Estudo do balanço radiativo e energético da atmosfera em função da emissão natural e antrópica de CO2 utilizando o Modelo Atmosférico Global Brasileiro (BAM)

• Main Author: Layrson de Jesus Menezes Gonçalves
• Other Authors: Simone Marilene Sievert da Costa Coelho
• Language: Portuguese
• Published: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) 2017
• Online Access: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21b/2017/05.15.19.05

Esta pesquisa tem o objetivo principal de estudar o impacto devido às emissões de dióxido de carbono (CO2) e do tipo de modelo de vegetação na estrutura dinâmica e termodinâmica e, consequentemente, nos balanços de radiação e energético da atmosfera. Para a realização do trabalho, primeiramente foi criado e implementado no Modelo Atmosférico Global Brasileiro (BAM) um banco de dados de emissão de CO$_{2]$ de origem natural e antrópico. Assim, foram realizadas 8 simulações climáticas (1 controle e 7 experimentos) com resolução horizontal de aproximadamente 200 km e 18 níveis na vertical no período de 1980 a 2010 (30 anos) que diferem em termos de concentração de CO2 (aumento homogêneo de 4 vezes, somente emissão natural e emissão natural e antrópico) e tipo de vegetação (estática e dinâmica). Para verificar a consistência do experimento controle, algumas variáveis (componentes do balanço de radiação, precipitação, circulação em 200 hPa e temperatura a 2 metros) foram comparadas com dados de referência de reanálises e satélites. Na segunda etapa do trabalho, foi verificado o impacto dos cenários de CO$_{2}$ e a utilização do modelo de vegetação dinâmica nas variáveis citadas acima através da avaliação dos experimentos em relação à simulação controle. Por fim, os campos meteorológicos foram utilizados para calcular os termos de energética utilizando o Ciclo de Energia de Lorenz. De forma geral, o experimento controle simulou as principais características climáticas globais, mostrando consistência quando comparado aos dados de referência, porém com algumas deficiências. Em termos de radiação, o modelo mostrou que a atmosfera global é mais transparente à radiação solar do que os dados observacionais de satélite, e que as regiões polares apresentam baixo albedo da superfície. Os experimentos com aumento homogêneo (4xCO$_{2}$), indicaram a redução da energia potencial do estado básico principalmente na região tropical e no hemisfério Norte. Isto se deve, principalmente, à redução da atividade convectiva nestas regiões e da precipitação. Adicionalmente, verificou que devido ao efeito estufa, a temperatura do ar em 2 metros aumentou globalmente em torno de 0.5 K, sendo que nos continentes o aumento atingiu valores de +4.0 K. Considerando vegetação estática, os experimentos com emissão natural e antrópico tiveram impactos pequenos comparados com os resultados do experimento controle. Porém, observa-se que a emissão antrópico tende a reduzir a precipitação em algumas regiões próximas ao Equador, e diminuir a energia potencial disponível do estado básico. O emprego da vegetação dinâmica tem maior impacto nas simulações do modelo, do que o uso apenas da emissão natural e antrópico. Isto se deve ao efeito da vegetação nos fluxos de umidade e calor. === This research has the main objective of studying the impact due to the emissions of carbon dioxide (CO$_{2}$) and the type of vegetation model in the dynamic and thermodynamic structure, and consequently in the radiation and energetic balances of the atmosphere. To reach the results obtained, a database of CO$_{2}$ emission data of natural and anthropogenic origin was first created and implemented in the Brazilian Global Atmospheric Model (BAM). Thus, 8 climate simulations (1 control and 7 experiments) with horizontal resolution of approximately 200 km and 18 vertical levels in the period from 1980 to 2010 (30 years) that differ in terms of CO$_{2}$ concentration (homogeneous increase of 4 times, only natural emission and more anthropogenic natural emission) and type of vegetation (static and dynamic). In order to verify the consistency of the control experiment, some variables (components of the radiation balance, precipitation, circulation at 200 hPa and temperature at 2 meters) were compared with reference data of reanalysis and satellites. In the second stage of the study, was verified the impact of the CO2 scenarios and the use of the dynamic vegetation model in the variables mentioned above through the evaluation of the experiments in relation to the control simulation. Finally, the meteorological fields were used to calculate the energy terms using the Lorenz Energy Cycle. In general, the control experiment simulated the main global climatic characteristics, showing consistency when compared to reference data, but with some deficiencies, in terms of radiation, the model showed that the global atmosphere is more transparent to solar radiation than the satellite observational data, and that the polar regions have low surface albedo. The experiments with homogeneous increase (4xCO2) indicated the reduction of the available potential energy in basic state mainly in the tropical region and in the Northern hemisphere. This is mainly due to the reduction of convective activity in these regions. In addition, it was verified that due to the greenhouse effect, the temperature of the air in 2 meters increased globally around 0.5 K, in the continents the increase reached values of +4.0 K. Considering static vegetation, the experiments with natural and anthropogenic emission had low impacts compared to the results of the control experiment. However, it is observed that the anthropogenic emission tends to reduce the precipitation in some regions near the Equator, and reduce the available potential energy in basic state. The use of dynamic vegetation has a greater impact on model simulations than the use of natural and anthropogenic emission alone. This is due to the effect of vegetation on the flows of moisture and heat.