1. Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
CPTEC/CCST
Projeções de Mudança Climática com o
Modelo Eta
André Lyra
Cachoeira Paulista, SP

2. INTRODUÇÃO
Diversos Modelos Climáticos Globais vem sendo utilizados para gerar projeções
de mudança climática através de diferentes cenários futuros, entretanto
possuem ainda resolução baixa.
O aumento da resolução espacial pode ser alcançada através da técnica de
Donwscaling.
Aninhar modelos climáticos regionais as condições dos modelos globais
Reduzir o ponto de grade o que é mais adequado para estudos de
impacto;
Representar melhor a topografia e outras características da
superfície da Terra o que ajuda detalhar a estrutura dos sistemas
atmosféricos.

3. Geração de cenários climáticos com base no modelo Eta-CPTEC 40 km
Modelo global (HadCM3) Cenários IPCC AR4 (modelo global
HadCM3-varias realizações) A1B para
rodar o modelo regional Eta CPTEC 40
km
Climatologia do presente (1961-90)
Validação do clima presente das
Eta CPTEC 40 km rodadas do Eta CPTEC (1961-90)
Projeções para diferentes períodos (2011-
2040, 2041-2070, 2071-2100) - variáveis
climáticas e hidrológicas - Brasil e bacias da
ANA
Cenários por bacias (medias e mudanças
relativas ao presente) para aplicar modelos
hidrológicas-Brasil e bacias da ANA

4. HADCM3
Pope et al, 2000, Gordon et al, 2000.
(Hadley Centre OAGCM )
variables: u, v, q, theta, surf press
•1960-2099
•LBC: 6/6h (360 day calendar)
•flux adjustments and sulphur cycle
included
Present climate: [all forcing run -
antropogenic (greenhouse gases,
sulphates, ozone) and natural (solar and
volcanic)]
•Data domain : 106.875 W a 1.875 W e
78.75 S a 18.75 N
•Resolution: dx=3.75o and dy=2.75o
•Number of files for LBC= 44640 (31 years)
4

5. Parameter Perturbations
QUMP ensemble Boundary layer
+300 members Turbulent mixing coefficients: stability-
Slab Ocean Model dependence, neutral mixing length
Large Scale Cloud Roughness length over sea: Charnock constant,
Ice fall speed free convective value
Critical relative humidity for formation Dynamics
Cloud droplet to rain: conversion rate and Diffusion: order and e-folding time
threshold
Gravity wave drag: surface and trapped lee
Cloud fraction calculation wave constants
Convection Gravity wave drag start level
Entrainment rate Land surface processes
Intensity of mass flux Root depths
Shape of cloud (anvils) (*) Forest roughness lengths
Cloud water seen by radiation (*) Surface-canopy coupling
Radiation CO2 dependence of stomatal conductance (*)
Ice particle size/shape Sea ice
Cloud overlap assumptions Albedo dependence on temperature
Water vapour continuum absorption (*) Ocean-ice heat transfer

6. .
Temperature
HadCM3 qump
Perturbed physics
.
.
.

7. Eta Model 40km characteristics
• Domain •Convection:
Most part of South America Betts-Miller-Janjic scheme,
Resolution: 40 km/38 layers; • Stratiform rain:
Grid-point model Zhao scheme
Arakawa E grid • Turbulence:
• Eta vertical coordinate (Mesinger, 1984) Mellor Yamada 2.5, MO surface
•Prognostic variables: layer, Paulson functions
T, q, u, v, ps, TKE, cloud water/ice, • Radiation:
hydrometeors GFDL package
•Time integration: • Land surface scheme:
2 level, split-explicit NOAH scheme, 4 soil layers,
Adjustmet: forward-backward • Initial conditions
Advection: first forward and then HADCM3
centered •LBC: HadCM3 uptd 6/6 h,

8. Modelo Eta (versão mudanças climáticas)
Integrações continuas de 31 anos; 1 ano de spin-up;
Temperatura da Superfície do Mar geradas pelos AOGCM (Média mensal),
atualização diária;
Atualização do CO2, anual, de acordo com os cenários;
Geração dos coef. de transmissividade para cenários A1B, com atualização de
5/5 anos;
Sazonalidade da vegetação; atualização 1/1 mês;
Veg greeness

9. 1961-1990 CIRCULAÇÃO 200 hPa DJF
ERA40 low mid high unprtrb
A A A A A
JJA
ERA40 low mid high unprtrb

10. 1961-1990 CIRCULAÇÃO 850 hPa DJF Captura bem o posicionamento dos anticiclones
ERA40 low mid high unprtrb
JJA ligeira superestimativa na velocidade dos ventos alísios
ERA40 low mid high unprtrb

11. 1961-1990 PRECIPITAÇÃO DJF
CRU low mid high unprtrb
JJA
CRU low mid high unprtrb
11

12. Subestimativa da temperatura na região Amazônica
1961-1990 TEMPERATURA 2m DJF Superestimativa no Norte da Argentina
CRU low mid high unprtrb
Temperatura semelhantes às observações CRU
JJA grande dispersão entre os membros na Amazônia.
CRU low mid high unprtrb
12

13. RMSE Ens Mean + Spread
precip
2 a 6 mm/d 0,5 a 1 mm/d
DJF JJA DJF JJA
Temp
DJF JJA DJF JJA
mean errors > spread >> Under dispersive ensemble

14. Ciclo Anual por região
Amaz: Amazonia
Nord: Northeast Brazil
Sud: Southèast Brazil
Brazil
EGU, Vienna, 2009

15. Ciclo Anual – Precipitação Eta 40km
AM NE
BR SU
EGU, Vienna, 2010 15

16. Ciclo Anual – Temperatura 2m Eta 40km
AM NE
BR SU

17. 2011-40 2041-70 2071-2100 2011-40 2041-70 2071-2100
A B C M N O
DJF
D E F P Q R
JJA
G H I
DJF HadCM3 Q0-aenwl
A-F: Precipitation P (%)
G-L: Surface air temperature ( C)
J K L M-R: Precipitation-Evaporation P-E (%)
JJA

18. Temperature increase
7 7
High Brazil High Amazon
6 Medium 6 Medium
Low Low
5 5 Unperturbed
Unperturbed
4 4
C
C
o
o
3 3
2 2
1 1
0 0
2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090
Precipitation Annual cycle 2071-2100
Brazil Amazônia

19. Brazilian major river basins
Marengo et al 2012

20. Marengo et al 2012
2011_2040 - 1961_1990 2041_2070 - 1961_19 90 2071_2100 - 1961_1990

21. Algumas conclusões Eta 40km
– O downscaling com o Modelo Eta-HadCM3 (4 membros) para o clima presente
reproduzem o padrão de circulação de grande escala da América do Sul
– O padrão de precipitação em DJF e JJA é bem representado pelos 4 membros e
apresentam melhoria em relação ao modelo HadCM3
– Pequeno espalhamento entre os membros do ensemble. Necessidade de incluir mais
membros
– As projeções futuras do Modelo Eta-HadCM3 para o cenário A1B sugerem uma
redução na precipitação no Norte da America do Sul e aumento no Sul no Verão.
– Projeções sugerem redução da precipitação nas Bacias Amazônia e do rio São
Francisco e as mudanças negligenciáveis de precipitação ​na bacia do rio Paraná.

22. Eta Model 20km characteristics
• Domain
Most part of South America
Resolution: 20 km/38 layers;
•Convection:
Grid-point model
Betts-Miller-Janjic scheme,
Arakawa E grid
• Stratiform rain:
• Refined Eta vertical coordinate
Zhao scheme
(Mesinger, 1984; Mesinger et al 2012)
• Turbulence:
•Prognostic variables:
Mellor Yamada 2.5, MO surface
T, q, u, v, ps, TKE, cloud water/ice,
layer, Paulson functions
hydrometeors
• Radiation:
•Time integration:
GFDL package
2 level, split-explicit
• Land surface scheme:
Adjustmet: forward-backward
NOAH scheme, 4 soil layers,
Horiz.Advection: first forward and
then centered • Initial conditions
HADCM3
Vert Advection: Piecewise Linear
Scheme > finite volume Model •LBC: HadCM3 uptd 6/6 h,

23. TOPOGRAFIA Eta
20km STEPS (225X485X38) 40km STEPS (113X243X38)
3464 3877 4319 4792 5298 5841 3464 3877 4319 4792 5298
1526 1790 2076 2386 2720 3079 1526 1790 2076 2386 2720 3079
398 533 690 867 1065 1285 398 533 690 867 1065 1285
0 21 65 118 191 284 0 21 65 118 191 284

24. TIPO DE VEGETAÇÃO Eta
20km VEGTYPE (225X485X38) 40km VEGTYPE (113X243X38)
1 - BROADLEAF-EVERGREEN TREES (TROPICAL FOREST) 7 - GROUNDCOVER ONLY (PERENNIAL)
2 - BROADLEAF-DECIDUOUS TREES 8 - BROADLEAF SHRUBS WITH PERENNIAL GROUNDCOVER
3 - BROADLEAF AND NEEDLELEAF TREES (MIXED FOREST) 9 - BROADLEAF SHRUBS WITH BARE SOIL
4 - NEEDLELEAF-EVERGREEN TREES 10 - DWARF TREES AND SHRUBS WITH GROUNDCOVER (TUNDRA)
5 - NEEDLELEAF-DECIDUOUS TREES (LARCH) 11 - BARE SOIL
6 - BROADLEAF TREES WITH GROUNDCOVER (SAVANNA) 12 - CULTIVATIONS (THE SAME PARAMETERS AS FOR TYPE 7)

25. Ciclo Anual – Precipitação CRU x Eta40km x Eta20km
CRU BR AM
E40km
E20km
N NE

26. Ciclo Anual – Precipitação CRU x Eta40km x Eta20km
CRU S SE
E40km
E20km
CO SF

27. Ciclo Anual – Temperatura 2m CRU x Eta40km x Eta20km
( oC ) ( oC )
CRU
E40km
E20km
BR AM
( oC ) ( oC )
N
NE

28. Ciclo Anual – Temperatura 2m CRU x Eta40km x Eta20km
( oC ) ( oC )
CRU
E40km
E20km
S SE
( oC ) ( oC )
CO SF

29. FREQUÊNCIA RELATIVA vs PRECIPITAÇÃO (mm/dia)
Distribuição do
% Eta-20km mais
próxima da
distribuição dos
dados CRU
Bacia São Francisco
%
%

30. Algumas conclusões Eta 20km
– Os campos horizontais apresentam padrões semelhantes ao Eta-40km (caso
piloto);
– A simulação do ciclo anual de temperatura e precipitação do clima presente
apresenta pequena melhoria sobre dados do Eta-40km);
– A distribuição de frequência da precipitação do clima presente foi melhor
descrita na versão Eta-20km

31. Em andamento....
- Versão Eta-5km NH, mudanças climáticas (aplicação em estudos de
megacidades, desastres naturais);
- Preparação para leitura do alguns modelos globais do AR5:
- BESM, HadGEM-ES, MIROC5, IPSL, ...
- Novos cenários AR5 (Representative Concentration Pathway) – Ex: RCP4.5;
- Inclusão de novos esquemas de superfície (Vegetação dinâmica): INLAND,
NOAH-MP;
- Inserção de áreas inundáveis;
- inclusão de cultura perene: café;
- Acoplamento com modelo oceânico
- Esquema de radiação

32. OBRIGADO !
andre.lyra@cptec.inpe.br

33. 1961-1990 PRECIPITAÇÃO
CRU
DJF MAM JJA SON
Eta-20km
DJF MAM JJA SON

34. 1961-1990 TEMPERATURA
CRU
DJF MAM JJA SON
Eta-20km
DJF MAM JJA SON

35. 1961-1990 CIRCULAÇÃO 200 hPa ERA 40
DJF MAM JJA SON
Eta-20km
DJF MAM JJA SON

36. 1961-1990 CIRCULAÇÃO 850 hPa ERA 40
DJF MAM JJA SON
Eta-20km
DJF MAM JJA SON

37. PROJEÇÕES PRECIPITAÇÃO
DJF
1961-1990 2011-2040 2041-2070 2071-2099
MAM
1961-1990 2011-2040 2041-2070 2071-2099

38. PROJEÇÕES PRECIPITAÇÃO
JJA
1961-1990 2011-2040 2041-2070 2071-2099
SON
1961-1990 2011-2040 2041-2070 2071-2099

39. PROJEÇÕES TEMPERATURA
DJF
1961-1990 2011-2040 2041-2070 2071-2099
MAM
1961-1990 2011-2040 2041-2070 2071-2099

40. PROJEÇÕES TEMPERATURA
JJA
1961-1990 2011-2040 2041-2070 2071-2099
SON
1961-1990 2011-2040 2041-2070 2071-2099

41. PROJEÇÕES CIRCULAÇÃO 200 hPa
DJF
1961-1990 2011-2040 2041-2070 2071-2099
MAM
1961-1990 2011-2040 2041-2070 2071-2099

42. PROJEÇÕES CIRCULAÇÃO 200 hPa
JJA
1961-1990 2011-2040 2041-2070 2071-2099
SON
1961-1990 2011-2040 2041-2070 2071-2099

43. PROJEÇÕES CIRCULAÇÃO 850 hPa
DJF
1961-1990 2011-2040 2041-2070 2071-2099
MAM
1961-1990 2011-2040 2041-2070 2071-2099

44. PROJEÇÕES CIRCULAÇÃO 850 hPa
JJA
1961-1990 2011-2040 2041-2070 2071-2099
SON
1961-1990 2011-2040 2041-2070 2071-2099