Post on 04-Jun-2015
Projeções de Mudança Climática com o Modelo Eta
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais CPTEC/CCST
André Lyra
Cachoeira Paulista, SP
INTRODUÇÃO
Diversos Modelos Climáticos Globais vem sendo utilizados para gerar projeções de mudança climática através de diferentes cenários futuros, entretanto possuem ainda resolução baixa. O aumento da resolução espacial pode ser alcançada através da técnica de Donwscaling. Aninhar modelos climáticos regionais as condições dos modelos globais
Reduzir o ponto de grade o que é mais adequado para estudos de impacto; Representar melhor a topografia e outras características da superfície da Terra o que ajuda detalhar a estrutura dos sistemas atmosféricos.
Geração de cenários climáticos com base no modelo Eta-CPTEC 40 km
Cenários IPCC AR4 (modelo global HadCM3-varias realizações) A1B para rodar o modelo regional Eta CPTEC 40 km
Climatologia do presente (1961-90)
Projeções para diferentes períodos (2011-2040, 2041-2070, 2071-2100) - variáveis climáticas e hidrológicas - Brasil e bacias da ANA
Eta CPTEC 40 km
Modelo global (HadCM3)
Validação do clima presente das rodadas do Eta CPTEC (1961-90)
Cenários por bacias (medias e mudanças relativas ao presente) para aplicar modelos hidrológicas-Brasil e bacias da ANA
4
HADCM3
Pope et al, 2000, Gordon et al, 2000. (Hadley Centre OAGCM ) variables: u, v, q, theta, surf press
•1960-2099 •LBC: 6/6h (360 day calendar) •flux adjustments and sulphur cycle included
Present climate: [all forcing run - antropogenic (greenhouse gases, sulphates, ozone) and natural (solar and volcanic)] •Data domain : 106.875 W a 1.875 W e 78.75 S a 18.75 N •Resolution: dx=3.75o and dy=2.75o •Number of files for LBC= 44640 (31 years)
Large Scale Cloud
Ice fall speed
Critical relative humidity for formation
Cloud droplet to rain: conversion rate and threshold
Cloud fraction calculation
Convection
Entrainment rate
Intensity of mass flux
Shape of cloud (anvils) (*)
Cloud water seen by radiation (*)
Radiation
Ice particle size/shape
Cloud overlap assumptions
Water vapour continuum absorption (*)
Boundary layer
Turbulent mixing coefficients: stability-dependence, neutral mixing length
Roughness length over sea: Charnock constant, free convective value
Dynamics
Diffusion: order and e-folding time
Gravity wave drag: surface and trapped lee wave constants
Gravity wave drag start level
Land surface processes
Root depths
Forest roughness lengths
Surface-canopy coupling
CO2 dependence of stomatal conductance (*)
Sea ice
Albedo dependence on temperature
Ocean-ice heat transfer
Parameter Perturbations
QUMP ensemble +300 members
Slab Ocean Model
Temperature HadCM3 qump Perturbed physics
.
.
.
.
•Convection:
Betts-Miller-Janjic scheme,
• Stratiform rain:
Zhao scheme
• Turbulence:
Mellor Yamada 2.5, MO surface layer, Paulson functions
• Radiation:
GFDL package
• Land surface scheme:
NOAH scheme, 4 soil layers,
• Initial conditions
HADCM3
•LBC: HadCM3 uptd 6/6 h,
• Domain
Most part of South America
Resolution: 40 km/38 layers;
Grid-point model
Arakawa E grid
• Eta vertical coordinate (Mesinger, 1984)
•Prognostic variables:
T, q, u, v, ps, TKE, cloud water/ice, hydrometeors
•Time integration:
2 level, split-explicit
Adjustmet: forward-backward
Advection: first forward and then centered
Eta Model 40km characteristics
Integrações continuas de 31 anos; 1 ano de spin-up; Temperatura da Superfície do Mar geradas pelos AOGCM (Média mensal), atualização diária; Atualização do CO2, anual, de acordo com os cenários; Geração dos coef. de transmissividade para cenários A1B, com atualização de 5/5 anos; Sazonalidade da vegetação; atualização 1/1 mês;
Modelo Eta (versão mudanças climáticas)
Veg greeness
1961-1990 CIRCULAÇÃO 200 hPa DJF
low mid high
low mid high
JJA
unprtrb
ERA40
ERA40
unprtrb
A A A A A
DJF
ERA40 low mid high
low mid high
JJA
unprtrb
1961-1990 CIRCULAÇÃO 850 hPa
ERA40
unprtrb
ligeira superestimativa na velocidade dos ventos alísios
Captura bem o posicionamento dos anticiclones
11
DJF
CRU low mid high
low mid high
JJA
CRU
1961-1990 PRECIPITAÇÃO
unprtrb
unprtrb
12
1961-1990 TEMPERATURA 2m DJF
CRU low mid high
low mid high
JJA
CRU unprtrb
unprtrb
Subestimativa da temperatura na região Amazônica Superestimativa no Norte da Argentina
Temperatura semelhantes às observações CRU grande dispersão entre os membros na Amazônia.
RMSE
Temp
DJF JJA
Ens Mean + Spread
DJF JJA
DJF JJA
mean errors > spread
precip
DJF JJA
>> Under dispersive ensemble
2 a 6 mm/d 0,5 a 1 mm/d
EGU, Vienna, 2009
Amaz: Amazonia Nord: Northeast Brazil Sud: Southèast Brazil Brazil
Ciclo Anual por região
EGU, Vienna, 2010 15
BR
AM NE
SU
Ciclo Anual – Precipitação Eta 40km
Ciclo Anual – Temperatura 2m Eta 40km
BR SU
AM NE
DJF
JJA
2011-40
HadCM3 Q0-aenwl
A-F: Precipitation P (%)
G-L: Surface air temperature ( C)
M-R: Precipitation-Evaporation P-E (%)
B
JJA
DJF
A C
D E F
G H I
J K L
2041-70 2071-2100 2011-40 2041-70 2071-2100
N M O
Q P R
0
1
2
3
4
5
6
7
2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090
oC
High
Medium
Low
Unperturbed
Brazil
0
1
2
3
4
5
6
7
2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090
oC
High
Medium
Low
Unperturbed
Amazon
Temperature increase
Precipitation Annual cycle 2071-2100
Brazil Amazônia
Marengo et al 2012
Brazilian major river basins
2011_2040 - 1961_1990 2041_2070 - 1961_19 90 2071_2100 - 1961_1990
Marengo et al 2012
Algumas conclusões Eta 40km
– O downscaling com o Modelo Eta-HadCM3 (4 membros) para o clima presente
reproduzem o padrão de circulação de grande escala da América do Sul
– O padrão de precipitação em DJF e JJA é bem representado pelos 4 membros e apresentam melhoria em relação ao modelo HadCM3
– Pequeno espalhamento entre os membros do ensemble. Necessidade de incluir mais membros
– As projeções futuras do Modelo Eta-HadCM3 para o cenário A1B sugerem uma redução na precipitação no Norte da America do Sul e aumento no Sul no Verão.
– Projeções sugerem redução da precipitação nas Bacias Amazônia e do rio São Francisco e as mudanças negligenciáveis de precipitação na bacia do rio Paraná.
Eta Model 20km characteristics
•Convection:
Betts-Miller-Janjic scheme,
• Stratiform rain:
Zhao scheme
• Turbulence:
Mellor Yamada 2.5, MO surface layer, Paulson functions
• Radiation:
GFDL package
• Land surface scheme:
NOAH scheme, 4 soil layers,
• Initial conditions
HADCM3
•LBC: HadCM3 uptd 6/6 h,
• Domain
Most part of South America
Resolution: 20 km/38 layers;
Grid-point model
Arakawa E grid
• Refined Eta vertical coordinate
(Mesinger, 1984; Mesinger et al 2012)
•Prognostic variables:
T, q, u, v, ps, TKE, cloud water/ice, hydrometeors
•Time integration:
2 level, split-explicit
Adjustmet: forward-backward
Horiz.Advection: first forward and then centered
Vert Advection: Piecewise Linear Scheme > finite volume Model
3877
1790
533
21
3464
1526
398
0
4319
2076
690
65
4792
2386
867
118
5298
2720
1065
191
5841
3079
1285
284
TOPOGRAFIA Eta
20km STEPS (225X485X38) 40km STEPS (113X243X38)
3877
1790
533
21
3464
1526
398
0
4319
2076
690
65
4792
2386
867
118
5298
2720
1065
191
3079
1285
284
TIPO DE VEGETAÇÃO Eta
20km VEGTYPE (225X485X38) 40km VEGTYPE (113X243X38)
1 - BROADLEAF-EVERGREEN TREES (TROPICAL FOREST)
2 - BROADLEAF-DECIDUOUS TREES
3 - BROADLEAF AND NEEDLELEAF TREES (MIXED FOREST)
4 - NEEDLELEAF-EVERGREEN TREES
5 - NEEDLELEAF-DECIDUOUS TREES (LARCH)
6 - BROADLEAF TREES WITH GROUNDCOVER (SAVANNA)
7 - GROUNDCOVER ONLY (PERENNIAL)
8 - BROADLEAF SHRUBS WITH PERENNIAL GROUNDCOVER
9 - BROADLEAF SHRUBS WITH BARE SOIL
10 - DWARF TREES AND SHRUBS WITH GROUNDCOVER (TUNDRA)
11 - BARE SOIL
12 - CULTIVATIONS (THE SAME PARAMETERS AS FOR TYPE 7)
AM BR
NE
CRU E40km E20km
Ciclo Anual – Precipitação CRU x Eta40km x Eta20km
N
SE
SF
S CRU E40km E20km
CO
Ciclo Anual – Precipitação CRU x Eta40km x Eta20km
CRU E40km E20km
AM BR
NE
( oC ) ( oC )
( oC ) ( oC )
N
Ciclo Anual – Temperatura 2m CRU x Eta40km x Eta20km
CO
CRU E40km E20km
SF
SE S
( oC ) ( oC )
( oC ) ( oC )
Ciclo Anual – Temperatura 2m CRU x Eta40km x Eta20km
FREQUÊNCIA RELATIVA vs PRECIPITAÇÃO (mm/dia)
Distribuição do Eta-20km mais próxima da distribuição dos dados CRU Bacia São Francisco
%
%
%
– Os campos horizontais apresentam padrões semelhantes ao Eta-40km (caso
piloto);
– A simulação do ciclo anual de temperatura e precipitação do clima presente apresenta pequena melhoria sobre dados do Eta-40km);
– A distribuição de frequência da precipitação do clima presente foi melhor descrita na versão Eta-20km
Algumas conclusões Eta 20km
- Versão Eta-5km NH, mudanças climáticas (aplicação em estudos de megacidades, desastres naturais);
- Preparação para leitura do alguns modelos globais do AR5: - BESM, HadGEM-ES, MIROC5, IPSL, ...
- Novos cenários AR5 (Representative Concentration Pathway) – Ex: RCP4.5;
- Inclusão de novos esquemas de superfície (Vegetação dinâmica): INLAND,
NOAH-MP;
- Inserção de áreas inundáveis;
- inclusão de cultura perene: café; - Acoplamento com modelo oceânico
- Esquema de radiação
Em andamento....
OBRIGADO !
andre.lyra@cptec.inpe.br
Eta-20km
JJA SON DJF MAM
JJA SON DJF MAM
CRU 1961-1990 PRECIPITAÇÃO
Eta-20km
JJA SON DJF MAM
JJA SON DJF MAM
CRU 1961-1990 TEMPERATURA
Eta-20km
JJA SON DJF MAM
JJA SON DJF MAM
1961-1990 CIRCULAÇÃO 200 hPa ERA 40
Eta-20km
JJA SON DJF MAM
JJA SON DJF MAM
ERA 40 1961-1990 CIRCULAÇÃO 850 hPa
MAM
2041-2070 1961-1990 2011-2040
DJF
2041-2070 1961-1990 2011-2040
2071-2099
2071-2099
PROJEÇÕES PRECIPITAÇÃO
SON
2041-2070 1961-1990 2011-2040
JJA
2041-2070 1961-1990 2011-2040
2071-2099
2071-2099
PROJEÇÕES PRECIPITAÇÃO
MAM
2041-2070 1961-1990 2011-2040
DJF
2041-2070 1961-1990 2011-2040
2071-2099
2071-2099
PROJEÇÕES TEMPERATURA
2071-2099
SON
2041-2070 1961-1990 2011-2040
JJA
2041-2070 1961-1990 2011-2040
2071-2099
PROJEÇÕES TEMPERATURA
MAM
2041-2070 1961-1990 2011-2040
DJF
2041-2070 1961-1990 2011-2040
2071-2099
2071-2099
PROJEÇÕES CIRCULAÇÃO 200 hPa
SON
2041-2070 1961-1990 2011-2040
JJA
2041-2070 1961-1990 2011-2040
2071-2099
2071-2099
PROJEÇÕES CIRCULAÇÃO 200 hPa
MAM
2041-2070 1961-1990 2011-2040
DJF
2041-2070 1961-1990 2011-2040
2071-2099
2071-2099
PROJEÇÕES CIRCULAÇÃO 850 hPa
SON
2041-2070 1961-1990 2011-2040
JJA
2041-2070 1961-1990 2011-2040
2071-2099
2071-2099
PROJEÇÕES CIRCULAÇÃO 850 hPa