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LC-08 Resumo

Modelagem dos Sistemas Biogeoquímicos da Amazônia Terrestre: Tópicos de Sustentabilidade

Berrien Moore — University of New Hampshire (US-PI)
Carlos Afonso Nobre — INPE - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (SA-PI)

Objetivos





O objetivo desta pesquisa é entender os

efeitos interativos das mudanças climáticas e do uso de terras sobre: 1) o

armazenamento de carbono e a dinâmica dos nutrientes, inclusive dos gases

traços, em ecossistemas terrestres, e 2) o prospecto de um uso de terra

sustentável na Amazônia.





O produto específico deste trabalho de pesquisa

será um conjunto de modelos hierarquicamente estruturados e acoplados,

acessíveis através de um esquema comum de modelos. Este esquema fornecerá os

meios para alcançarmos nossos objetivos. Consideraremos regiões do LBA dentro

do contexto de duas condições ambientais abrangentes: 1) ecossistemas naturais

onde as perturbações biogeoquímicas são causadas por forçantes naturais do

clima e de incêndios, e 2) gradientes de perturbações de origem antropogências

no tocante ao uso de terra e mudanças climáticas. 





Usaremos nossos modelos de ciclos

terrestres biogeoquímicos, de dinâmica de vegetações, hidrologia e de mudanças

de uso de terra, com ênfase nos melhoramentos destes modelos para aplicações em

regiões de estudo do LBA. Os modelos de escossistemas e hidrológicos serão

forçados pelo clima físico, enquanto os modelos de uso de terra por restrições

biofísicas, ecológica e econômicas. Os modelos acoplados serão incorporados a

um contexto de informações geográficas (GIS), acessando, assim, numerosos conjuntos

de dados do LBA ou camadas de dados alocadas em nossas instituições.

Avaliaremos o desempenho dos modelos usando estudos comparativos e medidas de

campo do LBA, bem como dados já publicados. Serão também usadas análises

baseadas em dados de satélites de sensoriamento remoto como uma ferramenta para

avaliar os padrões temporais e espaciais do desempenho dos modelos em escala

regional. Finalmente, aplicaremos métodos formais estatísticos para

caracterizar as incertezas do modelo, em especial em aplicações para avaliar os

impactos humanos sobre os cenários da Amazônia.





Deviso as fontes naturais e

antropogênicas, aas mudanças deverão ser apropriadamente entendidas, o que nos

faz que concentremos em três objetivos:





  • Padrão natural de variabilidade da

    produção líquida primária (NPP), da respiração, da disponibilidade de

    nutrientes e dos fluxos dos gases traços entre os ecossistemas terrestres e a

    atmosfera;

  • Mudanças antropogênicas de cobertura

    de terra e distribuição e condição de ecossistemas;

  • Mudanças associadas nos padrões de

    NPP, na respiração, na disponibilidade de nutrientes e nos fluxos dos gases

    traços entre os ecossistemas terrestres e a atmosfera.




Perguntas

Científicas





Nossa proposta tem três

objetivos: 







  • O primeiro objetivo diz respeito a

    bigeoquímica dos sistemas terrestres sob a forçante da variabilidade climática

    natural. Entre os tópicos de interesse estão os padrões naturais de

    variabilidade na NPP, respiração, disponibilidade de nutrientes e os fluxos dos

    gases traços entre os ecossistemas terrestres (incluindo as áreas inundadas

    sazonalmente) e a atmosfera. Umidade no solo e inundação são também importantes

    componentes desta pesquisa por causa do controle que exercem na dinâmica dos

    gases traços.

  • O segundo objetivo focaliza o problema

    de modelagem da dinâmica transiente de ecossistemas terrestres (incluindo

    sistemas agrícolas) modificados pelo Homem, estágios da sucessão e a forçante

    combinada de vários usos de terra e padrões de mudanças climáticas.

  • O terceiro objetivo apoia e sintetiza

    os outros dois objetivos. Fornece um esquema de Sistema de Informações

    Geográficas (GIS) para o desenvolvimento, avaliação e aplicação de modelos.

    Dentro do contexto de avaliação de modelos, usaremos dados de sensoriamento

    remoto: AVHRR, quando disponível, MODIS e MISR do EOS AM-1, bem como análises

    formais de erros baseadas em técnicas estatística espaciais/temporais. O modelo

    acoplado será usado para estudar os impactos das mudanças de cobertura e uso de

    terra na biogeoquímica da região.




Ferramentas

Chaves





A Amazônia contém alguns dos ecossistemas

mais produtivos do mundo; exibe marcantes padrões de variabilidade climática em

escalas sazonais e interanuais e está experimentando drásticas mudanças no uso

de terra. É, portanto, uma região onde os fluxos de carbono, nutrientes e água,

bem como suas variações, são muitos importantes. Modelagem de escala regional

dos ecossistemas, desenvolvimento de bases de dados e análises com dados de

sensoriamento remoto são importantes ferramentas para avaliar as conseqüências

potenciais das mudanças no uso de terra na biogeoquímica da Amazônia. Temas e

ferramentas chaves para o nosso trabalho incluem modelagem de ecossistemas

naturais e perturbados, sensoriamento remoto, análises GIS e estabelecimento e

disseminação de grandes bases de dados.





Análises

de Sistemas Ecológicos Naturais





Usamos o Modelo para Ecossistemas

Terrestres / Modelo de Balanço Hídrico (TEM / WBM) para estudar as variações

climáticas sazonais na NPP, a respiração heterotrófica e produção líquida de

ecossistemas (NEP) para a América do Sul, América do Norte e o globo. TEM é um

modelo de simulação de ecossistema, baseado em processos, que usa informações

climáticas referenciadas espacialmente, de elevação do solo e de vegetação para

determinar as estimativas de fluxos de carbono e nitrogênio e tamanhos dos

bolsões. Uma característica chave do TEM é que os ciclos de carbono, água e

nitrogênio estão estreitamente acoplados.





Estamos desenvolvendo uma versão

transiente do TEM para estudar o efeito da variabilidade e das mudanças

climáticas nos ecossistemas terrestres e já concluímos uma versão preliminar

para investigar as respostas destes sistemas as mudanças históricas nas

concentrações de CO2 atmosférico e no clima, na Amazônia, Estados

Unidos, ecossistemas de latitudes altas e no planeta como um todo (ver a

discussão sobre o DNDC na subseção seguinte – III.2). As variações interanuais

de NPP modelado para a Amazônia estão associadas principalmente as variações

interanuais da precipitação. As variações interanuais de RH modelada para a

Amazônia são menores e ligadas as variações interanuais de temperatura. As

diferentes respostas transientes destes dois fluxos de carbono indicam que

mesmo sob condições naturais, algumas vezes a região se comporta como um

sumidouro de CO2 atmosférico e, em outras, como fonte deste gás.

Dentro da Amazônia, a distribuição espacial de fontes e sumidouros de carbono

aparentemente varia de ano para ano. Este comportamento parece estar associado

ao clima físico via eventos de ENSO.





Nossos primeiros trabalhos na Amazônia

mostraram a dependência do NPP com a disponibilidade hídrica. A capacidade de

modelar e entender estas mudanças no sistema hídrico da região é essencial para

estudar a produtividade terrestre e os efeitos das inundações das várzeas sobre

as emissões de gases traços.





Estudo

de Ecossistemas Gerenciados e Perturbados





Atualmente, estamos desenvolvendo um

modelo para mudanças de cobertura e uso de terra. O modelo consiste em: 1) um

módulo de avaliação da conveniência e disponibilidade de terras para cultivo e

pastagens baseado em restrições biofísicas, como o clima, solo e topografia, e

2) um módulo de uso de terra, GEOMOD, para simular padrões espaciais de

cobertura e uso de terra, bem como as taxas de transformação de escalas de

cenários para escalas regionais baseando-se em fatores biofísicos e

sócio-econômicos (por exemplo, densidade demográfica, sistema de arrendamento

de terras, preço da madeira). Algoritmos dentro do GEOMOD representam os

princípios de adjacência, dispersão, heterogeneidade regional, crescimento

relativo, eficiência energética e qualidade dos recursos.





A conversão de terras em campos de

pastagem e de cultivo agrícola teve um grande impacto na biogeoquímica de

muitas áreas na Amazônia e estes ecossistemas precisam ser incluídos na análise

regional. O modelo DNDC pode ser usado para simular a biogeoquímica do carbono

e dos nutrientes em agro-sistemas. O modelo simulou 30 anos de biogeoquímica de

pastagens após a conversão de floresta em pastagens. Fluxos estimados de

Material Orgânico no Solo (SOM) e N2O estão de acordo com um estudo

de cronosseqüência feito na Costa Rica e simulação de fluxo de NO em campos

fertilizados de milho plantados em terras abertas de pouca idade mostra boa

concordância com as medidas. O modelo DNDC simulou com sucesso os fluxos de N2O

e a dinâmica dos SOM em regiões temperadas e subtropicais. O modelo foi também

usado na simulação de fluxos de N2O de terras agrícolas nos Estados

Unidos e no momento, está sendo usado para o mesmo propósito na China,

inclusive para áreas úmidas tropicais. Simulações de campos de cultivo e

pastagens nos trópicos com o modelo DNDC têm sido feitas na Costa Rica e serão

adaptadas para as regiões do LBA.





Gerenciamento

de Dados e Capacidades do GIS





Os sistemas EOS-IDIS da NASA e

Informações Aplicadas de Hughes são colaboradores no protótipo de um projeto

que fornecerá capacidade total de GIS na Internet e será totalmente

interoperável com o Sistema Central de Dados e Informações de Dados do EOS /

NASA. Um aspecto desta colaboração é prover os meios necessários aos

participantes do LBA para a realização de buscas de dados geo-espaciais e

perguntas via Internet. Atualmente, temos um protótipo rudimentar www.unh-ecs.sr.unh.edu usando um

servidor e cliente Java, um servidor e cliente SDE/ESRI, e uma base de dados

Oracle (que permite acesso a várias camadas de dados, inclusive as informações

do Projeto Inventário de Florestas Úmidas Tropicais, HTFIP, que é uma parte do

Projeto Landsat Pathfinder da NASA). Camadas adicionais de dados estarão

disponíveis no EOS-IDS, incluindo camadas de dados hidro-climatológicos

fornecidos pelo Grupo de Pesquisa de Hidrologia Global UNH. Recentemente, foram

aprovados recursos financeiros via NASA CAN para a expansão destas capacidades.






Sensoriamento

Remoto





Os tópicos relacionados a validação de

padrões espaciais de modelos de previsão têm sido estudados usando

sensoriamento remoto. Examinamos os resultados (NPP estimada nos Estados Unidos

com uma resolução espacial de 0.5 x 0.5 graus) do modelo usado no Projeto de

Análise e Modelagem de Ecossistemas de Vegetação. Um dos objetivos era checar o

realismo da variabilidade espacial de estimativas de modelos usando médias

mensais a longo prazo de NDVI para cada célula de 0.5 por 0.5 graus, sob a

hipótese de que os NPP e NDVI estão linearmente correlacionados. Correlações

para todo o domínio foram relativamente maiores ( R2= 0.6 – 0.7).

Entretanto,

os desvios médios de NDVI e NPP simuladas (cada valor de célula da grade

subtraído da média para todas as células em um tipo de ecossistema) não estavam

correlacionados com os biomas. Assim, parece que o modelo representa os padrões

de NPP através dos biomas, mas nenhuma conclusão pode ser feita sobre a

variabilidade no interior do bioma. Este tipo de análise é potencialmente

poderosa para avaliar modelos de previsão de NPP.





Um índice de vegetação obtido por

sensoriamento remoto pode esclarecer padrões de resposta de ecossistemas ao

clima, sendo assim um meio de avaliar a resposta e as hipóteses do modelo.

Usamos dados globais de AVHRR e temperatura do ar em pontos de grade, a partir

da Unidade de Sondagem em Microondas para estimar a magnitude das respostas

imediatas e atrasadas à temperatura. Padrões de respostas de zero, um e dois

anos de atraso do NDVI à variabilidade na temperatura, eram dependentes do

ecossistema e consistentes com a hipótese de que os mecanismos biogeoquímicos

têm um papel importante em mediar relações globais entre CO2 e

temperatura.





Recuperamos com sucesso as variáveis

biofísicas dos dosséis, incluindo a fPAR absorvida pelos dosséis, usando um

modelo de transferência radiativa e dados de AVHRR para um corte de

amostragem  na República da África

Central. Embora as observações de um único píxel tenham uma geometria de sensor

solar, reunimos píxeis vizinhos em cenas compostas temporalmente, tendo tipos

de funções similares de ecossistemas, a fim de simular uma amostragem múltipla

de geometria dentro de células de aproximadamente 0.5 por 0.5 graus. Com o

advento dos dados do MISR do EOS AM-1, esperamos uma acurácia melhorada e a

habilidade de fazermos inversões usando janelas espaciais bem menores.





Responsabilidades

da Equipe de Pesquisa





  • Berrien Moore: Modelagem

  • Jerry Melillo: Biogeoquímica e

    ecologia terrestre

  • Steve Pacala: Modelagem e ecologia

    terrestre

  • Charles Vorosmarty: Hidrologia e

    modelagem biogeoquímica

  • Bruce Peterson: Hidrologia e modelagem

    biogeoquímica

  • Changsheng Li: Ecossistemas

    transientes e modelagem biogeoquímica

  • Steve Frokling: Gases traços e modelagem biogeoquímica

  • Bobby Brasell: Sensoriamento remoto e

    modelagem biogeoquímica

  • Ernest Linder: Estatística espacial

  • Xiangming Xiao: Sensoriamento remoto e

    modelagem de ecossistemas terrestres




Reconhecemos que nossa proposta é

ambiciosa. Os esforços exigirão fundos do EOS IDS e serão apoiados

intelectualmente pelos pesquisadores do LBA e de outras instituições, tais

como, o MIT Joint Program on Policy and Global Change, o DAAC do ORNL e

Universidade do Texas (Dr. J. Famiglietti).





Data

da última atualização
: 18 de maio de 1998





 











última modificação: 04/18/02 08:59:16 AM


email de contato:

lbaeco-info@lba-email.gsfc.nasa.gov



responsável na NASA: Dr. Darrel Williams, Code 923


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