Multi-scale fire modeling in the neotropics: coupling a land surface model to a high resolution fire spread model, considering land cover heterogeneity

• Main Author: Etienne Tourigny
• Other Authors: Carlos Afonso Nobre
• Language: English
• Published: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) 2014
• Online Access: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21b/2014/05.30.00.36

Land-Use and Land-Cover Change (LUCC) is a major cause of biomass burning in neotropical ecosystems, through logging and slash-and-burn clearing of forests for agriculture and subsequent pasture burning. Current Dynamic Vegetation Models (DGVMs), the land surface components of Earth System Models (ESMs), are incapable of modeling fire processes in tropical rainforests, and do not represent the local-scale land surface properties and processes associated with LUCC and fire spread. The modeling of the complex interactions between LUCC, climate change, droughts and fire in the tropics requires a framework to simulate these components and their interactions across multiple scales. A new modeling framework is proposed, in order to better represent fire in the neotropics within DGVMs, by simulating fire spread and its interactions with LUCC and the global Earth System. This study consists of three parts: the implementation of \emph{subgrid tiling} in the INLAND DGVM and a multi-scale framework to down-scale the model to a finer scale; the implementation of a simple fire spread model and one-way coupling (downscaling) with the INLA:\"D mo del ; the validation of global burned area products in the "are of deforestation" for mo del calibration and validation. The implementation of \emph{subgrid tiling} in the INLAND DGVM has made it possible to represent different land surface types (natural or modified by human activities) inside a given mo del grid cell. However further work is needed in order to parametrize landscapes infiuenced by human activities. The custom fire spread model, coupled to the INLAND model, has demonstrated the ability to simulate realistic fire spread patterns and sensitivity to various parameters such as land cover type, deforestation patterns, the presence of roads, and wind speed and direction. Further work is needed in order to improve the parametrizations and consider air and fuel moisture and fuel content, as well as up-scaling the results to the coupled DGVM. The validation of global burned area products in the "are of deforestation" brings sufficient confidence in using these products for the calibration and validation of the fire components of DGVMs and ESMs in this region. This study has demonstrated the potential of the multi-scale modeling framework for studying the synergies between climate change, LUCC and fire in the neotropics. === A mudança do uso e cobertura da terra (LUCC; \emph{Land-Use and Land-Cover Change}) é uma das principais causas de incêndios nas florestas neotropicais, principalmente pelo desmatamento e queima da floresta primária para usos agrícolas e subsequente queima de pasto. Os atuais Modelos Globais de Vegetação Dinâmica (DGVMs; \emph{Dynamic Vegetation Models}), os quais são o componente superficial de Modelos do Sistema Terrestre (ESMs; \emph{Earth System Models}), são incapazes de representar os processos do fogo em florestas tropicais úmidas e não representam em escala local as propriedades da superfície terrestre e os processos associados com o LUCC e a propagação do fogo. A modelagem das interações complexas entre LUCC, mudanças climáticas, secas e as queimadas nos trópicos requer um quadro para simular os diferentes componentes e suas interações em múltiplas escalas. Propõe-se um novo ambiente de modelagem para melhor representar o fogo nos ecossistemas neotropicais dentro dos DGVMs, simulando a propagação do fogo e as relações com LUCC e o sistema terrestre global. Este projeto de pesquisa consiste em três partes: implementação de \emph{subgrid tiling} no modelo INLAND e de um ambiente de modelagem multi-escala para fazer o \emph{downscaling} do modelo para a escala mais fina: implementação de um modelo simples de propagação do fogo e acoplamento unidirecional (downscaling) com o modelo INLAND; e validação de produtos globais de área queimada no "arco do desmatamento" para calibração e validação de modelos. A implementação de \emph{subgrid tiling} no modelo INLAND tornou possível a representação de diferentes tipos de superfície (naturais ou modificados por atividades humanas) dentro de uma determinada célula de grade do modelo. Ainda assim mais estudos são necessários a fim de parametrizar paisagens influenciadas pelas atividades humanas. O modelo de propagação do fogo, acoplado ao modelo INLAND, demonstrou a habilidade em simular padrões realistas de propagação do fogo e sensibilidade à mudança de vários parâmetros, como o tipo de cobertura do solo, os padrões de desmatamento, a presença de estradas, e as velocidade e direção do vento. Em estudos futuros são necessários melhorias nas parametrizações e inclusão da umidade do ar e dos combustíveis, e a quantidade de combustível, bem como o \emph{upscaling} dos resultados para a DGVM acoplado. A validação de produtos globais de área queimada no "arco do desmatamento" traz confiança suficiente para o uso desses produtos na calibração e validação dos componentes de fogo dos DGVMs e ESMs nessa área. Este estudo demonstrou o potencial deste ambiente de modelagem multi-escala para estudar as sinergias entre mudanças climáticas, LUCC e fogo nos neotrópicos.