Modelagem numérica para interações superfície-atmosfera no estado do Paraná

Abstract

Resumo: Os modelos de transferência solo-vegetação-atmosfera (SVAT) são utilizados para calcular os fluxos superficiais, temperaturas e umidades do solo e vegetação essenciais para a compreensão das interações superfície atmosfera, parte fundamental da dinâmica da camada limite atmosférica em modelos numéricos de previsão do tempo. Atualmente existe um grande número de SVAT’s, cada qual com suas características específicas para determinadas aplicações. Neste trabalho, foi implementado o SVAT do modelo de mesoescala ARPS desacoplado do modelo atmosférico. O objetivo principal desta dissertação é a verificação e modificação do SVAT do ARPS para a adaptação do uso deste em regiões tropicais. Os objetivos secundários são desenvolver uma nova versão do SVAT capaz de prever com mais eficácia os processos físicos envolvidos na interação solo-vegetação-atmosfera para aprimorar as previsões do modelo de mesoescala ARPS e criar paralelamente um modelo de previsão now casting de umidade do solo para o Estado do Paraná para o potencial uso na agricultura. O SVAT do ARPS consiste em cinco equações diferenciais ordinárias para tem peratura média à superfície, temperatura média para o solo (zona de raízes), umidade da camada superficial do solo, umidade média do solo (zona de raízes) e água retida na vegetação e usa como forçantes a temperatura do ar, radiação solar incidente, umidade relativa do ar, velocidade do vento e precipitação. O modelo calcula simultaneamente os fluxos de calor e umidade no solo, a evapotranspiração e a radiação líquida à superfície. O método numérico empregado para iterar as equações utilizadas neste trabalho foi o Runge-Kutta de quarta ordem. Os dados de previsão do SVAT foram validados com dados medidos em uma estação de monitoramento de fluxos e umidade do solo, implantada na fazenda de São Lourenço (SLOU), em Santa Terezinha do Itaipu, oeste Paranaense. Os parâmetros do modelo que incluem características da vegetação e física dos solos foram adaptados para regiões de clima tropical num processo de calibração. As equações para a umidade do solo foram modificadas incluindo novos termos de escoamento superficial, drenagem gravitacional e difusividade vertical. Foi adicionada ainda mais uma equação para a umidade do solo profundo. Obteve-se assim um novo modelo com uma melhor previsão de fluxos e umidade do solo, o que tem grandes implicações na melhora da qualidade da previsão dos modelos de mesoescala, além do desenvolvimento de uma ferramenta potencial para o uso em Agrometeorologia

Abstract: The Soil-Vegetation-Atmosphere Transfer (SVAT) models are used to calculate surface fluxes, temperatures and humidities of soil and vegetation essentially for understanding snrface-atmosphere interactions, basic part of the atmospheric boundary layer dynamics in weather numerical models. Nowdays there is a great number of SVAT models, each one with its specific characteristics for given applications. In this work it was implemented the SVAT of mesoscale model ARPS off-line atmospheric model. The main purpose of this dissertation is the verification and modification of the SVAT model of ARPS to adapt its use in tropical regions. The secondary purposes are to develop a new SVAT model with capabilities to predict more efficiently the physical processes involved in soil-vegetationatmosphere interactions to improve the mesoscale model ARPS predictions and in parallel create a now casting model of soil humidity prediction for the State of Paraná for potential use in agriculture. The SVAT model of ARPS consists of five partial differential equations for mean interface soil-vegetation temperature, mean deep soil temperature (root zone), mean surface soil humidity, mean deep soil humidity (root zone) and water storage in vegetation and the model uses as forcing parameters the air temperature, effective radiation, relative humidity of the air, wind velocity and precipitation rate. The model calculates simultaneously the heat and water mass flux in the soil, the evapotranspiration and the surface net radiation. The numerical method used to iterate the equations is the fourth order Runge-Kutta method. The SVAT model predictions where validated with measured data from the station of surface fluxes and soil humidity monitoring, located in the São Lourenço farm (SLOU), municipal district of Santa Terezinha do Itaipu, west of Paraná state. The model parameters that include vegetation and soil physics characteristics were adapted to tropical regions through a calibration procedure. The equations for soil humidity were modified including the new terms of runoff, gravitational drainage and vertical diffusivity. It was also included another equation for sub-root deep soil humidity. The new model generated better forecast of surface fluxes and soil humidities, with positive implications in the forecast quality of mesoscale models and the development of potential tool for agrometeorological use