1. O documento discute a regionalização ('downscaling') de cenários de mudanças climáticas usando modelos atmosféricos regionais como o Eta para fornecer maior detalhamento espacial. 2. Foram introduzidas melhorias nos modelos globais e regionais, como a inclusão de ciclos biogeoquímicos e aumento da resolução. 3. Uma nova estratégia de downscaling está sendo desenvolvida usando três modelos globais (HadGEM2-ES, BESM e MIROC5) e dois cen

1. CENÁRIOS DE MUDANÇAS CLIMÁTICAS:
REGIONALIZAÇÃO
(‘downscaling’)
Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
Chou Sin Chan
chou@cptec.inpe.br
+55-12-3186-8424

2. Special Report on Emission Scenarios (SRES,2000)
AR4

3. (IPCC,2007)

4. NOVOS CENÁRIOS USADOS NO IPCC AR5
Integrated Assessment
Models
( IA Models )
Land use included
RCP - Representative Concentration Pathway

5. Radiative Forcing: the change in net (down minus up) irradiance (solar plus longwave; in
W m–2) at the tropopause after allowing for stratospheric temperatures to readjust to
radiative equilibrium, but with surface and tropospheric temperatures and state held
fixed at the unperturbed values’.
The radiation balance can be altered by
factors such as intensity of solar energy,
reflection by clouds or gases, absorption
by various gases, aerosols or surface,
emission of heat by various materials, etc.
Representative Concentration Pathway (RCP) 4.5 is a scenario of long-term, global
emissions of greenhouse gases, short-lived species, and land-use-land-cover which
stabilizes radiative forcing at 4.5 W m-2 (approximately 650 ppm CO2-equivalent) in the
year 2100 without ever exceeding that value.

6. PROJEÇÕES DO IPCC AR5
TEMP
CHUVA

7. 1. Em geral, foram introduzidas melhorias nos modelos globais que acrescentaram
processos importantes para mudanças climáticas, como ciclos biogeoquímicos
(“Earth System Model”);
2. A simulação da temperatura da superfície melhorou com correlaçãp espacial de
0.99; e a correlação da precipitação passou de 0.77 em AR4 para 0.82 em AR5.
PORQUE GERAR NOVAS SIMULAÇÕES DE MUDANÇAS CLIMÁTICAS?
0
2
4
6
8
10
12
J F M A M J J A S O N D
TSA
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
J F M A M J J A S O N D
TSA
CMIP5 CMIP3
CMIP5
CMIP3
RMSEPRECIP
Avaliação do ciclo anual da precipitação período 1980-1999 de 44 modelos do AR5.

8. Projeções para América do Sul a partir de 42 modelos globais, RCP 4.5 (IPCC, 2013)
DJF
Temperatura
NEBAMZ
2016-2035
2046-2065
2081-2100
25% 50% 75%

9. Projeções para América do Sul a partir de 42 modelos globais, RCP 4.5 (IPCC, 2013)
NEBAMZ
JJA
Temperatura
NEBAMZ
2016-2035
2046-2065
2081-2100
25% 50% 75%

10. ONDJFM
Precipitação
NEBAMZ
2016-2035
2046-2065
2081-2100
25% 50% 75%
Projeções para América do Sul a partir de 42 modelos globais, RCP 4.5 (IPCC, 2013)

11. Projeções para América do Sul a partir de 42 modelos globais, RCP 4.5 (IPCC, 2013)
AMJJAS
Precipitação
NEBAMZ
2016-2035
2046-2065
2081-2100
25% 50% 75%

12. (IPCC, 2013)

13. (IPCC, 2013)Média de 42 modelos

14. 14
1961-1990 simulations
using Eta Model forced by HadCM3 historical 4-member runs
(Chou et al 2012, CliDyn)
HadCM3 ~ 300 km
Eta – 40 km
Em estudos de impactos,
vulnerabilidade e adaptação, é
adequado empregar maior
detalhamento que os modelos
globais pois estes estudos têm
caráter local.
Os modelos atmosféricos
regionais provem o
detalhamento do modelo global
(‘downscaling’) para um
determinado período de tempo
e para uma determinada região.

15. 15
1. 360-day year calendar;
2. Equivalent CO2 concentration, update every 5 years;
3. HadCM3 Monthly Sea Surface Temperature, daily update
4. Monthly Vegetation Greeness, daily update;
5. Interface to read HadCM3, output
from Weather to Climate Change version
Veg greeness

16. 16
1961-1990 obs
30-year Eta Model
Present Climate
Integration
(HADCM3 Forcing)
30-year HADCM3
Present Climate
Integration
Climate Change
Version
1961-1990 continuous runs

17. 17
Development of regional future
climate change scenarios in South
America using the Eta - HadCM3
climate change projections:
Climatology and regional analyses
for the Amazon, São Francisco
and and the Parana River Basins
(Marengo et al 2012, CliDyn)
DJF
JJA
DJF
JJA
2010-40 2041-70 2071-2100
H I
J K L
G
A B C
D E F
A-F: Precipitação P (%)
G-L: Temperatura do ar (oC)
Cenário A1B, 4 membros

18. 18
Novos cenários
&
Desenvolvimentos do Modelo Eta

19. Modelo Eta
características
•Convection:
1. Betts-Miller-Janjic scheme,
• Stratiform rain: 1. Zhao scheme
• Turbulence: Mellor Yamada 2.5, MO
surface layer, Paulson functions
• Radiation: GFDL package
• Land surface scheme:
•NOAH scheme, 4 soil layers,
• L.B.C.
• OAGCM,
• Initial soil moisture :monthly climatology
• Initial albedo: seasonal climatology
•Changes in calculations of Ps, fluxes over
ocean, 10-m winds.
• Domains
•Most part of South America
•Southeast Brazil
•Northeast Brazil
• Resolution: 40 km/38 layers;
•15km/50 layers;
• 5km/50 layers NH
• Grid-point model
•Arakawa E grid and Lorenz grid
• Refined Eta vertical coordi
(Mesinger, 1984; Mesinger et al 2012)
•Prognostic variables:
T, q, u, v, ps, TKE, cloud
water/ice, hydrometeors
•Time integration:
•2 level, split-explicit
•Adjustmet: forward-backward
•Horiz.Advection: first forward and
then centered
•Vert Advection: Piecewise Linear
19

20. CRU - JJA
PREVIOUS VERSION NEW VERSIONPRECIPITATION mm/d
10yr – lbc: Era-Interim
CRU - DJF
Eta - JJA Eta - JJA
Eta - DJF Eta - DJF

21. Temperature (ºC)
10yr – lbc: Era-Interim
CRU - DJF
CRU - JJA
PREVIOUS VERSION NEW VERSION
Eta - JJA Eta - JJA
Eta - DJF Eta - DJF

22. 22
NOVA ESTRATÉGIA DE DOWNSCALING
apoio do MCTI, SAE e PNUD
1. HadGEM2-ES
2. BESM
3. MIROC5 *
1. RCP 4.5
2. RCP 8.5
Eta – 20 km
Aumento da resolução dos modelos globais;
Aumento da resolução do modelo regional Eta
- 3 modelos globais
- 2 cenários de emissão
Eta – 20 km

23. 23
NOVO DOWNSCALING
Eta/HadGEM2-ES
HadGEM2-ES: Hadley Centre, Grã Bretanha
1.875°x1.250° , 38 níveis, 1/3 graus nos trópicos e 1 grau em latitudes maiores que
30N/S no oceano, 40 níveis; vegetação dinâmica TRIFFID
(Collins et al 2008; Martin et al 2011)
OBS
(CRU)
Eta/HadGEM
Precipitação média 1961-1990 (mm/dia)
DJF MAM JJA SON

24. 24
NOVO DOWNSCALING
Eta/BESM 2.3.1
BESM: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, Brasil
T62 (aprox. 250 km x 250 km) , 28 níveis, ¼ grau no oceano MOM4, 50 níveis
Nobre et al., 2013
OBS
(CRU)
Eta/BESM
Precipitação média 1961-1990
SONJJAMAMDJF

25. 25
NOVO DOWNSCALING
Eta/MIROC5
MIROC5: Univ. of Tokyo, National Institute for Environmental Studies, e Japan Agency for
Marine-Earth Science and Technology
T85 (aprox. 156 km) , 40 níveis, 1.4o lat x 0.5-1.4o lon no oceano COCO 4.5, 50 níveis
Watanabe et al 2010
OBS
(CRU)
Eta/MIROC5
Precipitação média 1961-1990
SONJJAMAMDJF
Em preparação

26. Fluxograma – Preparação dos Dados de Entrada
Dados
MIROC5
• Variáveis disponíveis de 6 em 6 horas
• Calendário: 365 dias/ano
• Formato: netCDF
Coversão de
Formato
ta
ua
va
hus
. ctl
. dat
Interpolação
Horizontal
Grade Regular
ta
ua
va
Hus
ps
psl
• Formato binário
• 117 lat X 240 lon
Interpolação
Vertical
• Coordenada híbrida
Interpolação
Formato AVN
• Coordenada eta
Daniela Carneiro, Adan Silva, André Lyra, Jorge Gomes
Interpolação
Netcdf > binário

27. 315 x 625 x 50 pontos
Eta-20km
Eta-5km
1961-2100
3h/3h
RCP 8.5, BESM
1 simulação Eta-5km
VERSÃO NÃO-HIDROSTÁTICA PARA ESTUDOS EM ALTA RESOLUÇÃO

28. 28
Change of land use:
Urban vegetation> increase
of convective precipitation
Caroline Mourão, 2010
VERSÃO NÃO-HIDROSTÁTICA PARA ESTUDOS EM ALTA RESOLUÇÃO

29. 29
VERSÃO Eta- 5km : SIMULAÇÃO de CHUVA JANEIRO, MÉDIA de 5 anos
OBS
CRU
OBS
CMORPH
Eta-5km
Precipitação simulada,
média de JANEIRO, 5 anos

30. Variáveis pós-processadas do Modelo Eta (34)
USSL - Umidade do Solo Cont. 0.1 m 0-1
UZRS - Umidade do Solo Cont. 0.4 m 0-1
SMAV - Umidade do Solo Disponível 0-1
RNOF - Runoff a Superfície 3h kg/m²/s
RNSG - Runoff subterraneo 3h kg/m²/s
EVPP - Evapotransp potencial a spf m
LWNV - Fração de Nuvens Baixas 0-1
MDNV - Fração de Nuvens Médias 0-1
HINV - Fração de Nuvens Altas 0-1
OCIS - Rad de onda curta inc a spf W/m²
OLIS - Rad de onda longa inc a spf W/m²
OCES - Rad de onda curta emerg a spf W/m²
OLES - Rad de onda longa emerg a spf W/m²
ROCE - Rad de onda curta emerg TOA W/m²
ROLE - Rad de onda longa emerg TOA W/m²
ALBE - Albedo de Superfície 0-1
CAPE - CAPE J/kg
AGPL - Água Precipitável mm
ZGEO 20 Altura Geopotencial m
UVEL 20 Vento Zonal m/s
VVEL 20 Vento Meridional m/s
TEMP 20 Temperatura K
UMRL 20 Umidade Relativa %
OMEG 20 Omega hPa/s
UMES 20 Umidade Específica kg/kg
Variável Descrição Unid.
PSLM - Pressão no Nível Médio do Mar hPa
PSLC - Pressão a Superfície hPa
TP2M - Temperatura do ar a 2m K
MXTP - Temperatura Máxima das 3h K
MNTP - Temperatura Mínima das 3h K
DP2M
-
Temperatura do ponto de
orvalho a 2 m
K
U10M - U 10 m m/s
V10M - V 10 m m/s
U100 - U 100 m m/s
V100 - V 100 m m/s
PREC - Precipitação Total 3 h m
PRCV - Precipitação Convectiva 3 h m
PRGE - Precipitação de microfísica 3 h m
NEVE - Neve acumulada em 3 h m
CLSF - Fluxo de Calor Latente a spf W/m²
CSSF - Fluxo de Calor Sensível a spf W/m²
GHFL - Fluxo de Calor no solo W/m²
TSFC - Temperatura da Superfície K
TGSC - Temperatura do Solo 0.1 m K
TGRZ - Temperatura do Solo 0.4 m K

31. Arquivos de saída em binario simples
3h/3h: Eta_HG2ES_Hist_20km1960010100+YYYYMMDDHH_2D: 132481 arquivos binários
2.6 TB
6h/6h: Eta_HG2ES_Hist_20km1960010100+YYYYMMDDHH_3D: 64241 arquivos binários
4.7 TB
TOTAL cada conjunto de 30 anos : 7.3 TB
Variável Arquivos Nº Arquivos Unidade
PREC
Eta_HG2ES_Hist_20km_Prec_1960010100_2D.bin
…
Eta_HG2ES_Hist_20km_Prec_2005010100_2D.bin
132481
69 GB
mm/3 horas
PREC
Eta_HG2ES_Hist_20km_Prec_Diaria_19600101.bin
…
Eta_HG2ES_Hist_20km_Prec_Diaria_20051230.bin
16560
8,6 GB
mm/dia
TP2M
MXTP
MNTP
Eta_HG2ES_Hist_20km_Temp_1960010100_2D.bin
…
Eta_HG2ES_Hist_20km_Temp_2005010100_2D.bin
132481
205 GB
K
TP2M
MXTP
MNTP
Eta_HG2ES_Hist_20km_Temp_Diaria_19600101.bin
…
Eta_HG2ES_Hist_20km_Temp_Diaria_20051230.bin
16560
26 GB
K

32. CUIDADOS
1. 360 dias/ano; 365 dia/ano, 365-6 dias/ano
2. Não há calendário, integrações iniciadas em 1800
3. Tratar propriedades estatísticas
4. Necessidade de avaliação das simulações para cada aplicação
5. Valores dos modelos não são pontuais

33. 33
Obrigada!
chou@cptec.inpe.br
12-3186-8424

34. 1. André Lyra Andrelyra1@gmail.com
2. Caroline Mourão carolmourao@gmail.com
3. Claudine Dereczynski claudinedereczynski@gmail.com
4. Isabel Pilotto isabelpilotto@gmail.com
5. Jorge Gomes jorgeluisgomes@gmail.com
6. Priscila Tavares priltavares@gmail.com
1. Adan Silva adan_jps@Hotmail.com
2. Daniela Carneiro danic_Rodrigues@yahoo.com.br
3. Diego Campos diandradecampos@yahoo.com
4. Diego Chagas diegodjc@gmail.com
5. Gracielle Siqueira graciqueira@gmail.com
6. Gustavo Sueiro Gustavo.sueiro@cptec.inpe.br
Consultores:
PNUD/MCTI
PNUD/SAE
EQUIPE
Força tarefa
Meteorologistas
Analistas/programadores

35. Gilvan Sampaio analisou a tendência de 9 modelos do IPCC AR5
IPSL-CM5A-LR 8.5
IPSL-CM5A-LR 2.6
IPSL-CM5A-LR 4.5
MIROC5 4.5
CCSM4, CSIRO-Mk-3-6-0, GFDL-ESM2M, GISS-E2-R, HadGEM2-ES, IPSL-CM5A-LR, MIROC5, MRI-CGCM3 e NorESM1-M.

36. Realce: modelos que apresentam tendência positiva
Realce claro: modelos que apresentam *fraca* tendência positiva
5 modelos 4 modelos 3 modelos
Interessante notar que com aumento do nível de emissão, diminui o número de modelos
com tendência positiva de chuvas no NEB
*
**
IPSL- CM5A-LR tendência positiva em todos os cenários

37. GCM que dispomos no INPE para alimentar o Eta
MOHC HadGEM2-ES RCP4.5/RCP8.5
IPSL IPSL-CM5A-LR RCP4.5/RCP8.5
CCCma CanESM2 RCP4.5/RCP8.5
CSIRO CSIRO-Mk3-6-0 RCP4.5/RCP8.5
MIROC5 RCP 4.5
Avaliando o ciclo sazonal destes modelos no periodo 1980-2005, para a região tropical da
America do Sul
BIAS MAE RMSE R2
MOHC HadGEM2-ES 0.64 0.64 0.69 0.9836 melhor desempenho em TSA
IPSL IPSL-CM5A-LR -1.19 1.19 1.37 0.9635
CCCma CanESM2 -1.88 1.88 1.90 0.9848 erros muito grandes para TSA
CSIRO CSIRO-Mk3-6-0 -156 1.56 1.63 0.9361 erros muito grandes para TSA
MIROC5 0.58 0.94 1.08 0.9714 <<
Outros
MRI 0.80 0.80 0.90 0.9599
GFDL-ESM-EM -1.25 1.25 1.48 0.9750
Combinando disponibilidade imediata dos dados, erro de magnitude mediana para a região
tropical da América do Sul, e a necessidade de rodar 1 membro com chuva do futuro (futuro
próximo) acima da média atual, então pode-se optar pelo MIROC5.