Tempo, Clima e Alterações Climáticas. ticas

(1)

Semin

á

rio

Instituto Polit

é

cnico de Bragan

ç

a

30 de Janeiro de 2009

“

Tempo, Clima e Altera

ç

ões

Clim

á

ticas

”

João Corte

-

Real

ASC_ICAM e Departamento de Engenharia Rural

Universidade de

É

vora

(2)

Introdu

ç

ão

A atmosfera como componente do Sistema

Clim

ático ou Sistema Terra

á

tico ou Sistema Terra

Meteorologia

(3)

(4)

(5)

(6)

Complexidade da Atmosfera

a)

Não linear

b)

M

ú

ltiplas escalas

c)

Mecanismos de

realimenta

ç

ão

d)

Teleconexões

e)

Irregular, turbulento ou ca

ó

tico.

Sensibilidade

(7)

Processos Fundamentais

1.

1. Advec

Advec

ç

ão

2. Atrito

3. Condu

ç

ão

4.

4. Convec

Convec

ç

ão

5. Transi

ç

ões de Fase da

Á

gua

6. Radia

ç

ão

A origem do movimento

(8)

Processos

(9)

(10)

(11)

(12)

Teleconexões

A Oscila

ç

ão do Atlântico Norte

(NAO)

(13)

O que é a Oscilação do Atlântico Norte? Como influencia o Clima da Europa?

A Oscilação do Atlântico Norte (NAO) é, tal como o ENSO, uma

teleconexão, identificada por Sir

Gilbert Walker, nos anos vinte do século passado.

Traduz-se por uma correlação negativa entre a pressão atmosférica na Islândia e nos Açores; dito de outra maneira: quando a pressão atmosférica tende a ser menor que a média na Islândia, tende a ser maior que a média nos Açores e

vice-versa; Oscilação do _{Atlântico Norte} (NÃO)

(14)

Estado da Atmosfera

Composi

ç

ão (concentra

ç

ões; humidade espec

í

fica)

Temperatura (T)

Pressão (p)

Velocidade ( )

Densidade (

ρ

)

V H

V

r

=

r

+

r

(15)

O TEMPO

O Tempo (atmosf

é

rico;

“

weather

”

)

é

definido

pelo estado instantâneo da atmosfera.

(16)

Estado da Atmosfera

Observa

_Observa

ç

ões:

Superf

_Superf

í

cie: esta

ç

ões meteorol

ó

gicas,

EMAs

Altitude:

_Altitude:

radiosondagens

Detec

_Detec

ç

ão Remota:

Sat

_Sat

é

lite: geostacion

á

rio;

ó

rbita polar

Radar: Tempo e

_{Radar: Tempo e}

Perfilador

(17)

(18)

Enquadramento Internacional

Organiza

ç

ão Meteorol

ó

gica Mundial (OMM)

Conselho Internacional para a Ciência (ICSU)

Painel Intergovernamental para as Altera

ç

ões

Clim

á

ticas (IPCC)

Centro Europeu de Previsão do Tempo a M

é

dio

Prazo (ECMWF)

Institutos de Meteorologia

(19)

(20)

Meteorologia Sin

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)

(26)

Tropical

(27)

200510110800UTC_MSG1_MSG_IR_PIBERica

(28)

(29)

Instituto de Meteorologia, imagem do RADAR de Coruche

(30)

(31)

PREVER O TEMPO

Que

é

prever o tempo?

É

determinar os estados futuros da atmosfera,

a partir de um estado

“

inicial

”

conhecido.

É

isso poss

í

vel?

Se sim, como?

(32)

PREVER O TEMPO

Prever o tempo: sim,

é

poss

í

vel.

Porquê?

Porque as vari

á

veis que definem o estado

instantâneo da atmosfera, estão ligadas

entre si por equa

ç

ões, que traduzem leis

fundamentais da F

í

sica, e que exprimem

princ

í

pios globais de conserva

ç

ão

(momento linear, massa, energia, momento

angular).

(33)

PREVER O TEMPO

Estas equa

ç

ões, que se designam por equa

ç

ões de

balan

ç

o, são equa

ç

ões de progn

ó

stico, i.e., são

equa

ç

ões da forma

∑

=

∂

i

F

t

X

(34)

Evolu

ç

ão temporal da atmosfera

Equa

ç

ões primitivas:

Progn

ó

stico

EquaEquaçções de balanões de balançço da quantidade de movimento (o da quantidade de movimento (eqs.doeqs.do movimento)movimento)

EquaEquaçção de balanão de balançço da massa (o da massa (eqeq. continuidade). continuidade)

EquaEquaçção de balanão de balançço da energia (o da energia (eqeq. termodinâmica). termodinâmica)

Diagn

ó

stico

EquaEquaçção de estadoão de estado (outras)

(outras)

Sistema

(35)

Descri

ç

ões

Euleriana

e

Lagrangeana

Descri

ç

ão

Euleriana

Descri

ç

ão

Lagrangeana

(

)

t

A

grad

t

A

z

A

y

A

x

A

t

z

y

x

A

∂

=

,

;

,

(

)

dt

dz

z

A

dt

dy

y

A

dt

dx

x

A

t

A

dt

dA

dt

dA

t

z

t

y

t

x

A

∂

+

∂

+

∂

+

∂

=

(

),

(

),

(

),

A

grad

V

t

A

dt

dA

⋅

+

∂

=

r

(36)

Descri

ç

_ç

ão

_ão

Euleriana

_Euleriana

(

V

grad

A

)

dt

dA

t

A

⋅

−

+

=

∂

r

Derivada Local

Derivada Material

(37)

Advec

ç

ão

:

transporte pelo campo do

movimento

z

A

w

A

grad

V

A

grad

V

_H

∂

−

⋅

−

=

⋅

−

r

(38)

Equa

ç

_ç

ões de Progn

_{ões de Progn}

ó

_ó

stico

_stico

(atmosfera h

ú

mida)

(

)

ϕ

λ

ϕ

ρ

λ

r

tg

uv

r

uw

F

ew

fv

p

r

dt

du

a

−

+

−

+

∂

−

=

cos

1

V div dt d ou V div dt d

ρ

_ρ

r

α

_α

r = − =

(

)

(

p

α

=

R

_a

T

1+

0 ,

61 q

)

ϕ

ρ

ϕ

r

tg

u

r

vw

F

fu

p

r

dt

dv

a 2

1

1 −

−

+

−

∂

−

=

r

v

r

u

g

F

eu

z

p

dt

dw

az 2 2

1 +

+

−

+

∂

−

=

ρ

(

)

Q

p

div

V

dt

dp

_&

r

γ

ρ

γ

−

=

1 (

e

c

)

D

dt

dq

+

−

=

(39)

e, outras tantas equa

ç

ões quantos os componentes

adicionais.

Relembrar que:

z

u

w

y

u

v

x

u

t

u

grad

v

t

u

dt

du

∂

+

∂

+

∂

+

∂

=

⋅

+

∂

=

r

(40)

Como se prevê o tempo?

No presente, o tempo atmosf

é

rico prevê

-

se,

resolvendo

com

o aux

í

lio de computadores digitais,

o sistema de equa

ç

ões

que resulta,

por aplica

ç

ão de m

é

todos num

é

ricos

, da

transforma

ç

ão das equa

ç

ões que regem o comportamento

da atmosfera em equa

ç

ões

discretizadas

no espa

ç

o e no

tempo.

Todos os dias, o Centro Europeu de Previsão do Tempo a

M

é

dio Prazo

(ECMWF),

produz

previsões para dez dias

,

à

escala global, com base num estado inicial

“

observado

”

,

referente

(41)

(42)

Desde quando se fazem previsões meteorológicas?

As previsões meteorológicas remontam aos

finais do século XIX!.

A qualidade das previsões foi melhorando, à medida que a compreensão dos mecanismos

responsáveis pelo tempo e suas alterações, bem como das escalas envolvidas, foi aumentando, designadamente:

i) a partir dos anos trinta, com Rossby e a escola de Chicago, a que pertenceram notáveis cientistas da atmosfera;

ii) dos anos 50 com o aparecimento dos computadores digitais; a primeira previsão numérica do tempo com sucesso foi realizada na Universidade de Princeton, por

(43)

Como se prevê o tempo?

O ECMWF, desenvolveu e aplica, outro método de previsão, conhecido como previsão de “Ensemble”; o estado inicial “Observado” é perturbado de modo a produzir vários outros possíveis estados iniciais; o modelo do ECMWF, actua sobre todos estes estados iniciais, produzindo uma família de estados futuros; a previsão é feita à custa de todos os possíveis estados futuros; trata-se de um método de previsão de qualidade superior àqueles que assentam num único estado inicial.

Os resultados da previsão podem ser visualizados sob a forma de cartas de tempo, cartas sinópticas ou cartas meteorológicas.

(44)

Os Grandes Mestres

(alguns nomes)

(45)

Vilhelm

(46)

Lewis

(47)

Carl

(48)

Jule

(49)

(50)

(51)

(52)

(53)

Joseph

(54)

Jacob

(55)

Edward

(56)

Jos

é

_é

Pinto Peixoto

_{Pinto Peixoto}

estudos sistemáticos da circulação global na atmosfera, e em particular do ciclo global de água na atmosfera.

(57)

(58)

(59)

(60)

(61)

(62)

(63)

CLIMA

(64)

Que

é

_é

o

_o

Clima

_Clima

?

_?

O conceito de

clima

, envolve a

descrição estatística das condições

meteorológicas (i.e. do tempo

atmosférico) durante um intervalo de

tempo longo – convencionalmente

de

30 anos

. Este tratamento estatístico

permite obter um quadro geral das

condições meteorológicas típicas

numa dada região do planeta, durante

o período de tempo escolhido. O

clima é pois uma

representação

conceptual do comportamento

estatístico da atmosfera

,

i.e. o clima

“não está lá fora”! O que “está lá

fora” i.e. o que experimentamos é o

Tempo

. As grandezas que descrevem

o Clima são os

elementos de clima

Tempo e clima

(65)

Citando

Mark

Twain

:

“

Clim

ate

is

what

we

expect

;

weather

(66)

Quais

os

tipos

de

clima

que

existem

na

Terra?

Existem

Existem descridescriççõesões simplificadassimplificadas dos dos climasclimas observadosobservados nana Terra, Terra, queque se se baseiam

baseiam emem certoscertos critcritéériosrios seleccionadosseleccionados. . EmEm geralgeral, , estesestes sistemassistemas de de classifica

classificaççãoão categorizamcategorizam o o climaclima de de maneiramaneira a a caracterizarcaracterizar o o ambienteambiente meteorol

meteorolóógicogico e e hhíídricodrico de de umauma regiãoregião emem termostermos da da temperaturatemperatura e da e da precipita

precipitaççãoão..

Um dos mais importantes sistemas de classifica

Um dos mais importantes sistemas de classificaçção dos climas ão dos climas éé o o sistemasistema de

de KKööppenppen,, elaborado em 1918 por elaborado em 1918 por VladimirVladimir KKööppenppen da Universidade de da Universidade de Graz

(67)

As classes

As classes principaisprincipais apresentamapresentam as as seguintesseguintes caractercaracteríísticassticas::

A A -- ClimaClima tropical tropical hhúúmidomido:: A A temperaturatemperatura mméédiadia mensal mensal emem todostodos osos

meses

meses do do anoano éé superior a 18superior a 18ººC, C, nãonão existindoexistindo umauma estaestaççãoão de de Inverno

Inverno..

B B -- ClimaClima secoseco:: A A evaporaevaporaççãoão excedeexcede a a precipitaprecipitaççãoão durantedurante a a maiormaior

parte do

parte do anoano

C C -- ClimaClima temperadotemperado com com InvernoInverno suavesuave:: ExisteExiste um um VerãoVerão moderadomoderado

ou

ou quentequente e e InvernoInverno suave. A suave. A temperaturatemperatura mméédiadia do do mêsmês maismais friofrio encontra

encontra--se entre se entre osos 1818ººC e C e osos --33ººC.C.

D D -- ClimaClima temperadotemperado com com InvernoInverno rigorosorigoroso:: VerãoVerão moderadamentemoderadamente

quente

quente e e InvernoInverno friofrio. A . A temperaturatemperatura mméédiadia do do mêsmês maismais quentequente éé superior a 10

superior a 10ºº C, e a do C, e a do mêsmês maismais friofrio éé inferior a inferior a --33ººC.C.

E E -- ClimaClima polarpolar:: InvernoInverno e e VerãoVerão extremamenteextremamente friosfrios. A . A temperaturatemperatura

m

(68)

Que

é

o

Clima

?

O clima é influenciado por diversos

condicionantes, designados por

factores de

clima

, que decorrem da complexidade das

interacções entre os diferentes sistemas que

compõem o nosso Planeta,

da radiação solar

que nos atinge e aquece,

da radiação

infravermelha emitida

pela própria

Terra

para o

espaço e dos

parâmetros orbitais da Terra

(excentricidade da órbita, inclinação do eixo de

rotação da Terra e precessão do eixo).

(69)

Qualquer

mudan

ç

a

significativa

nas

estat

í

sticas

que

definem

o

clima

,

representa

uma

mudan

ç

a

clim

á

tica

,

uma

varia

ç

ão

do

clima

ou

uma

altera

ç

ão

do

clima

.

Podemos

distinguir

entre

varia

ç

ões

livres

e

for

ç

adas

do

clima

.

A

Teoria

de

Milankovitch

(

mecânica

Newtoniana

!)

Varia

ç

ões

abruptas

do

clima

e

surpresas

.

(70)

O Clima não tem uma natureza constante; sabemos

que no passado o clima da Terra esteve sujeito a

diversas alterações e que estas vão continuar a

ocorrer no futuro, não apenas devido a “causas

naturais” mas provavelmente também em

consequência da actividade humana (a designada

Alteração do Clima de Origem Antropogénica,

ACC).

Estas alterações podem ter uma influência profunda

no ambiente, nos recursos disponíveis e na vida

(71)

PER

Í

ODOS DE VARIA

Ç

ÃO DE TEMPERATURA

AQUECIMENTO: +0,37°C

¾

DE 1915-1945

ARREFECIMENTO:- 0,14°C

¾

DE 1945-1978

AQUECIMENTO: +0,32°C

¾

DE 1978-1999

(72)

Temperatura do ar

Oscila

ç

ões Naturais dos Campos da

Temperatura em Portugal

(73)

Temperatura m

é

dia anual

LISBOA LT = 0.8º C/100 anos R2_{= 35%} 14 15 16 17 18 1855 1865 1875 1885 1895 1905 1915 1925 1935 1945 1955 1965 1975 1985 1995 Tm é d ( ºC ) MONTALEGRE LT= 0.1º C/100 anos R2 =3% 8 9 10 11 12 13 189 5 190 5 191 5 192 5 193 5 194 5 195 5 196 5 197 5 198 5 Tm éd ( ºC) PORTO LT =0.8º C/100 anos R2 = 19% 12 13 14 15 16 17 1895 1905 1915 1925 1935 1945 1955 1965 1975 1985 1995 Tm éd ( ºC ) ÉVORA LT = 0.8º C/100 anos R2 = 11% 14 15 16 17 18 189 5 190 5 191 5 192 5 193 5 194 5 195 5 196 5 197 5 198 5 199 5 Tm é d ( ºC )

(74)

MESA (Temperatura)

●

● É

É

vora

.000 .100 .200 .300 .400 .500 .600 .0 .5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Periodogram/2pi Model Spectrum

Teste de Fisher: α=0.0% 52 52 24 10 7 6 3 S( ºC^2) f(ciclos.ano-1_)*2π

(75)

Temperatura m

á

xima m

é

dia anual

PORTO LT = 1,5º C/100 anos R2 = 37% 17 18 19 20 21 190 1 191 1 192 1 193 1 194 1 195 1 196 1 197 1 198 1 199 1 Tm áx (º C ) MONTALEGRE LT = 0,5º C/100 anos R2_{= 3%} 12 13 14 15 16 17 190 1 191 1 192 1 193 1 194 1 195 1 196 1 197 1 198 1 199 1 Tm áx (º C ) LISBOA y = 2.0º C /100 anos R2 = 47% 18 20 22 24 190 1 191 1 192 1 193 1 194 1 195 1 196 1 197 1 198 1 199 1 200 1 Tm á x ( ºC ) ÉVORA y = 1.3º C/100 anos R2 = 18% 18 19 20 21 22 23 24 1901 1911 1921 1931 1941 1951 1961 1971 1981 1991 Tm á x ( ºC )

(76)

MESA (Temperatura m

á

xima)

●

● É

É

vora

.00 .20 .40 .60 .80 1.00 1.20 1.40 1.60 .0 .5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Periodogram/2pi Model Spectrum

Teste de Fisher: α=0.0% 50 50 20 5 10 S( ºC^2) f(ciclos.ano-1_)*2π

(77)

●

● É

É

vora

MA (Temperatura m

á

xima m

é

dia sazonal)

1.7 1.7 1.4 1.4 JJA JJA 2.1 2.1 1.5 1.5 MAM MAM 1.1 1.1 0.9 0.9 DJF DJF 1.4 1.4 STD STD 1.9 1.9 IQR IQR₇₅₇₅_-_-₂₅₂₅ SON SON ÉVORA 10 15 20 25 30 35 1901 1911 1921 1931 1941 1951 1961 1971 1981 1991 Tm á x ( ºC ) PRI VER OUT INV P-MM15 V-MM15 O-MM15 I-MM15

(78)

(79)

(80)

(81)

(82)

(83)

Altera

ç

_ç

ões Clim

_{ões Clim}

á

_á

ticas

_ticas

A

_A

“

Teoria do Aquecimento Global

”

O

_O

Antropoceno

(Paul

Crutzen

)

For

_For

ç

amento

radiativo

(84)

(85)

Efeitos do aumento da temperatura média e da variância nos valores extremos da temperatura

(86)

Modelos de Clima

(87)

Que são Modelos?

Um modelo é uma representação mais ou

menos elaborada da realidade.

Um modelo matemático é um modelo, tratável

por computadores digitais.

A investigação das

Alterações Climáticas

baseia-se nos resultados produzidos por

MODELOS DE CLIMA.

(88)

Este sistema de equações, completado por:

condições iniciais e de fronteira, valores

determinados de “constantes” físicas,

métodos de análise numérica (que

permitem obter “soluções” das equações

utilizando computadores digitais) e

representações de processos “não

resolvidos” (parametrizações) constituem

(89)

Principais componentes de um Modelo de Clima

(90)

(91)

Exemplos:

HadCM2

HadCM3

HadAM3H

HadGEM

ECHAM5

CCM

ARP

É

GE

(92)

O Painel Intergovernamental para as Altera

ç

ões

Clim

á

ticas (IPCC) estabeleceu quatro fam

í

lias de

cen

á

rios de emissões, cujas caracter

í

sticas estão

descritas em pormenor no

”

Special

Report

on

Emission

Scenarios

”

(SRES); estas fam

í

lias foram

designadas por

A1, A2

,

B2 e B1

; a fam

í

lia A1

é

a que

descreve uma evolu

ç

ão baseada na utiliza

ç

ão

intensiva de combust

í

veis f

ó

sseis; a fam

í

lia B1

assenta na introdu

ç

ão de tecnologias limpas e

eficientes.

(93)

Projecção da variação do número de dias consecutivos com temperaturas máximas >25ºC – cenário A2 – Projecto MICE Projecção da variação do número de dias com precipitação intensa – cenário A2 – Projecto MICE

(94)

(95)

(96)

(97)

Modelos Regionais de Clima (RCMs)

Os AOGCMs fornecem projecções do clima futuro

em escalas relativamente largas e não conseguem

captar adequadamente os aspectos ou características

regionais e locais, as quais são indispensáveis em

estudos de impactos.

Além disso, fenómenos extremos como temperaturas

severas, ondas de calor, cheias repentinas, etc, não

encontram uma representação suficientemente

adequada nos AOGCMs, i.e. estes modelos não são

capazes de descrever correctamente aquele tipo de

fenómenos nem no que respeita a frequências de

ocorrência nem no que se refere à sua intensidade.

(98)

Estas dificuldades só podem ser resolvidas se as

projecções globais forem completadas por “detalhe

regional”; este pode ser dado utilizando modelos

regionais de clima (RCMs).

Exemplos: HadRM3H

(descontinuado)

HadRM3P ou PRECIS

As condições iniciais e de fronteira (dependentes do

tempo) para RCMs são extraídas de AOGCMs ou de

AGCMs. A resolução espacial típica de um RCM é ~

50 km, contrastando com a de ~300 Km de um

AOGCM, o que permite uma muito melhor

representação de ilhas, montanhas, contrastes

continente-oceano, nuvens, precipitação, etc…

(99)

(100)

(101)

14,69 14,69 59,00 59,00 Model Model Reference Reference 15,29 15,29 97,43 97,43 Model Model SRES_A2a SRES_A2a Stdev Stdev Mean Mean 2,74 2,74 3,30 3,30 Model

Model ReferenceReference

3,84 3,84 3,67

3,67 Model

Model SRES_A2aSRES_A2a

Stdev

Mean

(102)

-9.5 -9 -8.5 -8 -7.5 -7 -6.5 -6 37 37.5 38 38.5 39 39.5 40 40.5 41 41.5 42 0.3 0.45 0.6 0.75 0.9 1.05 1.2 1.35 1.5 1.65 1.8 1.95 2.1 2.25 2.4 2.55 2.7 2.85 3

DSR Ratio

A2a/Reference

(103)

INCERTEZAS NOS CEN

Á

RIOS DO CLIMA

FUTURO GERADOS POR MODELOS

As incertezas nas projecções de alterações

climáticas produzidas por modelos, são

consequência do conhecimento muito imperfeito de

três factores:

9 As emissões futuras de gases com efeito estufa;

9 Variabilidade natural do clima

;

9 A forma como o sistema climático

opera.

Em resultado nenhum modelo de clima, global ou

regional, é capaz de produzir projecções confiáveis

do clima futuro.

(104)

DIFICULDADES

Tendências de temperatura na troposfera

_{Tendências de temperatura na troposfera}

tropical

Tendência da temperatura no

Á

rtico

(105)

(106)

“ALL MODELS ARE WRONG.

SOME ARE USEFUL”

(107)

Muito Obrigado!

João Corte-Real

jmcr@uevora.pt

http://www.icam.uevora.pt