Brasil

Dados do Trabalhos de Conclusão

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA
METEOROLOGIA (42002010040P0)
CALIBRAÇÃO DO MODELO SIB2 PARA O CERRADO NO SUDESTE DO BRASIL.
ROILAN HERNANDEZ VALDES
DISSERTAÇÃO
15/07/2016

Os modelos da superfície terrestre (LSMs) são a componente dos modelos numéricos de previsão numérica do tempo e clima que representam os processos de interação entre a biosfera e atmosfera. A necessidade de aperfeiçoar a representação dos processos biogeofísicos estimulou o desenvolvimento de sofisticadas parametrizações, aumentando a complexidade dos LSMs e o número de parâmetros. Alguns desses parâmetros podem ser medidos, mas isso não assegura que melhores resultados serão produzidos devido a erros de amostragem e representatividade das condições experimentais (variabilidade espacial, vertical e a heterogeneidade de superfície). Portanto, uma estratégia geral é usar experimentos de campo (locais) para calibrar esses parâmetros para diferentes tipos de vegetação, minimizando as diferenças entre os valores simulados e observados da(s) variável( is) de interesse. LSMs são geralmente calibrados usando observações dos fluxos de calor sensível (H) e latente (LE). Enquanto estudos que incluam a umidade do solo () na calibração são menos frequentes (ou restritos a camada superficial do solo), mas em ecossistemas florestais sujeitos a estresse hídrico sazonal (zona radicular profunda, heterogeneidade vertical) o perfil vertical da umidade do solo na zona vadosa é essencial para simulação da transpiração, assimilação de CO2 e a partição entre os escoamentos superficial e subterrâneo. Esta dissertação descreve a calibração do modelo Simples da Biosfera (SiB2) para o Cerrado sensu-stricto, utilizando medidas de fluxos, umidade do solo e forçantes atmosféricas coletadas em uma torre micrometeorológica localizada na Gleba Pé de Gigante, SP, no período de Julho de 2009 até Julho de 2012. Para a calibração, o modelo SiB2 foi separado em módulos que incluíram os processos radiativos, aerodinâmicos e por último os processos hídricos e de condutância e fotossínteses. O algoritmo de calibração multiobjetivo AMALGAM foi aplicado a cada um desses módulos utilizando nas funções objetivo a raiz do erro quadrático médio (RMSE), eficiência de Nash-Sutcliffe (NSE), erro da amplitude do ciclo médio anual (ACAM) ou horário (ACH). As variáveis calibradas foram: albedo PAR (PAR), albedo global (), velocidade de fricção (u), saldo de radiação (Rn), fluxo de calor latente e sensível e armazenamento total de água (Az) até dois metros de profundidade. No entanto, a calibração por módulos foi comparada com uma calibração global na qual somente foram otimizadas as variáveis LE, H e Az. A calibração do módulo radiativo permitiu reproduzir o ciclo sazonal e amplitude do albedo PAR, enquanto o albedo global ficou defasado temporalmente e com amplitude levemente menor que a observação, porém teve razoável melhora quando comparado com o simulado com os parâmetros originais. O saldo de radiação foi razoavelmente simulado, apresentando superestimativa no inverno e primavera e mostrou-se sensível fundamentalmente à parametrização de radiação de onda longa incidente. Enquanto a u subestimou levemente o ciclo médio diário observado mas teve erro menor que a configuração original. Por outro lado, a discretização de três camadas do solo do modelo não conseguiu representar os processos hidrológicos no solo e superfície simultaneamente do Cerrado. Mudou-se, portanto, a estrutura de solo, introduzindo o perfil vertical de distribuição de raízes, o processo de redistribuição hidráulica e a atualização do esquema de infiltração Green-Ampt. Estes esquemas foram fundamentais para a modelagem dos processos hidrológicos da vegetação Cerrado, o que é aplicável a outras de sistema radicular profundo. A calibração global representou razoavelmente LE, H e Az, porém resultou em PAR anti-correlacionado, subestimativa considerável do e u, além de partição inconsistente nas componentes da evapotranspiração.

calibração;SiB2;cerrado sensu-stricto;fluxos energéticos;umidade do solo
The land surface models (LSM) are the component of the numerical weather prediction and climate models that represents the processes of interaction between the biosphere and atmosphere. The need to improve the representation of bio-geophysical process stimulated the development of sophisticated parametrization. This development increased the complexity of LSMs and the number of parameters involved. Some of these parameters can be measured, but it does not ensure that the best results will be produced. Therefore, a general strategy is to use field experiments (local) to calibrate these parameters for different vegetation types, minimizing the differences between the simulated and observed value(s) of variable(s) of interest. LSMs are usually calibrated using observation of the sensible (H) and latent (LE) heat flux . Studies including soil moisture () in the calibration are less frequent (or restricted to the surface layer), but in forest ecosystems, under seasonal water stress, vertical soil moisture profile in vadose zone is essential for simulating transpiration, CO2 assimilation and the partition between the surface and underground flows. This paper describes the calibration of the Simple Biosphere Model (SiB2) for the Cerrado sensu-stricto, using flux measurements, soil moisture and atmospheric forcings collected in a micrometeorological tower located in Gleba Pé de Gigante, SP, in the period July 2009 to July 2012. For calibration, the SiB2 model was separated into modules that included the radiative, aerodynamic and finally, soil water processes and conductance and photosynthesis. The multi-objective calibration algorithm AMALGAM was applied to each of these modules using as objective functions: the mean square error (RMSE), Nash-Sutcliffe efficiency (NSE), the error of amplitude of the mean cycle annual (ACAM) or hourly (ACH). The calibrated variables were: albedo PAR (PAR), global albedo (), friction velocity (u), net radiation (Rn), latent and sensible heat flux and total water storage (Az) up to two meters deep. Nonetheless, the modular calibration was compared with a global calibration in which only variables LE, H and Az were optimized. The calibration for radiative module allowed to reproduce the seasonal cycle and amplitude for albedo PAR, while the global albedo was lagged temporally and a slightly smaller amplitude than the observation but had considerable improvement compared with that simulated with the original parameters. The balance of radiation was reasonably simulated, with overestimation in winter and spring and it proved to be fundamentally sensitive to downward longwave radiation. The u was slightly underestimated in the average daily cycle against to observed but had less error than the original parameters. On the other hand, the model discretization in three soil layers failed to represent the hydrological processes in the soil and surface simultaneously for Cerrado. Therefore, the soil structure was changed by introducing vertical root distribution profile, the process of hydraulic redistribution and updating the Green-Ampt infiltration scheme. These schemes were essential to the modeling of hydrologic processes of Cerrado vegetation, which is applicable to other deep root system. The global calibration fairly represented LE, H and Az, but resulted in PAR anti-correlated, considerable underestimation of the and u, also in inconsistent partition for evapotranspiration components.
calibration;SiB2;woodland savanna;energy fluxes;soil humidity
1
69
PORTUGUES
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA

Contexto

METEOROLOGIA
MICROMETEOROLOGIA
-

Banca Examinadora

JONATAN DUPONT TATSCH
Sim
Nome Categoria
OSVALDO MACHADO RODRIGUES CABRAL Participante Externo
ANGELICA DURIGON Docente

Vínculo

Bolsa de Fixação
Instituição de Ensino e Pesquisa
Pesquisa
Sim