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Linking meteorological fire danger and burnt area in Brazil under present and future climate conditions

Author(s): Silva, Patrícia Santos

Date: 2018

Persistent ID: http://hdl.handle.net/10451/33923

Origin: Repositório da Universidade de Lisboa

Subject(s): Fogo; Risco de fogo; Área queimada; Brasil; Teses de mestrado - 2018; Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia do Ambiente; Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia do Ambiente; Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia do Ambiente


Description

O fogo é uma das mais importantes perturbações ecológicas à escala local e global, afetando a distribuição e estrutura da vegetação, o ciclo do carbono e o clima. Os fogos emitem cerca de 2.2 PgC/ano (uma parcela significante comparativamente às emissões da indústria e combustíveis fósseis: 9.4 PgC/ano na última década) e têm impactos substanciais ao nível económico, social e de saúde. O fogo é comum no Brasil e na última década têm sido atingidos os maiores valores de área queimada desde que existem registos. No futuro, espera-se no Brasil um aumento moderado a elevado no potencial de fogo, uma transição para um clima mais seco e quente e uma maior probabilidade de ocorrência de eventos climáticos extremos. Fenómenos como secas e ondas de calor tornar-se-ão mais frequentes, estas últimas poderão vir a ocorrer a cada dois anos. Assim o estudo desta temática afigura-se essencial, de modo a fornecer às autoridades competentes a informação necessária ao planeamento e possível prevenção de fogos no futuro. Neste estudo, usa-se um índice de risco de fogo desenvolvido para os biomas Brasileiros, o Meteorological Fire Danger Index (MFDI), desenvolvido pelo CPTEC/INPE, e um modelo regional de clima, o RCA4 do Rossby Centre (regional downscaling do EC-Earth para a América do Sul no âmbito do programa CORDEX), para avaliar a evolução do risco de fogo e área queimada em clima presente e futuro. O MFDI é utilizado operacionalmente no INPE para estimar valores diários de risco de fogo para a América Central e do Sul. O MFDI baseia-se no princ´ıpio de que quantos mais dias sem precipitação, maior o risco de fogo. O MFDI estima o quão propícia a vegetaçãp está para ser queimada em determinado dia com base nas respectivas condições meteorológicas, nomeadamente temperatura máxima, humidade relativa mínima, precipitação acumulada e coberto vegetal. Para este último usou-se o mapa de vegetação do IGBP adaptado para o Brasil pelo INPE para 2005, e avaliaram-se os quatro landcovers predominantes: Evergreen Broadleaf Forest (EBL; inclui a Amazónia), Closed Shrublands and Woody Savannas and Open Shrublands and Savannas (CSWS+OS; inclui os biomas brasileiros cerrado e caatinga), Croplands (C) e Grasslands (G). Por último, é de notar que o MFDI é um índice de perigosidade meteorológica, pelo que não considera a ignição nem a propagação do fogo. O clima presente é avaliado recorrendo a três reanálises: ERA-Interim, MERRA-2 e NCEP-DOE Reanalysis II. Estas usam modelos para compilar de modo consistente observações de todo o globo (desde medidas no terreno a dados de satélite), constituindo assim o melhor conjunto de dados observacionais disponível à escala global. Adicionalmente, dados de área queimada são usados de forma a avaliar a capacidade do MFDI para reproduzir as condições atuais de fogo no Brasil. Para tal, recorreu-se ao produto AQM desenvolvido por Libonati et al. [2015] e calibrado para o Brasil usando dados do instrumento MODIS. Por outro lado, o clima futuro é avaliado usando o modelo regional de clima juntamente com os cenários de clima futuro RCP2.6, RCP4.5 e RCP8.5 do IPCC. Estes são denominados consoante o seu forçamento radiativo em 2100(Wm-2) e permitem simular possíveis trajetórias de emissões de gases com efeito de estufa, aerossóis, concentrações de gases na atmosfera e alterações no uso do solo. O MFDI calculado por dados baseados em observações é comparado com informação de área queimada (BA), revelando-se capaz de replicar tendências de BA a nível inter e intra-anual. Observam-se diferenças entre valores de MFDI baseado nas reanálises: no geral, os dados do ERA-Interim conduzem aos maiores valores de MFDI enquanto que o NCEP conduz aos mais baixos (MERRA revela valores intermédios entre ambos). A reanálise ERA-Interim apresentam valores mais elevados de temperatura e mais baixos de humidade relativa, levando a um aumento do MFDI em todos os landcovers excepto no EBL onde, devido a valores elevados de precipitação, o MFDI apresenta valores inferiores comparativamente às outras reanálises. Avaliando valores mensais totais de área queimada nos 12 anos de dados, verifica-se que os meses de maior BA são de Agosto a Outubro, pelo que estes foram considerados a época de fogos. A maior contribuição para a BA total é dada por CSWS+OS e a menor pelo EBL. Com estes resultados, simples modelos de regressão linear foram desenvolvidos para prever mudanças de área queimada usando o MFDI como preditor. Ao analisar a linearidade entre o MFDI calculado pelas reanálises e os dados de área queimada, escolheu-se o MFDI baseado nos dados ERA-Interim como preditor, dado que com este foram obtidos os maiores coeficientes de determinação em três dos quatro landcovers avaliados (representando 93% da ´area do Brasil) e ainda devido à sua maior resolução espacial. Os modelos foram ainda avaliados para diferentes períodos da época de fogos, onde se encontrou correlações mais elevadas em Agosto-Outubro para EBL e Setembro-Outubro para os restantes landcovers. Os modelos de área queimada resultantes são capazes de explicar pelo menos 50% da variˆancia em todos os landcovers considerados (com resultados particularmente positivos para CSWS+OS, onde explicam 77% da variância). Adicionalmente, o MFDI é calculado para condições de clima presente e futuro usando os resultados de simulações do RCA4. Em geral, o risco de fogo simulado apresenta curvas semelhantes às calculadas pelas reanálises, mantendo-se dentro dos valores observacionais na maior parte dos meses para todos os landcovers. Descobriram-se no entanto diferenças sistemáticas na temperatura em todos os landcovers e ainda diferenças significativas no campo da precipitação no EBL, que resultam em valores distintos de MFDI baseado em observações e simulações. É de salientar que tanto o MFDI baseado em simulações como o MFDI baseado em reanálises apresentam valores elevados no inverno austral, porém o pico do MFDI simulado dá-se em Setembro para o CSWS+OS, C e G, enquanto que o risco calculado com dados de reanálises ocorre um mês antes: desta forma, os dados do modelo resultam em maior risco de fogo no mês que arde mais. Para o futuro, o modelo calcula ainda um aumento de MFDI em todo o ano, especialmente na época de fogos, dado o aumento de temperatura e menor humidade relativa. Também é de notar um aumento de precipitação no verão austral para CSWS+OS e C. Devido às discrepâncias encontradas, corrigiu-se a distribuição do MFDI (após testes de normalidade) de forma a aproximar o MFDI simulado ao calculado pelo ERA-Interim, resultado usado para prever futura área queimada usando os modelos de área queimada previamente desenvolvidos. De acordo com o aumento de MFDI estimado anteriormente, a BA tende também a aumentar ao longo do século: encontraram-se aumentos sistemáticos no valor médio comparativamente ao período histórico para todos os landcovers e cenários. Estes são especialmente notórios no RCP8.5, sendo o RCP2.6 o único cenário no qual o MFDI médio tem um menor valor no final do século comparativamente a meados do século (i.e. o risco de fogo diminui na segunda metade do século). CSWS+OS é o landcover que apresenta os maiores aumentos de média e desvio-padrão de BA quando comparado ao período histórico. Isto é de especial relevância considerando que este representa 76% da área queimada do Brasil. Concluindo, alterações significativas nos parâmetros meteorológicos e um aumento do risco de fogo (e por conseguinte, área queimada) são expectáveis para o Brasil nas próximas décadas. Estas alterações dependem em grande medida das trajetórias futuras de emissões de gases com efeito de estufa. É de notar, no entanto, as limitações deste trabalho: é usado um coberto vegetal estático, não tendo em conta as interacções entre o fogo e a vegetação; só é usado um modelo de clima regional, estando assim o estudo limitado à variabilidade interna e incertezas deste; e ainda que não é tido em conta a influência humana, nem a ignição e propagação do fogo.

Fire is a key ecological disturbance, contributing to ecosystem structure, diversity and functioning. Fire emissions to the atmosphere amount to approximately 2.2 PgC/yr and fires have significant economic, social and health related impacts. Brazil is one of the most fire-affected areas in the globe and over the last decade the highest peaks in burned area have been observed since records began. Here, we employ a fire danger index tailored for Brazilian biomes, the MFDI, and outputs from a regional climate model, the RCA4 from the Rossby Centre, to assess present and future trends of fire danger and burned area. To that end, the MFDI as calculated by observation-based data was compared with a burned area (BA) dataset calibrated for Brazil (AQM, Área Queimada), with satisfactory results in both intra and inter-annual evaluations. Consequently, simple linear regression models were developed to predict changes in burned area using the MFDI as predictor, which were shown capable of explaining at least 50% of variance for all analysed landcovers. Conspicuous results were found for the Closed Shrublands andWoody Savannas + Open Shrublands and Savannas landcovers (CSWS+OS), which includes cerrado and caatinga biomes, where the burned area model explains 77% of variance. Using RCM results, MFDI based on simulated climate is evaluated for present and future climate conditions. Although simulation based MFDI follows the overall trend of observation-based fire danger, a systematic underestimation of temperature was found for all biomes, accompanied with considerable differences in precipitation in Evergreen Broadleaf Forest landcover (which includes the Amazon rainforest). In the future, MFDI is expected to increase over the year especially in the fire season (August to October), consequence of higher temperatures and lower relative humidity throughout the year, and increased precipitation in austral summer, before the fire season, for CSWS+OS and Croplands. Lastly, model-based MFDI was approximated to observation-based distribution and used to estimate future BA using the burned area models previously developed. As expected from the increase in future MFDI, BA increases throughout the century: systematic increases in the mean BA from the historical period are found for all scenarios and all landcovers, which are especially pronounced in RCP8.5. RCP2.6 is the only scenario in which the mean by end of the century has a lower value than that of mid-century. In conclusion, although varying in magnitude, significant changes in meteorological parameters and higher fire danger (and consequently, burned area) are expected for Brazil in the coming decades.

Tese de mestrado integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, em 2018

Document Type Master thesis
Language English
Advisor(s) Câmara, Carlos Portugal da,1957-; Bastos, Ana Filipa Ferreira,1986-
Contributor(s) Silva, Patrícia Santos
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