos de calor sensível estimado pelo modelo e medido (HYDRA), em área de Floresta (a) e de Pastagem (b), durante o RBLE3. Tabela 1 : Média Diária de RMSD e Bias para os fluxos de superfície estimados pelo modelo na área de Floresta e de Pastagem durante o RBLE3. Dia Média Floresta RMSD,2 65,6 81,1 47,6 42,1 27,7 34,,4 46,4 69, 11,4,2 45,4 Bias -1,4-6,3-26,1-12,8 -,1-7,5 -,2-13,9-35,3-52,6-9,9,9 -,2 Pastagem RMSD 29,3 74,9 52,2 139,5 81, 65,3 71,2 35,1 45,4 93,1 44,2 7,3 Bias -5,6-32,3-43,2 5,3-51,1-54,9-71,2 -,2 -,8 55,3 32,9 -,4
a) H (W/m2) - Floresta (RBLE3) b) 8 6 4 8-11 HL (Dia) 1 8 8-11 HL (Dia) 6 4 - - 4 6 8 c) H (W/m2) - Floresta (RBLE3) d) 11- HL (Dia) 3 4 6 8 1 11- HL (Dia) 28 26 1 2 e) 8 6 4 9 7 5 3 1-1 4 6 8 1 H (W/m2) - Floresta (RBLE3) - HL (Dia) -1 1 3 5 7 9 2 26 28 3 f) 5-5 - - - HL (Dia) - - -5 5 Figura 4: Fluxos de calor sensível estimado pelo modelo e medido (HYDRA), detalhado por horário em área de Floresta (a, c, e) e de Pastagem (b, d, f), durante o RBLE3.