Calibração do modelo IBIS na floresta Amazônica usando múltiplos sítios

Abstract

Considerando que modelos que simulam fluxos entre a biosfera e a atmosfera utilizam muitos parâmetros e que alguns destes podem apresentar incertezas quanto às suas especificações ou não ter nenhuma medida de campo associada aos mesmos, faz-se necessário ajustar ou calibrar estes parâmetros, visando melhor representar as características biofísicas do ecossistema. Tradicionalmente, essa calibração é feita contra dados de um único sítio micrometeorológico. Neste trabalho utilizaram-se medidas micrometeorológicas coletadas nos sítios experimentais do projeto LBA para calibrar o modelo IBIS, a fim de determinar se a calibração obtida usando dados de um único sítio é representativa para todo um ecossistema. Os sítios usados foram Flona do Tapajós (km 83 e km 67), Reserva do Cuieiras (km34) e Rebio Jaru. O procedimento de calibração envolveu aproximadamente 95 simulações para cada um dos quatro sítios. Para cada sítio foi obtido um conjunto de parâmetros, β2 (distribuição de raízes finas), Vmáx (capacidade máxima da enzima Rubisco), m (coeficiente relacionado à condutância estomatal) e CHS (capacidade térmica dos galhos), que otimizava as estatísticas dos coeficientes de correlação (ρ) e de inclinação da reta de regressão entre os dados simulados e observados (α), e a minimização do erro relativo médio (ε) e da raiz do erro quadrado médio (RMSE). Antes de iniciar o processo de calibração propriamente dito foi realizada uma análise de sensibilidade dos resultados simulados pelo modelo a diversos parâmetros de entrada. Esta análise foi feita, apenas, para o sítio Flona do Tapajós km 67, onde foi observado que o RMSE mínimo foi atingido com o conjunto de parâmetros β2 = 0,98, Vmáx = 65 μmol m-2 s-1, m = 9 e CHS = 2,1.105 J m-2 °C-1. Após a calibração individual para cada sítio, de maneira geral, os resultados simulados pelo modelo se ajustaram bem aos dados observados em todos os sítios, representando bem a variabilidade horária do saldo de radiação (Rn), da radiação fotossinteticamente ativa incidente (PARin) e refletida (PARout), do fluxo de calor sensível (H) e latente (LE), e da troca líquida de CO2 do ecossistema (NEE) ou fluxo de CO2 (FC), exceto no caso de NEE para a Reserva do Cuieiras e, em alguns casos, de valores extremos de H e LE. A estimativa do fluxo de calor no solo (G), entretanto não melhorou com a calibração. A calibração mais satisfatória foi atingida no sítio da Flona do Tapajós km 67. Já o teste que utiliza melhores parâmetros obtidos em cada sítio nos outros sítios forneceu uma resposta inicial sobre a representatividade da calibração feita utilizando dados de apenas um sítio para todo um vasto ecossistema. Nesta análise percebeu-se que, ao se utilizar os parâmetros calibrados para um único sítio em todos os demais, introduz-se erros consideráveis que podem prejudicar a qualidade dos resultados simulados. Logo, concluiu-se que os dados coletados em um único sítio não são representativos para todo um ecossistema, mesmo que contíguo. A conclusão obtida no presente trabalho e as dificuldades encontradas durante sua execução têm importantes ramificações. Em primeiro lugar, é real a necessidade de adicionar outros parâmetros espacialmente explícitos aos modelos que simulam fluxos superficiais; em segundo lugar, a concepção e operação de redes de medições de fluxos, como o LBA e a FLUXNET, devem ser revistas, padronizando metodologias de modo a evitar diferenças sistemáticas entre os diferentes sítios.

Considering that models simulating the fluxes between the biosphere and the atmosphere use several parameters, and that many of them may show uncertainties related either to their specifications or to the absence of field measurements associated to them, there is a need for calibrating these parameters to attain a better representation of the ecosystem s biophysical characteristics. This calibration is traditionally performed by using the data of a single micrometeorological site. This work, micrometeorological measurements collected in four experimental sites of the LBA project to calibrate the IBIS model, in order to determine whether the calibration based on data relative to a single site would be representative of a whole ecosystem. The sites Flona do Tapajós km 83 and km 67, Reserva do Cuieiras (km34) and Rebio Jaru were used. The calibration procedure involved around 95 simulations, for each one of the four sites. For each site, a set of optimum parameters were obtained: β2 (fine root distributions), Vmax (maximum capacity of the Rubisco enzyme), m (coefficient related to the stomatal conductance) and CHS (heat capacity of stems), that optimized the statistics of the correlation coefficient (ρ) and the slope of the linear regression line between the simulated and observed data (α), and the minimization of both the mean relative error (ε) and the root mean square error (RMSE). Before starting the calibration process itself, a sensitivity analysis of the model-simulated results was performed to several input parameters. This analysis was only performed for the site Flona do Tapajós km 67, where it was observed that the minimum RMSE was reached with the parameters β2 = 0.98, Vmax = 65 mol m-2 s-1, m = 9 and CHS = 2.1,105 J m-2 °C-1. After individual calibration for each site, the model-simulated results were well adjusted to the data observed in all sites, therefore satisfactorily representing the hourly variability of the net radiation (Rn), incident and reflected photosynthetically active radiation (PARin and PARout), sensible heat flux (H), latent heat flux (LE), and either the net ecosystem exchange (NEE) or the carbon flux (FC), except in the case of NEE for the Cuieiras Reserve, as well as the extreme values of H and LE in some cases. However, the estimate of the soil heat flux (G) did not improve with calibration. The most satisfactory calibration was reached at the site Flona do Tapajós km 67. Testing the best parameters obtained in each site in the other sites, provided an initial answer about the representativeness of the calibration performed with data of a single site for an entire ecosystem. In this analysis, however, it was observed that when the single-site calibrated parameters were used in other sites, significant errors were introduced, which might compromise the quality of the simulated results. Thus, it was concluded that the data collected in a single site are not representative for a whole ecosystem, even when it is contiguous. The conclusion drawn from the present work and the difficulties found during its execution have important ramifications. First, there is a real need for the addition of other spatially explicit parameters to the models simulating the surface fluxes; second, both the design and operation of flux measuring networks such as LBA and FLUXNET should be reviewed, as well as the standardization of methodologies should be accomplished in order to avoid systematic differences among the different sites.