Mudança do Clima

Mudança do Clima

(Parte 1 de 8)

Editores

Vicente Barros Robin Clarke Pedro Silva Dias

Projeto SGP I 057: Trends in the hydrological cycle of the Plata basin: Raising awareness and new tools for water management ¨ do Instituto Inter-Americano para Mudanças Globais (IAI)

Editores

Vicente Barros Robin Clarke Pedro Silva Días

APRESENTAÇÃO7
INTRODUÇÃO8
1.1.Afastando a hipótese de clima estacionário8
1.2.Tendências climáticas e hidrológicas na bacia do Prata9
1.3.Forçantes climáticas1
1.4.Modelos climáticos globais e cenários climáticos12
1.5.Determinação de valores extremos12
1.6.Variabilidade Interdecadal13
Referências14
ACLIMATOLOGIADABACIADO PRATA16
2.1.Introdução17
2.2.Regime geral de precipitação20
2.2.1.Estimativas por satélites20
2.2.2.Médias anuais e sazonais21
2.2.3.Ciclo Médio Anual2
2.3.Regiões23
2.3.1.Região do regime de monção (Bacias do Alto Paraguai e do Alto Paraná)23
a. Bacia do Alto Paraguai: Região do Pantanal23
b. Bacias Alta e Setentrional do Alto Paraná24
2.3.2.Grande região do Chaco24
2.3.3.Região central ao leste do Paraguai26
2.3.4.Região do Planalto Meridional e dos cumes do Rio Grande27
2.3.5.Região do litoral argentino e regiões fronteiriças27
2.3.6. Leste do Uruguai e sul do Rio Grande do Sul28
2.3.7.Fronteiras oeste e sul30
Referências32
VARIABILIDADE INTERANUAL: BACKGROUND35
3.1.Introdução36
3.2.Variabilidade sobre a bacia do Prata40

CAPÍTULO I Referências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40

FISIOGRAFIAE HIDROLOGIA4
4.1.Localização da bacia do Prata45
4.2.Importância da bacia46
4.3.Ecossistemas presentes na bacia46
4.4.Características das sub-bacias47
4.4.1.Sub-bacia do Rio Paraná47
4.2.2.Sub-bacia do Rio Paraguai51
4.4.3.Sub-bacia do Rio Uruguai54
4.5.Declives na bacia5
4.6.Problemas ambientais56
Referências60
TENDÊNCIAS REGIONAIS DE PRECIPITAÇÃO62
5.1.Introdução63
5.2.Série de dados63
5.3.Tendências63
5.3.1.Precipitação Total64
a. Tendências anuais64
b. Tendências sazonais6
c. Tendências associadas ao ENOS67
5.3.2.Freqüência de precipitação69
5.4.Relações entre chuva e vazão70
5.5.Sumário72
Referências e endereços web73
TENDÊNCIAS NAHIDROLOGIA75
6.1.Considerações gerais76
6.2.Vazão dos rios76
6.3.Eventos hidrológicos extremos (EHE)81
6.4.Relação entre as precipitações e os EHE85
6.5.Relação entre El Niño e EHE86

CAPÍTULO VI Referências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87

TENDÊNCIAS DAEVAPORAÇAO8
7.1.Introdução89
7.2.Dados89
7.3.Metodología89
7.4.Resultados91
7.4.1.Oeste da Argentina e Paraguai91
7.4.2.Rio Paraguai e litoral da Argentina97
7.4.3.Leste do Paraguai97
7.5.Discussão e comentários finais103
Referências104
RECURSOS DE ÁGUA105
8.1.Introdução106
8.2.Principais problemas107
8.2.1.Inundações107
8.2.2.Vulnerabilidades do meio ambiente e do ecossistema109
8.3.Principais serviços dos recursos de água110
8.3.1.Suprimento de água e drenagem urbana110
8.3.2.Agricultura112
8.3.3.Energia113
a. Dependência hidroelétrica113
b. Amplas utilizações das hidroelétricas114
c. Sedimentação nas represas115
8.3.4.Navegação fluvial116
Referências116
MUDANÇACLIMÁTICAGLOBAL118
9.1.Introdução119
9.2.Causas das mudanças climáticas119
9.3.Radiação solar e terrestre120
9.4.Efeito Estufa121
9.5.Gases de efeito estufa121
9.6.Aquecimento global durante o período industrial122
9.7.O clima no século XXI123
9.8.AMudança Climática já é inevitável: diminuição e adaptação126

CAPÍTULO IX Referências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .127

MUDANÇANO USO DO SOLO, AEROSSÓIS E GASES TRAÇO128
10.1.Introdução129
10.2.Efeitos regionais da queima de biomassa130
10.3.Mudança na utilização do solo132
10.3.1.Deflorestamento133
10.3.2.Efeitos Urbanos135
Referencias138
MODELOS CLIMÁTICOS GLOBAIS141
1.1.Introdução142
1.2.Modelos de Circulação Geral da Atmosfera (MCGAs)143
1.3.Incertezas dos MCGAs e seu uso para estudos de mudança climática146
Referências150
CENÁRIOS CLIMÁTICOS151
12.1.Introdução152
12.2.Critérios para a seleção de cenários climáticos regionais152
12.3.Técnicas para desenvolver cenários climáticos153
12.3.1.Cenários Sintéticos153
12.3.2.Cenários análogos154
a. Cenários análogos temporais154
b. Cenários análogos espaciais155
12.4.Desenvolvimento de outros cenários155
12.4.1.Cenários sócio-econômicos156
12.4.2.Cenários de elevação do nível do mar157
12.5.Validação dos MCGs para o período atual158
12.6.Cenários de mudança climática a partir dos MCGs160
12.6.1.Cenários de linha de base160
12.6.2.Cenários globais161
Referências167

CAPÍTULO XII 12.3.3.Cenários construídos a partir dos produtos de modelos climáticos globas .155

CENÁRIOS CLIMÁTICOS REGIONAIS168
13.1.Introdução169

CAPÍTULO XIII 13.2.Cenários climáticos regionais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169

13.2.2.Interpolação de produtos de pontos de grade170
13.2.3.Downscaling estatístico170
13.2.4.Experimentos de alta resolução170
13.3.Validação regional dos MCGs para a América do Sul171
13.4.Cenários regionais para a bacia do Prata175
13.4.1.MCG Hadley Centre175
13.4.2Características regionais em outros experimentos de Mudança C imática176
a. Experimento pré-industrial179
b. 1% de aumento em COaté dobrar179
c. Clima do século X180
13.4.3.MCGs Hadley Centre e ECHAM181
13.5.Planos futuros do CPTEC/INPE para modelagem de mudança climática181
Referências184

13.2.1.Uso direto dos produtos de MC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169

VARIABILIDADE DE BAIXAFREQÜÊNCIA185
14.1.Antecedentes na variabilidade de baixa freqüência186
14.2.Análise de dados187
14.3.Padrões de precipitação188
14.4.Compostos de TSM192
14.5.Compostos de PNM195
14.6.Conclusões198
Referências199
EM UM CONTEXTO NÃO ESTACIONÁRIO202
15.1.Introdução203
tendências nas variáveis hidrológicas205

15.2.Métodos paramétricos e não paramétricos para detectar

de precipitação de uma hora em Porto Alegre, Brasil205

15.3.Exemplo: Testando a tendência em máximas anuais

das chuvas diárias em Ceres, Argentina208
15.5.Registros com valores faltantes212
15.6.Tendências Espaciais214
15.7.Métodos baseados nos momentos L215
15.8.O conceito de período de retorno na presença de tendências temporais217

15.4.Exemplo: Procedimento POTaplicado para o ajuste Referências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .218

Este livro é o resultado do Projeto Trends in the Hydrological cycle of the

Silver Basin: Raising awareness and new tools for water management . O projeto foi financiado pelo auxílio SGPII 057 do Instituto Inter-Americano para Mudanças Globais (IAI) para a elaboração e publicação de Relatórios Técnicos.

Em grande parte, este projeto resultou de uma maior iniciativa, financiada pelo IAI, o CRN-055 denominado PROSUR , cujo foco foi a análise da variabilidade do clima no sudeste da América do Sul. Parte do conhecimento dos impactos da variabilidade do clima na hidrologia da bacia do Prata foi desenvolvida no decorrer do projeto PROSUR por pesquisadores que participaram desta iniciativa. Posteriormente, estes mesmos pesquisadores, em conjunto com outros, conduziram os trabalhos do Projeto SGPII 057.

O objeto deste livro é chamar a atenção da comunidade hidrológica sobre as importantes mudanças que ocorreram no clima e na hidrologia da bacia do Prata durante as últimas décadas. No contexto da mudança global do clima e de possíveis grandes mudanças regionais, a hipótese de estacionaridade das séries climáticas e hidrológicas tornou-se defasada. Portanto, o livro fornece uma visão geral das poucas técnicas disponíveis para avaliar o clima e a hidrologia do futuro.

Vicente BarrosRobin Clarke Pedro Silva Días

1.1 Afastando a hipótese de clima estacionário

Existe variabilidade climática em quase todas as escalas de tempo. Em algumas delas, a variabilidade climática vem de processos de natureza intrinsecamente aleatória ou tem causa múltipla e complexa que dificulta a previsão. Por essa razão, o uso da informação climática é baseado fundamentalmente na análise estatística de suas séries.

Até há pouco tempo, muitas das aplicações das informações climáticas se limitavam à premissa de que o clima era estacionário, ao menos na escala decadal e, portanto, o clima futuro seria similar àquele do passado imediato. Portanto, as séries de elementos climáticos e seus derivados hidrológicos eram estatisticamente tratados como estacionários.

Hoje em dia, a hipótese de que as séries climáticas ou seus derivados são estacionários não parece tão apropriada. Cada vez mais há menos dúvidas de que o planeta iniciou uma rápida mudança climática induzida pelas atividade antrópica. Conseqüentemente, a hipótese, quase sempre implícita, de que as estatísticas do passado climático podem representar as do clima futuro, não é mais válida. Todo o arsenal metodológico que se baseava nesta simples suposição para o cálculo de parâmetros de desenho de infra-estruturas, para o planejamento do uso dos recursos hídricos, do território, da atividade da floresta ou da agricultura de médio prazo deve ser revisto.

Em algumas regiões e para certos parâmetros, as séries climáticas já não são mais estacionárias. Para os casos em que seguem sendo estacionárias, tampouco é uma atitude sensata supor, a priori e sem uma análise mais profunda, que elas continuarão assim. Conseqüentemente, a estimativa de algumas ou de várias características climáticas futuras como requisitos de planejamento, não pode mais se apoiar na hipótese confortável de que o clima é estacionário e, portanto, novos métodos são necessários. Apesar dessa necessidade, ainda não há metodologia totalmente desen-

INTRODUÇÃO Vicente Barros1CIMA/CONICET. Universidade de Buenos Aires.

volvida e segura para estimar o clima futuro. De fato, o grande desafio para a climatologia mundial nos próximos anos será desenvolver métodos de previsão climática das próximas décadas em vista das mudanças climáticas causadas pelo homem.

Nesse meio tempo, as atividades onde o clima é um elemento para tomada de decisões pedem respostas que não podem esperar pelo desenvolvimento de uma metodologia impecável e precisa a qual não está disponível nos dias de hoje. Em particular, a demanda mais importante é a estimativa das condições climáticas no futuro nas próximas duas ou três décadas, que é o horizonte de tempo habitualmente contemplado para planejamento a médio e longo prazo. Aintenção deste livro é oferecer um quadro conceitual e crítico das poucas ferramentas disponíveis hoje e de sua evolução futura. Na última parte deste livro (capítulos 1 a 15), três dessas ferramentas são analisadas, os cenários climáticos, o uso da variabilidade climática de baixa freqüência e o tratamento estatístico de extremos para as séries não estacionárias. Dada à notável importância das tendências climáticas e hidrológicas da última década na bacia do Prata, os três tipos de ferramentas são ilustrados como exemplos desta bacia.

1.2.Tendências climáticas e hidrológicas na bacia do Prata

Abacia do Prata é uma região de grande importância econômica e demográfica, partilhada por cinco países e com população acima de 200 milhões. Responde pela geração da maior parte de eletricidade, de alimentos e das exportações desses países. Na maior parte dessa imensa bacia de 3.500.0 km2há claras manifestações de tendências climáticas e hidrológicas importantes que possivelmente poderiam estar relacionadas à Mudança Climática Global. Aindicação mais direta em tal sentido é a simultaneidade do início dessas tendências com a última tendência de aquecimento global iniciada na década de 1970, a qual, como será visto no capítulo 9, é atribuída à crescente concentração de gases de efeito estufa.

Entre as regiões sub-continentais do mundo, o sul da América do Sul tem mostrado a maior tendência positiva em precipitação durante o século passado (Giorgi 2002). Isso acontece embora a região inclua o Chile na porção sub-tropical onde havia tendências negativas (Minetti e Vargas 1998; IPCC 2001). O aumento na precipitação anual nos últimos 40 anos tem excedido 10% na maior parte dessa região mas, em alguns lugares, alcançou 30% ou mais (Castañeda e Barros, 1994, Minetti et al. 2003). Por exemplo, no oeste da província de Buenos Aires e em parte da fronteira argentino-brasileira, a média anual de precipitação aumentou mais de 200mm.

Além do aumento na média anual de precipitação, episódios de fortes chuvas estão se tornando mais freqüentes. Afreqüência de eventos de precipitação excedendo 100mm nas regiões Central e Leste da Argentina triplicou nos últimos 40 anos (Barros 2004). Esta tendência também foi observada em São Paulo, Brasil,

Introdução onde a freqüência de fortes chuvas aumentou significativamente (Xavier et al., 1992 e 1994), especialmente durante o verão. Precipitações extremas no sudeste da América do Sul (SEAS) vêm geralmente dos Sistemas Convectivos de Mesoscala (SCM) (Velasco e Fritsch 1990). As precipitações dos SCM têm grande potencial destrutivo já que vertem água sobre dezenas de milhares de km2com grande intensidade por períodos de tempo relativamente curtos causando, freqüentemente, enchentes severas. O SEAS tem sido identificado com uma das regiões mundiais com maior freqüência de SCMs (Nesbitt e Zipser 2001). Assim, a forte precipitação é uma característica climática evidente do SEAS e suas tendências positivas resultam em enchentes mais freqüentes.

O aumento de precipitação conduziu a um aumento da descarga de rio (García e Vargas 1998; Genta et al. 1998), já que a evaporação - controlada pela temperatura - parece não ter mudado muito (Berbery e Barros 2002, ver também capítulo 7). O índice percentual de mudança das descargas de rio foi ampliado quando comparado ao índice de mudança correspondente da média de precipitação da bacia do Prata (Berbery e Barros 2002; Clarke 2003. Collischonn et al. 2001). Esta característica pode ser atribuída parcialmente ao deflorestamento e à mudança no uso do solo que deu lugar a um aumento do escoamento (Tucci e Clark 1998; Collischonn et al. 2001). No entanto, mudanças interanuais de chuva e de descarga de rios ocorrem também entre anos consecutivos. Já que neste caso o impacto da mudança no uso do solo é irrelevante, este resultado leva a inferir que o aumento nas vazões é uma característica natural e intrínseca deste sistema (Berbery e Barros 2002). Esta característica aumenta a vulnerabilidade das atividades que dependem de recursos hídricos para mudanças na precipitação que, no contexto atual de Mudança Climática, é um assunto relevante.

O efeito mais adverso desta mudança é a freqüência maior e a severidade das enchentes, tanto nos vales de rios como nas extensas áreas planas dos Pampas. Apesar dos prognósticos hidro-meteorológicos melhores, danos causados pelas chuvas intensas e conseqüente enchente têm aumentado como resultado da tendência climática regional e da crescente ocupação por assentamento e agricultura em áreas que até recentemente eram de relativo baixo risco de enchentes.

Nos vales de aluvião do Paraná, Uruguai e Paraguai, enchentes têm se tornado mais freqüentes desde meados dos anos setenta. Durante o século X, 12 dos 16 maiores volumes da descarga do rio Paraná em Corrientes ocorreram nos últimos 25 anos e 4 das 5 maiores descargas também ocorreram durante este último período (Camilloni e Barros 2003). No rio Paraguai, 1 das 15 maiores enchentes em Assunção durante o último século também ocorreram após 1975 (Barros et al. 2003) enquanto que no rio Uruguai, nenhum dos 16 maiores picos desde 1950 ocorreram antes de 1970 (Camilloni e Caffera 2003). Estes exemplos indicam a severidade do impacto que as tendências climáticas regionais causaram na intensidade e freqüência das enchentes.

Introdução

O custo para fazer frente a essas condições mutantes é extremamente alto.

Apenas como exemplo, se as perdas são mensuradas como uma porcentagem do Produto Interno Bruto (PIB), a Argentina é um dos 14 países mais afetados pelas enchentes, com perdas estimadas em 1,1% de seu PIB (Banco Mundial 2001). Estes e outros impactos das tendências recentes na hidrologia da bacia do Prata são discutidos no capítulo 8.

As novas condições climáticas têm tornado obsoleta boa parte da infra-estrutura ligada ao gerenciamento de água, já que esta infra-estrutura foi desenhada para um clima diferente. Parte deste problema poderia ser evitável no futuro, se parte dessa infra-estrutura fosse modificada para atender as novas condições, e as novas construções fossem feitas de acordo com as novas e as futuras condições hidrometeorológicas. Com poucas exceções, nada disso tem sido feito. Especificamente, a maioria das infra-estruturas foi, e ainda é, projetada com a suposição implícita de um clima estacionário. Os poucos métodos apropriados disponíveis para calcular o clima futuro sob condições climáticas não estacionárias, algumas das quais ainda em desenvolvimento, nem são conhecidas e tampouco usadas. Esta atitude reflete a carência de conhecimento da comunidade técnica sobre as tendências climáticas regionais e suas conseqüências hidrológicas.

Por estas razões, o segundo propósito deste livro é chamar à atenção para as tendências climáticas e hidrológicas, mostrando sua dimensão territorial a fim de que as tendências locais não sejam mal interpretadas como sintomas do acaso e isolados. Adescrição dessas tendências está nos capítulos 5, 6 e 7 e, para melhor compreensão, as mais importantes características climáticas regionais e da hidrologia são previamente abordadas nos capítulos 2,3 e 4.

Dióxido de carbono e outras emissões de gases de efeito estufa (GEE) são considerados responsáveis por, pelo menos, parte do aumento da temperatura global durante o século X e serão os agentes principais para a mudança climática durante o século XXI. Aevolução da emissão dos GEEs no futuro dependerá de diversos fatores cujo prognóstico é realmente complexo. São esses fatores: o crescimento econômico e demográfico, as mudanças tecnológicas e mesmo o desenvolvimento de uma sociedade com maior ou menor eqüidade; e igualmente importante, a decisão coletiva da humanidade de reduzir, ou ao menos diminuir, o índice de aumento das emissões. Como tudo isso é muito difícil de ser previsto, somente é possível construir possíveis cenários sócio-econômicos futuros. Os diferentes cenários pressupõem níveis de atividade econômica que implicam, por sua vez, em diferentes cenários de emissão. Aconstrução e as características desses cenários são discutidas no capítulo 12.

Introdução

O tema da mudança climática global está resumido no capítulo 9. Mudanças climáticas globais de longo prazo se determinam usando Modelos Climáticos Globais (MCG) os quais simulam as respostas às mudanças nos componentes atmosféricos que têm sido observados no passado ou que serão esperados no futuro. Os MCGs são também usados para simular outras mudanças que podem modificar o clima, tais como o deflorestamento e as mudanças na vegetação e no uso do solo. Essas e outras forçantes regionais são tratadas no capítulo 10.

Uma melhor compreensão das tendências observadas ajudará a desenvolver e aplicar técnicas de avaliação das estatísticas do cenário de precipitação no futuro próximo sob condições mutáveis. No entanto, deve estar em mente que certas perguntas não têm ainda uma resposta científica conclusiva: Qual é a causa da tendência climática regional? Essas tendências estão relacionadas à mudança climática global? Qual é o impacto da mudança do uso do solo e do ar poluído (das mega-cidades e da queima de biomassa)? Essas tendências continuarão nas próximas décadas?

1.4.Modelos climáticos globais e cenários climáticos

Atualmente, há resultados de rodadas de MCG produzidos por diversos centros com modelos diferentes. Esses modelos simulam o clima futuro sob diversos cenários sócio-econômicos que resultam também em diferentes emissões de gases de efeito estufa. O Capítulo 1 descreve o MCG, seu desempenho e suas limitações.

Algumas das saídas de MCG para a bacia do Prata foram verificadas com dados observacionais. Esta análise de validação demonstrou que as chuvas simuladas pelo MCG não estão em concordância com os dados observacionais e que alguns ajustes são necessários para preparar cenários futuros de chuva baseados em simulações de MCG (Bidegain e Camilloni 2002).

Afalta de uma representação correta dos atuais campos de média precipitação pelo MCG cria algumas dúvidas acerca de sua habilidade em simular o clima futuro. Entretanto, o método incremental que será discutido no capítulo 13, pode filtrar alguns desses erros quando não são muito importantes. Por outro lado, espera-se para os próximos meses novos experimentos com modelos regionais de alta resolução aninhado nas saídas do MCG para a região da bacia do Prata. Esta técnica pode melhorar a simulação dos campos de precipitação para o clima atual mas ainda não há certeza quanto a isso.

1.5.Determinação de valores extremos

Os cenários de MCGs ainda estão longe de reproduzir as propriedades estatísticas dos valores extremos de chuva e, conseqüentemente, não podem ser usados

Introdução para informar os extremos dos fluxos do rio, os quais são necessários para os processos de projeto ou de planejamento. Assim, tendências de tais propriedades são praticamente as únicas ferramentas disponíveis para os cenários de futuro próximo; o capítulo 15 enfocará a análise estatística para o estudo da freqüência de ocorrência de chuvas extremas e até que ponto as tendências de chuvas extremas são estatisticamente significativas. Isso implicará na discussão da adequação das distribuições do Valor Extremo Generalizado (VEG) para as máximas anuais de chuva acumulada, considerando diferentes períodos de duração, e a determinação do âmbito para o qual parâmetros de distribuição do VEG mostram evidência estatística significativa de tendência, usando, por exemplo, métodos estatísticos descritos por Coles (2001). Outras alternativas são análises estatísticas de intensidades de chuva que excedem um certo valor limite (POT: análise de “peaks-over-threshold”) ao longo das linhas descritas por Clarke (2003) e Coles (2001).

(Parte 1 de 8)

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