Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The land surface models (LSM) are the component of the numerical weather prediction and
climate models that represents the processes of interaction between the biosphere and atmosphere.
The need to improve the representation of bio-geophysical process stimulated
the development of sophisticated parametrization. This development increased the complexity
of LSMs and the number of parameters involved. Some of these parameters can
be measured, but it does not ensure that the best results will be produced. Therefore, a
general strategy is to use field experiments (local) to calibrate these parameters for different
vegetation types, minimizing the differences between the simulated and observed
value(s) of variable(s) of interest. LSMs are usually calibrated using observation of the
sensible (H) and latent (LE) heat flux . Studies including soil moisture (�) in the calibration
are less frequent (or restricted to the surface layer), but in forest ecosystems, under
seasonal water stress, vertical soil moisture profile in vadose zone is essential for simulating
transpiration, CO2 assimilation and the partition between the surface and underground
flows. This paper describes the calibration of the Simple Biosphere Model (SiB2) for the
Cerrado sensu-stricto, using flux measurements, soil moisture and atmospheric forcings
collected in a micrometeorological tower located in Gleba Pé de Gigante, SP, in the period
July 2009 to July 2012. For calibration, the SiB2 model was separated into modules that
included the radiative, aerodynamic and finally, soil water processes and conductance and
photosynthesis. The multi-objective calibration algorithm AMALGAM was applied to each of
these modules using as objective functions: the mean square error (RMSE), Nash-Sutcliffe
efficiency (NSE), the error of amplitude of the mean cycle annual (ACAM) or hourly (ACH).
The calibrated variables were: albedo PAR (�PAR), global albedo (�), friction velocity (u�),
net radiation (Rn), latent and sensible heat flux and total water storage (Az) up to two meters
deep. Nonetheless, the modular calibration was compared with a global calibration in
which only variables LE, H and Az were optimized. The calibration for radiative module
allowed to reproduce the seasonal cycle and amplitude for albedo PAR, while the global albedo
was lagged temporally and a slightly smaller amplitude than the observation but had
considerable improvement compared with that simulated with the original parameters. The
balance of radiation was reasonably simulated, with overestimation in winter and spring and
it proved to be fundamentally sensitive to downward longwave radiation. The u� was slightly
underestimated in the average daily cycle against to observed but had less error than the
original parameters. On the other hand, the model discretization in three soil layers failed
to represent the hydrological processes in the soil and surface simultaneously for Cerrado.
Therefore, the soil structure was changed by introducing vertical root distribution profile, the
process of hydraulic redistribution and updating the Green-Ampt infiltration scheme. These
schemes were essential to the modeling of hydrologic processes of Cerrado vegetation,
which is applicable to other deep root system. The global calibration fairly represented LE,
H and Az, but resulted in �PAR anti-correlated, considerable underestimation of the � and
u�, also in inconsistent partition for evapotranspiration components. / Os modelos da superfície terrestre (LSMs) são a componente dos modelos numéricos de
previsão numérica do tempo e clima que representam os processos de interação entre a
biosfera e atmosfera. A necessidade de aperfeiçoar a representação dos processos biogeofísicos
estimulou o desenvolvimento de sofisticadas parametrizações, aumentando a
complexidade dos LSMs e o número de parâmetros. Alguns desses parâmetros podem
ser medidos, mas isso não assegura que melhores resultados serão produzidos devido a
erros de amostragem e representatividade das condições experimentais (variabilidade espacial,
vertical e a heterogeneidade de superfície). Portanto, uma estratégia geral é usar
experimentos de campo (locais) para calibrar esses parâmetros para diferentes tipos de
vegetação, minimizando as diferenças entre os valores simulados e observados da(s) variável(
is) de interesse. LSMs são geralmente calibrados usando observações dos fluxos
de calor sensível (H) e latente (LE). Enquanto estudos que incluam a umidade do solo
(�) na calibração são menos frequentes (ou restritos a camada superficial do solo), mas
em ecossistemas florestais sujeitos a estresse hídrico sazonal (zona radicular profunda,
heterogeneidade vertical) o perfil vertical da umidade do solo na zona vadosa é essencial
para simulação da transpiração, assimilação de CO2 e a partição entre os escoamentos
superficial e subterrâneo. Esta dissertação descreve a calibração do modelo Simples da
Biosfera (SiB2) para o Cerrado sensu-stricto, utilizando medidas de fluxos, umidade do solo
e forçantes atmosféricas coletadas em uma torre micrometeorológica localizada na Gleba
Pé de Gigante, SP, no período de Julho de 2009 até Julho de 2012. Para a calibração,
o modelo SiB2 foi separado em módulos que incluíram os processos radiativos, aerodinâmicos
e por último os processos hídricos e de condutância e fotossínteses. O algoritmo
de calibração multiobjetivo AMALGAM foi aplicado a cada um desses módulos utilizando
nas funções objetivo a raiz do erro quadrático médio (RMSE), eficiência de Nash-Sutcliffe
(NSE), erro da amplitude do ciclo médio anual (ACAM) ou horário (ACH). As variáveis calibradas
foram: albedo PAR (�PAR), albedo global (�), velocidade de fricção (u�), saldo de
radiação (Rn), fluxo de calor latente e sensível e armazenamento total de água (Az) até
dois metros de profundidade. No entanto, a calibração por módulos foi comparada com
uma calibração global na qual somente foram otimizadas as variáveis LE, H e Az. A calibração
do módulo radiativo permitiu reproduzir o ciclo sazonal e amplitude do albedo PAR,
enquanto o albedo global ficou defasado temporalmente e com amplitude levemente menor
que a observação, porém teve razoável melhora quando comparado com o simulado com
os parâmetros originais. O saldo de radiação foi razoavelmente simulado, apresentando
superestimativa no inverno e primavera e mostrou-se sensível fundamentalmente à parametrização
de radiação de onda longa incidente. Enquanto a u� subestimou levemente o
ciclo médio diário observado mas teve erro menor que a configuração original. Por outro
lado, a discretização de três camadas do solo do modelo não conseguiu representar os
processos hidrológicos no solo e superfície simultaneamente do Cerrado. Mudou-se, portanto,
a estrutura de solo, introduzindo o perfil vertical de distribuição de raízes, o processo
de redistribuição hidráulica e a atualização do esquema de infiltração Green-Ampt. Estes
esquemas foram fundamentais para a modelagem dos processos hidrológicos da vegetação
Cerrado, o que é aplicável a outras de sistema radicular profundo. A calibração global
representou razoavelmente LE, H e Az, porém resultou em �PAR anti-correlacionado, subestimativa
considerável do � e u�, além de partição inconsistente nas componentes da
evapotranspiração.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufsm.br:1/10292 |
| Date | 15 July 2016 |
| Creators | Valdés, Roilan Hernández |
| Contributors | Tatsch, Jônatan Dupont, Durigon, Angelica, Cabral, Osvaldo Machado Rodrigues |
| Publisher | Universidade Federal de Santa Maria, Programa de Pós-Graduação em Meteorologia, UFSM, BR, Meteorologia |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSM, instname:Universidade Federal de Santa Maria, instacron:UFSM |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 100700300004, 400, 300, 300, 500, 300, 8d2f039f-ace0-4ed9-829d-9ea97a1c7d6e, 454ff1fa-6a0b-40b9-9cf8-3dd677422288, fa523806-3a3d-40ca-9ade-f69fe09e0e36, cfbd74d9-d34f-49bb-8d00-c5d14bfed8df |
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