Precipitação amazônica diminui quando as florestas tropicais aumentam o CO2

Por que a precipitação da Amazônia diminui quando as florestas tropicais respondem ao aumento de CO₂?

Why Does Amazon Precipitation Decrease When Tropical Forests Respond to Increasing CO₂?

Modelos de sistemas da Terra preveem um dipolo zonal de mudança de precipitação sobre a América do Sul tropical, com decréscimos sobre a Amazônia e aumento sobre os Andes. Muito disso tem sido atribuído à resposta fisiológica da floresta tropical a níveis elevados de CO₂, o que descreve uma redução da região da bacia na condutância estomática e na transpiração. Embora sejam robustas nas experiências do modelo do sistema terrestre, os detalhes do mecanismo atmosférico subjacente – especificamente como ele evolui no contexto da interação terra-atmosfera e do ciclo diurno – não estão resolvidos.

Nós investigamos isso usando simulações de modelos idealizados e achamos que dentro de 24 horas de um CO₂ aumentar, ocorrem mudanças na Amazônia que geram feedbacks sinóticos de escala de tempo. A diminuição da evapotranspiração da floresta tropical reduz a umidade próxima à superfície, induzindo uma camada limite mais seca, mais quente e mais profunda. Acima disso, a difusividade turbulenta aumentada aumenta o vapor na baixa troposfera livre. Juntos, esses processos reduzem a atividade convectiva e causam reduções imediatas na precipitação da Amazônia.

Ao longo da escala de tempo sinóptica, essas mudanças deixam para trás a umidade troposférica inferior, que é direcionada para o oeste pelo jato de fundo e aumenta a precipitação andina. Isso produz um bipolar de mudança de precipitação consistente entre os modelos globais e regionais, bem como convecção parametrizada e resolvida, embora os detalhes sejam sensíveis à topografia do modelo e à formulação da camada limite. O mecanismo aqui relatado enfatiza a importância de processos de escala de tempo rápidos que afetam a estabilidade durante um período de horas que podem influenciar as interações entre clima e vegetação.

Estes resultados ajudam a esclarecer a resposta fisiológica da Amazônia ao aumento das emissões de CO₂ e fornecer informações sobre as possíveis causas de preconceitos de modelo histórico e incerteza do final do século nesta região.

De acordo com a evidência observacional, pode-se concluir que as florestas tropicais da Amazônia desempenham um papel significativo como sorvedouro para o excesso de dióxido de carbono atmosférico. Evitar o desflorestamento deve ser considerado uma contribuição importante para reduzir as emissões globais.

1. Introdução

A Amazônia é a maior floresta tropical da Terra, contendo cerca de 25% da biodiversidade global e respondendo por 15% da fotossíntese global (Dirzo & Raven, 2003 ; Field et al., 1998). Como as concentrações atmosféricas de CO₂ aumentam para níveis não vistos desde pelo menos o Plioceno (3 milhões de anos antes do presente; Pagani et al., 2010 ; Tripati et al., 2009), entender como a região responderá às mudanças climáticas é central para fazer previsões de longo prazo para os ciclos regionais de carbono e água, e esse conhecimento informará as práticas de manejo de florestas úmidas no século XXI.

A precipitação que mantém o ciclo hidrológico amazônico está ligada à migração sazonal da zona de convergência intertropical e à baixa circulação a ela associada, que muda de posição de zonal para nordeste ao longo do ciclo anual e modela a monção sul-americana durante a estação chuvosa (Vera et al., 2006). Além disso, a reciclagem de precipitação (isto é, a cascata de umidade através da precipitação, evapotranspiração e ciclos subsequentes de precipitação) – especialmente durante a estação seca – é uma fonte crítica de umidade para a floresta tropical interna e estima-se que contribua com 20-30% da chuva sobre a bacia amazônica (Brubaker et al., 1993 ; Eltahir e Bras, 1994 ; Lee et al., 2005 ; Spracklen et al.,2012 ; Staal et al., 2018 ; Van der Ent et al., 2010 ; Zemp et al., 2014). A evapotranspiração do dossel também é influente na estação de transição seco-úmido, umedecendo a atmosfera inferior e média nos meses que antecederam a monção e preparando a troposfera para uma convecção profunda (Fu & Li, 2004; Wright et al., 2017) . Para a própria vegetação amazônica, o acesso à umidade profunda do solo da estação úmida anterior permite que os ecossistemas da floresta tropical fiquem verdes mesmo durante os meses de baixa precipitação (Huete et al., 2006 ; Saleska et al., 2016).

A precipitação e sua influência no armazenamento sazonal de umidade do solo são, portanto, essenciais para a saúde das florestas tropicais, mas a previsão é de que as chuvas diminuam na Amazônia e aumentem nos Andes em simulações realistas do século XXI da fase 5 do Plano de Intercomparação do Modelo Climático (CMIP5). Taylor et al., 2012). Uma fração significativa desse dipolo de mudança de precipitação é atribuída à resposta fisiológica da vegetação ao CO₂ atmosférico (Bonfils et al., 2017 ; Kooperman et al., 2018 ; Richardson et al., 2018 ; Skinner et al., 2017 ; Swann et al., 2016 ). A resistência estomática aumenta sob níveis elevados de CO2, levando a uma diminuição na evapotranspiração e menor perda de água durante a fotossíntese (Field et al., 1995). O efeito imediato desta diminuição da transpiração é secar a camada limite, e os feedbacks desta são mais fortes em regiões de florestas tropicais (Kooperman et al., 2018), onde a alta área foliar inicial limita a sensibilidade da evapotranspiração a novos aumentos no dossel biomassa e onde a umidade da camada limite é fortemente dependente da evapotranspiração do dossel. O desenvolvimento de uma melhor compreensão de como a floresta amazônica responderá ao aumento do CO₂ atmosférico , e as implicações que isso terá para a evapotranspiração regional e a umidade da camada limite, é um aspecto fundamental da previsão da interação futura clima-vegetação.

Diversos estudos lançaram luz sobre essa resposta fisiológica, particularmente nas escalas continental e global. A abordagem comum nesses experimentos é confinar os aumentos de CO₂ em um ESM somente à superfície da terra, o que isola esse feedback guiado pela vegetação dos efeitos radiativos do CO₂ (ex: Betts et al., 2004 ; Pu & Dickinson, 2014 Sellers et al., 1996). Um subconjunto de oito centros de modelagem produziu esses experimentos sob o CMIP5, permitindo comparações intermodais sobre como o efeito fisiológico influenciará a temperatura, a precipitação e a seca (Lemordant et al., 2018 ; Lu et al., 2016 ; Skinner et al., 2017). 2018 ; Swann et al., 2016). Apenas alguns desses estudos, no entanto, exploraram especificamente a estrutura de mudanças dentro da Amazônia (ex: Abe et al., 2015 ; Kooperman et al., 2018 ; Richardson et al., 2018 ; Skinner et al., 2017). Esses trabalhos enfocam escalas de tempo multidecadais a séculos de duração e atribuem os Andes úmidos, o dipolo seco da Amazônia a um aumento na exportação integrada em coluna de umidade ou energia estática úmida (MPE) das terras baixas da Amazônia em direção à cordilheira dos Andes (Kooperman et al. , 2018 ; Skinner et al., 2017). Até o momento, nenhum estudo avaliou a rápida evolução da resposta da floresta ao CO2 como se desenvolve no tempo.

Recentemente, Richardson et al. (2018) examinou a resposta fisiológica da Amazônia em um conjunto de ESM e atribuiu a diminuição da precipitação a uma resposta rápida distinta de ajustes de longo prazo da temperatura média global. Eles calculam a contribuição relativa de termos no orçamento de energia superficial e descobrem que o reparticionamento dos fluxos de calor sensível e latente – totalizando um aumento no índice de Bowen (calor sensível dividido pelo calor latente) – foi a causa de primeira ordem da precipitação na Amazônia. diminui. Eles acham que esta resposta de energia superficial orientada pelo orçamento surge de mudanças termodinâmicas para a estrutura da umidade na atmosfera, independente da circulação. O aspecto rápido da resposta neste trabalho é em referência a simulações de modelos climáticos multidecadais com temperaturas da superfície do mar mantidas fixas.

No entanto, uma resposta rápida definida dessa forma ainda inclui a retroatividade da umidade do solo e do feedback da atmosfera ao longo de várias décadas, e Richardson et al. (2018) empregam orçamentos integrados à coluna que não avaliam a estrutura vertical da camada limite ou o papel que ela desempenha na resposta fisiológica, que Kooperman et al. (2018) show é importante para a resposta de precipitação a longo prazo. Isso, portanto, deixa em aberto questões sobre se existe uma cadeia de processo mais rápida pela qual essas anomalias de precipitação se desenvolvem inicialmente, a escala de tempo sobre a qual elas surgem e as interações terra-atmosfera ou feedbacks da camada limite que os acompanham. Respondemos a várias questões pendentes sobre esse mecanismo. Primeiro, existe esse dipolo de mudança de precipitação na Amazônia em um modelo climático de resolução mais alta ou é um artefato da resolução de ES1 a 2° de ESMs no arquivo CMIP5? Segundo, se o sinal é consistente entre modelos e escalas, com que rapidez as mudanças se desenvolvem e como elas evoluem? O fechamento estomático é um processo rápido – operando em uma escala de tempo de horas a horas relevante para a fotossíntese (Cardon et al., 1994) – Portanto, se as mudanças na precipitação dependem principalmente de controles vegetativos, pode-se esperar que o componente da floresta amazônica do dipolo de mudança de precipitação se instale rapidamente. Terceiro, como os processos rápidos que influenciam a convecção profunda ao longo de um período de horas mecanicamente vinculado a mudanças de maior escala na circulação e no transporte de umidade durante um período de dias a semanas?

Na análise abaixo, mostramos que a resposta de CO₂ está presente em um modelo climático regional e que ele se desenvolve de forma robusta nos primeiros dias de um CO₂ aumentar, independentemente de a convecção ser parametrizada ou explicitamente resolvida. Mudanças importantes emergem nas primeiras 24 horas que preparam a atmosfera acima da floresta tropical para uma diminuição de precipitação, com um aumento de Andes se desenvolvendo mais tarde na escala de tempo sinótica (10 dias). Abaixo, nos concentramos primeiro na resposta sinótica e depois discutimos os estágios iniciais no primeiro dia de simulação. Descobrimos que as mudanças do primeiro dia surgem da mistura aprimorada na baixa troposfera livre, onde a difusividade turbulenta local causa mudanças verticais na fração da nuvem e no fluxo de umidade que coincidem com uma atmosfera geralmente mais estável e probabilidade reduzida de convecção profunda. Discutimos a potencial aplicação desse mecanismo para melhor enquadrar e entender a incerteza no clima da Amazônia nos ESMs.

(a) Categorias de uso da terra e elevação para o domínio de Pesquisa e Previsão do Clima (WRF).

(b) Precipitação de equinócios observados e climatologias de vento de 850 hPa durante 1979–2016, tiradas do Projeto de Climatologia de Precipitação Global versão 2.3 (Adler et al., 2003) e Centro Nacional de Previsão de Ambientes versão 2.

(c) Média de dez dias precipitação e ventos de 850 hPa para condições de equinócio a partir da média do conjunto de CO₂, cont simulações WRF. O domínio WRF é mostrado em (b) e (c). As condições do equinócio referem-se à média combinada dos períodos de fevereiro a abril e de agosto a outubro, centrando-se nos equinócios de março e setembro. (ecodebate)