Monitoramento do Transporte de Poluição Antropogênica e de Queimada na América do Sul
Resumo
O transporte atmosférico de emissões antropogênicas e de queimada sobre os continentes da América do Sul e África e o Oceano Atlântico Sul é monitorado pelo CPTEC/INPE em uma base operacional <meioambiente.cptec.inpe.br>. Um sistema de monitoramento operacional em tempo real foi implementado em 2003 usando o modelo de transporte 3D on-line CATT-BRAMS (Coupled Aerosol and Tracer Transport model to the Brazilian developments on the Regional Atmospheric Modelling System) acoplado com um modelo de emissões. Neste modelo, a equação de conservação de massa é resolvida para monóxido de carbono e material particulado PM2.5. As fontes de emissões de gases e partículas associadas com queimada em floresta tropical, cerrado e pastagem são parametrizadas e introduzidas no modelo. As fontes são distribuídas espacialmente e temporalmente e assimiladas diariamente conforme os focos de queimada obtidos por sensoriamento remoto (AVHRR, MODIS e GOES-12). Fontes antropogênicas de CO são incluídas conforme as bases de dados EDGAR/RETRO/CETESB. A advecção na escala de grade é resolvida com o esquema avançado upstream de segunda ordem, a difusão horizontal é baseada na formulação de Smagorinsky e a difusão vertical é parametrizada de acordo com o esquema 2.5 de Mellor e Yamada (1974), que utiliza um prognóstico da equação de energia cinética turbulenta. Uma parametrização de transporte sub-grade, associada à convecção profunda (precipitante) e rasa (não precipitante) não resolvida explicitamente pelo modelo dado à resolução espacial baixa, é também introduzida. O transporte sub-grade de subida da pluma associado à queima de biomassa é simulado com um modelo 1D que possibilita a simulação de nuvem, com condições de contorno inferiores apropriadas, em cada coluna do modelo sede CATT-BRAMS. Sumidores, associados a processos genéricos de desentranhamento/transformação de gases e partículas, são parametrizados e introduzidos na equação de conservação de massa.
História do Desenvolvimento do Modelo
O desenvolvimento do sistema atual do modelo foi iniciado durante o programa de doutorado de Saulo R. Freitas e Karla M. Longo no Instituto de Física da Universidade de São Paulo sob a supervisão da Professora Maria Assunção Silva Dias e do Professor Paulo Artaxo. Melhorias adicionais foram feitas no Centro de Pesquisa NASA Ames em colaboração com o Dr. Robert Chatfield. Atualmente, o desenvolvimento do modelo, em andamento no CPTEC-INPE, é realizado em colaboração com a Universidade de Orleans e a Universidade de São Paulo.
Model Description
BRAMS - Brazilian developments on the Regional Atmospheric Modeling System
BRAMS (www.cptec.inpe.br/brams) é baseado no Regional Atmospheric Modeling System (RAMS, Walko et al., 2000) versão 6 com algumas funcionalidades novas e parametrizações especializadas para trópicos e sub-trópicos. RAMS é um modelo de previsão numérica multi-objetivo desenhado para simular circulações atmosféricas com escalas variando da escala hemisférica até simulações de grandes turbilhões (LES, em inglês Large Eddy Simulations) da Camada Limite Planetária (CLP) (Walko et al., 2000, www.atmet.com). O conjunto de equações usado é constituído das equações não-hidrostáticas quasi-Boussinesq descritas por Tripoli e Cotton (1982). O modelo é equipado com um esquema de aninhamento múltiplo que permite que as equações do modelo sejam solucionadas simultaneamente em qualquer número de grades computacionais com resoluções espaciais diferentes que interagem entre si. Também possui um complexo conjunto de módulos para simular processos como: transferência radiativa, troca de água, calor e momento entre a superfície e a atmosfera, transporte turbulento na camada limite planetária, e microfísica das nuvens. As condições iniciais podem ser definidas a partir de vários conjuntos de dados observacionais que podem ser combinados e processados com um pacote isentrópico e mesoescala de análise de dados (Tremback, 1990). Para as condições de contorno, os esquemas 4DDA permitem que os campos atmosféricos sejam aproximados aos dados de grande escala. Pacotes do BRAMS utilizados nesse sistema incluem uma versão ensemble do esquema de convecção profunda e rasa baseado no formalismo de fluxo de massa (Grell and Devenyi, 2002) e dados de inicialização da umidade do solo (Gevaerd and Freitas, 2006).
Algumas das seguintes parametrizações são usadas no modelo:
  • Os coeficientes de difusão horizontal são baseados na formulação de Smagorinsky (1963).
  • A difusão vertical é parametrizada conforme o esquema Mellor e Yamada (1974), que emprega um prognóstico da energia cinética turbulenta.
  • A troca de água, momento e energia entre a superfície e a atmosfera é simulada pelo modelo Land Ecosystem Atmosphere Feedback (LEAF-3), que representa o armazenamento e a troca vertical de água e energia em camadas múltiplas de solo, incluindo os efeitos do congelamento e derretimento do solo, água na superfície ou cobertura de neve temporária, vegetação e ar na copa das árvores (Walko et al., 2000).
  • A advecção é resolvida com esquema avançado upstream de segunda ordem (Tremback et al. 1987).
  • Microfísica bulk (Walko et al., 2000)
  • Esquema de convecção profunda e rasa baseada em Grell e Devenyi (2002).
  • Assimilação de Dados 4D (4DDA), um esquema de ajuste em que os campos do modelo podem ser aproximados aos dados observacionais.
Coupled Aerosol and Tracer Transport model coupled to BRAMS (CATT-BRAMS)
CATT-BRAMS explora a capacidade de transporte de traçadores do BRAMS de usar espaços reservados para escalares. O transporte on-line do modelo segue a técnica euleriana, solucionando a equação de conservação de massa para monóxido de carbono (CO) e material particulado PM2.5, em que a razão de mistura, s (=ρ/ρair), é calculada usando a equação de conservação de massa (usando a notação de tendências)

em que adv, PBL turb e deep(shallow) conv significam a advecção na escala de grade, o transporte sub-grade na camada limite planetária (CLP) e o transporte sub-grade associado à convecção úmida e profunda (rasa, não-precipitante), respectivamente. W representa o desentranhamento de PM2.5, R é um termo sumidouro associado com o processo genérico de desentranhamento/transformação de traçadores (deposição e sedimentação para PM2.5 e transformação química para MC) e Qplume-rise é a emissão associada ao processo de queima de biomassa, incluindo o mecanismo de subida da pluma.
A advecção, na escala de grade, é um esquema avançado de segunda ordem, a difusão horizontal é baseada na formulação de Smagorinsky e a difusão vertical é parametrizada segundo o esquema Mellor e Yamada (1974). O transporte sub-grade associado ao transporte profundo e raso é acoplado ao esquema de convecção de Grell. Para PM2.5, o esquema de transporte convectivo de traçador também é levado em consideração para o desentranhamento pela precipitação (dentro e por baixo das nuvens), baseado no trabalho de Berge (1993). A ascensão da pluma associada à queimada é incluída segundo o conceito de super-parametrização (Freitas et al., 2006, 2007). Deposição seca e sedimentação seguem a formulação de resistência. A Figura 1 mostra alguns processos simulados pelo CATT-BRAMS, bem como uma parametrização radiativa adicional, que considera a interação entre partículas de aerossol e radiação de onda longa e curta usando a aproximação rápida two-stream (Toon, et al., 1989). O espalhamento e a absorção pelos aerossóis, calculados com o código Mie para esferas estratificadas (Toon e Ackerman, 1981), foram implementados. Enquanto que um modelo dinâmico, derivado de três anos de propriedades óticas de dados recuperados de algumas das medidas dos sites AERONET (Procópio et al., 2003), é usado para os aerossóis de fumaça
Figura 1. Alguns dos processos sub-grades envolvidos no transporte de gases e aerossóis e simulados pelo modelo CATT-BRAMS.
Parametrização de emissão de fonte
A parametrização da emissão de traçadores de queima da biomassa baseada no trabalho de Freitas (1999) foi implementada. A emissão da fonte de queima de biomassa (para CO, CO2, CH4, NOx e PM2.5) é baseada nos produtos de fogo GOES-12 WF_ABBA (Prins et al., (1998), http://cimss.ssec.wisc.edu/goes/burn/abba.html) GOES-12, AVHRR e nas observações de foco de incêndio do MODIS pelo CPTEC-INPE (http://www.cptec.inpe.br/queimadas/), e em observações de campo. Para cada fogo captado por sensoriamento remoto, a massa de traçadores emitidos é calculada (detalhes: emissão de fonte ) e sua emissão do modelo segue um ciclo diurno de queima (taxa de emissão ). O tipo de vegetação que está queimando é obtido do mapa de vegetação de 1km do IGBP-INPE (http://edcdaac.usgs.gov/glcc/glcc.html) e (http://www.cptec.inpe.br/proveg/). As fontes são distribuídas espacialmente e temporalmente e assimiladas diariamente segundo os focos de queima de biomassa definidos pelas observações de satélite (Figura 2). As emissões de queima de biomassa são adicionadas às emissões de queimada agrícola e queima de lenha EDGAR com resolução horizontal de 1x1 grau e resolução temporal de um ano (veja as figuras
). No continente africano, as emissões de queimada são sempre definidas seguindo a base de dados GFEDv2.
As emissões de monóxido de carbono associadas aos processos antropogênicos (indústria, geração de eletricidade, transporte etc.) são fornecidas pelas bases de dados EDGAR/RETRO com uma correção da CETESB para a Região Metropolitana de São Paulo (CETESB/2002).

Figura 2. Inventário de emissões de queimada usado pelo modelo CATT-BRAMS.

Descrição do produto
Configuração do modelo, condições iniciais e de contorno
O modelo é configurado com três grades com uma resolução horizontal de 150, 30 e 15 km (Figura 3). A resolução vertical começa a 150 m acima da superfície, se extendendo a uma taxa de 1.15 até a resolução final de 850 m, com o topo do modelo a aproximadamente 20 km. A grade maior, cobrindo os continentes da América do Sul e da África, tem como finalidade gerar o fluxo de traçadores que vêm da África à América do Sul. O modelo atmosférico é inicializado e ajustado com as análises/previsões do modelo global do CPTEC, que tem resolução horizontal de 1,875 graus e temporal de 6 horas. Os campos 3D de concentração de traçadores da simulação anterior são usados como condição inicial para a próxima e uma condição de fluxo constante é usada como condição de contorno para os traçadores na grade grossa. A simulação é realizada por 48 horas, começando às 00 UTC do dia anterior. A umidade do solo é inicializada com base no método de índice de precipitação antecedente (Gevaerd e Freitas, 2006). A análise e o prognóstico dos campos de monóxido de carbono e concentração de massa de partículas de aerossol, espessura ótica de aerossol e massa úmida de partícula de aerossol depositada são apresentados diariamente em meioambiente.cptec.inpe.br. A comparação dos resultados do modelo com produtos de sensoriamento remoto de aerossol e gases traços mostrou as boas habilidades de previsão do modelo.

Figura 3. Grades do modelo operacional

Comparação e avaliação do modelo com dados observacionais e de sensoriamento remoto para a época seca de 2002
Avaliação do modelo com medidas de superfície e aéreas do SMOCC/RaCCI 2002. A Figura 4 mostra duas séries de tempo com comparação do CO e de PM2.5 de superfície obtidos do modelo e das observações. Uma comparação dos resultados do modelo para PM2.5 e CO, às 1200 UTC, com médias diárias centrados, às 1200 UTC dos valores medidos, revela uma boa correspondência em termos do padrão geral de evolução temporal e dos valores.

Figura 4. Séries de tempo com comparação entre CO próximo à superfície (ppb, acima) e PM2.5 (g m-3, embaixo) observado (preto) e resultado do modelo (vermelho). Médias diárias foram calculadas, centradas às 1200 UTC. As barras de erro são o desvio padrão (DP) dos valores médios. Os resultados do modelo são apresentados como valores instantâneos às 1200 UTC.

Os perfis simulados de CO na CLP e baixa troposfera foram comparados com observações aéreas da campanha SMOCC/RaCCI. A Figura 5 mostra comparações para dezesseis vôos. A média e o DP dos perfis observados de CO são mostrados; note que DP representa a variabilidade real das concentrações, não o erro de medição.

Figura 5. Comparação entre CO (ppb) observado durante dezesseis vôos da campanha LBA-SMOCC/RaCCI (linha sólida e preta representa a média, enquanto a zona cinza mostra a faixa do desvio padrão) e resultados do modelo (azul).

O desempenho completo do modelo pode ser avaliado na Figura 6, onde o perfil médio observado de CO e seu DE são apresentados junto com o CO médio do modelo. O resultado do modelo é muito consistente com a média observada, estando sempre dentro da faixa do DP. A Figura 6 também indica que o modelo é capaz de capturar com precisão a distribuição vertical das concentrações observadas.

Figura 6. Comparação entre o CO médio (ppb) observado durante dezesseis vôos da campanha LBA-SMOCC/RaCCI (linha sólida e preta representa a média, enquanto a zona cinza mostra a faixa do desvio padrão) e a média dos resultados do modelo (azul).

5.2 Comparações do modelo com dados de MOPITT
Nesta seção se avalia o desempenho do modelo em escalas maiores, incluindo os níveis troposféricos superiores, usando dados obtidos pelo instrumento MOPITT (pelas siglas em inglês: Measurements of Pollution in the Troposphere; Medições da Poluição na Troposfera) a bordo do satélite Earth Observing System TERRA (Sistema de Observação da Terra “TERRA“). Dados recuperados do MOPITT para a razão de mistura de CO (ppb) são reportados para 7 níveis de pressão, da superfície até 150 hPa (Deeter et al., 2003). Dado que os dados do MOPITT têm grandes áreas horizontais sem dados válidos, devido à espessura da área de observação e à cobertura de nuvens, as médias mensais dos resultados do modelo foram calculadas, depois de aplicar o kernel de média e o perfil a priori, e utilizando dados recuperados com > 50% de contribuição a priori. A Figura 7 mostra as comparações para os meses de agosto, setembro e outubro em cinco níveis verticais (850, 700, 500, 350 e 250 hPa) na grade maior. A quantidade retratada na figura mencionada anteriormente é o erro relativo do modelo (EM) definido como
,
onde COmodel é a média mensal da razão de mistura de CO depois de aplicar o kernel de média e uma fração < 50%.

Figura 7. Erro relativo do modelo para CO (%) referente aos dados obtidos de CO pelo MOPITT para os meses de agosto, setembro e outubro de 2002, em cinco níveis verticais (850, 700, 500, 350 e 250 hPa). Valores positivos significam que os resultados do modelo são subestimados em relação aos dados recuperados do MOPITT e vice-versa.

Um estudo da troposfera superior (7 a 9 de setembro de 2002, para o caso de uma frente fria convectiva)

Figura 8. Razão de mistura para CO (ppb, à esquerda) e o erro do modelo relativo aos dados recuperados de CO pelo MOPITT (%, à direita), a 250, 350 e 500 hPa. Valores médios com relação ao tempo foram calculados para os dias 6,7, 8 e 9 de setembro de 2002. Áreas em branco, à direita, denotam lugares sem dados válidos para MOPITT durante o período das médias.

5.2 Comparações do modelo com dados MODIS/TERRA
Compararam-se a espessura ótica de aerossol (canal 550 nm) derivada das observações do MODIS-TERRA e a calculada pelo modelo (combinação da grade regional e grossa) para o dia 27 de agosto de 2002. É evidente um corredor de fumaça associado a uma circulação de anticiclone centrada sobre o Oceano Atlântico. O transporte de fumaça em larga escala resulta em uma poluição transfronteira, com o ar carregado de fumaça transportado até outros países sul-americanos, como Paraguai, Argentina e Uruguai.

Figura 9. Comparação entre o modelo e MODIS AOT (550 nm).

Vento e material particulado colocados para 25 de agosto de 2002. O detalhe mostra a imagem em cor verdadeira na observação do MODIS-TERRA do mesmo dia.
Contatos: karla.longo@cptec.inpe.br and/or saulo.freitas@cptec.inpe.br
Referencias

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