MODELLIZAZIONE DI ECOSISTEMI INONDATI: L’AMAZZONIA

BACINI IDROGRAFICI BACINI IDROGRAFICI BRASILIANIBRASILIANI

TOCANTINSTOCANTINS

ECOSISTEMI INONDATIECOSISTEMI INONDATI Ecosistemi di struttura variabile: alternanza e convivenza dell’ecosistema Ecosistemi di struttura variabile: alternanza e convivenza dell’ecosistema

marino e terrestre.marino e terrestre. Pioggia: è la causa principale della loro formazione; non è distribuita Pioggia: è la causa principale della loro formazione; non è distribuita

uniformemente nel corso dell’anno ma si concentra in alcuni periodi.uniformemente nel corso dell’anno ma si concentra in alcuni periodi. Stagioni: sono essenzialmente due e si differenziano in quanto una è Stagioni: sono essenzialmente due e si differenziano in quanto una è

piovosa e una è secca; non esistono stagioni intermedie. Data la latitudine, piovosa e una è secca; non esistono stagioni intermedie. Data la latitudine, le stagioni sono quelle dell’emisfero australe e quindi l’estate, che va da le stagioni sono quelle dell’emisfero australe e quindi l’estate, che va da ottobre a marzo, è la stagione delle piogge e delle inondazioni mentre ottobre a marzo, è la stagione delle piogge e delle inondazioni mentre l’inverno, che va da aprile ad agosto, è la stagione secca.l’inverno, che va da aprile ad agosto, è la stagione secca.

Alterazione della catena alimentare in modo naturale: animali e piante Alterazione della catena alimentare in modo naturale: animali e piante devono adattarsi ai cambiamenti di ecosistema; durante le inondazioni devono adattarsi ai cambiamenti di ecosistema; durante le inondazioni saranno presenti alcuni tipi di piante e animali, che invece durante la saranno presenti alcuni tipi di piante e animali, che invece durante la stagione secca non ci saranno. Altre specie, invece, sono presenti tutto stagione secca non ci saranno. Altre specie, invece, sono presenti tutto l’anno in particolare quelle che con il tempo si sono evolute e quindi adattate l’anno in particolare quelle che con il tempo si sono evolute e quindi adattate ai repentini cambiamenti.ai repentini cambiamenti.

Territorio: la conformazione del territorio può subire cambiamenti nel corso Territorio: la conformazione del territorio può subire cambiamenti nel corso di inondazioni; nuovi corsi d’acqua si possono formare così come nuovi di inondazioni; nuovi corsi d’acqua si possono formare così come nuovi bacini. Rilevante è poi l’effetto del prosciugamento.bacini. Rilevante è poi l’effetto del prosciugamento.

NECESSITA’ DI UN MODELLONECESSITA’ DI UN MODELLO Predire le variazioni spaziali e temporali: è sicuramente il punto Predire le variazioni spaziali e temporali: è sicuramente il punto

fondamentale; la simulazione integrata a nozioni di idrologia, geomorfologia, fondamentale; la simulazione integrata a nozioni di idrologia, geomorfologia, ecologia, telerilevamento, geoinformatica è essenziale per monitorare il ecologia, telerilevamento, geoinformatica è essenziale per monitorare il corretto funzionamento di questo particolare tipo di scenario corretto funzionamento di questo particolare tipo di scenario (Helmschrot, (Helmschrot, 2004)2004)

Intervento umano e processi socio economici : la deforestazione è una delle Intervento umano e processi socio economici : la deforestazione è una delle cause principali del cambiamento climatico in quanto incide sulla cause principali del cambiamento climatico in quanto incide sulla diminuzione del LAI (leaf ratio index), sulla consistenza del terreno e sull’ diminuzione del LAI (leaf ratio index), sulla consistenza del terreno e sull’ evaporazione, quindi sulle piogge e su tutto l’ecosistema inondato. evaporazione, quindi sulle piogge e su tutto l’ecosistema inondato. L’aumento di terreno agricolo a discapito di foreste è un fenomeno che si è L’aumento di terreno agricolo a discapito di foreste è un fenomeno che si è largamente diffuso negli ultimi 40 anni provocando un aumento della portata largamente diffuso negli ultimi 40 anni provocando un aumento della portata dei fiumi del 30% dei fiumi del 30% (Investigating future trends in Amazon discharge and (Investigating future trends in Amazon discharge and floodplain inundation, M. T. Coe, M. H. Costa, D. McGrath)floodplain inundation, M. T. Coe, M. H. Costa, D. McGrath)

Reale estensione dell’area allagata: è importante comprendere quale potrà Reale estensione dell’area allagata: è importante comprendere quale potrà essere con il passare del tempo la nuova morfologia del territorio.essere con il passare del tempo la nuova morfologia del territorio.

Effetti su flora e fauna: alcune specie si adattano al cambiamento, altre Effetti su flora e fauna: alcune specie si adattano al cambiamento, altre spariscono. Fauna e flora sono strettamente connesse e spesso la spariscono. Fauna e flora sono strettamente connesse e spesso la sopravvivenza di una è essenziale per l’altrasopravvivenza di una è essenziale per l’altra

FATTORI DI INFLUENZA DELLE FATTORI DI INFLUENZA DELLE INONDAZIONI - PIOGGEINONDAZIONI - PIOGGE

Uno studio basato sul Uno studio basato sul confronto di alcuni confronto di alcuni dataset ha evidenziato dataset ha evidenziato che mediamente cadono che mediamente cadono circa 2130 mm di pioggia circa 2130 mm di pioggia ogni anno in tutto il ogni anno in tutto il bacino amazzonico bacino amazzonico (Costa MH, Foley JA. (Costa MH, Foley JA. (1998) A comparison of (1998) A comparison of precipitation datasets for precipitation datasets for the Amazon basin. the Amazon basin. Geophysical Research Geophysical Research LettersLetters, , 2525, 155-158)., 155-158).

Tocantins

• Nello stato di Tocantins, ed in particolare la zona a nord cioè quella appartenente all’area amazzonica, la media si abbassa lievemente a circa 1800 mm annui. Notevole è la differenza tra estate e inverno tanto da far attribuire alle due stagioni rispettivamente gli aggettivi di piovosa e secca.

• In estate le precipitazioni sono il 75% di quelle totali annue ed è proprio durante questo periodo che la portata dei fiumi aumenta drasticamente sommergendo vaste aree di terra ferma.

FATTORI DI INFLUENZA DELLE FATTORI DI INFLUENZA DELLE INONDAZIONI - PIOGGEINONDAZIONI - PIOGGE

Costa, M.H., A. Botta and J. Cardille (2003). Effects of large-scale change in land cover on the discharge of the Tocantins River, Amazonia. Journal of Hydrology 283, 206-217

Sono la conseguenza diretta delle piogge. Sono la conseguenza diretta delle piogge. Durante l’estate il livello dei fiumi arriva ad Durante l’estate il livello dei fiumi arriva ad essere 5 volte più alto rispetto all’inverno e la essere 5 volte più alto rispetto all’inverno e la portata ad essere 13 volte tanto!portata ad essere 13 volte tanto!

I grafici che seguono (ottenuti con I grafici che seguono (ottenuti con Hidro - Hidro - http://hidroweb.ana.gov.br/http://hidroweb.ana.gov.br/), indicano mese per ), indicano mese per mese livello e portata per tutto il 2004. I dati mese livello e portata per tutto il 2004. I dati sono stati rilevati sul fiume Toncantins, presso la sono stati rilevati sul fiume Toncantins, presso la stazione fluviometrica Marabà (latitudine -stazione fluviometrica Marabà (latitudine -5:20:19; longitudine – 49:7:28). 5:20:19; longitudine – 49:7:28).

FATTORI DI INFLUENZA DELLE FATTORI DI INFLUENZA DELLE INONDAZIONI – PORTATA DEI FIUMIINONDAZIONI – PORTATA DEI FIUMI

29050000

01/2004312927252321191715131197531

Cot

a (c

m)

1040

990

940

890

840

790

740

690

640

590

540

29050000

02/2004312927252321191715131197531

Cot

a (c

m)

1329

1279

1229

1179

1129

1079

29050000

03/2004312927252321191715131197531

Cot

a (c

m)

136013501340133013201310130012901280127012601250

29050000

04/2004312927252321191715131197531

Cot

a (c

m)

1370

1320

1270

1220

1170

1120

29050000

05/2004312927252321191715131197531

Cot

a (c

m)

1085

1035

985

935

885

835

785

29050000

06/2004312927252321191715131197531

Cot

a (c

m)

768

718

668

618

568

518

29050000

08/2004312927252321191715131197531

Cot

a (c

m)

391

381

371

361

351

341

331

321

311

301

291

29050000

10/2004312927252321191715131197531

Cot

a (c

m)

295

285

275

265

255

245

235

29050000

07/2004312927252321191715131197531

Cot

a (c

m)

498

488

478

468

458

448

438

428

418

408

398

29050000

09/2004312927252321191715131197531

Cot

a (c

m)

282

277

272

267

262

257

252

247

242

29050000

11/2004312927252321191715131197531

Cot

a (c

m)

382

372

362

352

342

332

322

312

302

292

282

29050000

12/2004312927252321191715131197531

Cot

a (c

m)

472462452442432422412402392382372362

29050000

01/2004312927252321191715131197531

Vaz

ão (

m3/

s)22460,0

20460,0

18460,0

16460,0

14460,0

12460,0

10460,0

8460,0

29050000

02/2004312927252321191715131197531

Vaz

ão (

m3/

s)

33843,0

32843,0

31843,0

30843,0

29843,0

28843,0

27843,0

26843,0

25843,0

24843,0

23843,0

29050000

03/2004312927252321191715131197531

Vaz

ão (

m3/

s)

35218,0

34718,0

34218,0

33718,0

33218,0

32718,0

32218,0

31718,0

31218,0

30718,0

29050000

04/2004312927252321191715131197531

Vaz

ão (

m3/

s)

35617,034617,0

33617,032617,031617,030617,0

29617,028617,027617,026617,0

25617,024617,0

29050000

05/2004312927252321191715131197531

Vaz

ão (

m3/

s)

24085,0

23085,0

22085,0

21085,0

20085,0

19085,0

18085,0

17085,0

16085,0

15085,0

14085,0

29050000

06/2004312927252321191715131197531

Vaz

ão (

m3/

s)

13809,0

12809,0

11809,0

10809,0

9809,0

8809,0

7809,0

29050000

07/2004312927252321191715131197531

Vaz

ão (

m3/

s)7227,0

7027,0

6827,0

6627,0

6427,0

6227,0

6027,0

5827,0

5627,0

5427,0

29050000

08/2004312927252321191715131197531

Vaz

ão (

m3/

s)

5198,0

4998,0

4798,0

4598,0

4398,0

4198,0

3998,0

3798,0

3598,0

29050000

09/2004312927252321191715131197531

Vaz

ão (

m3/

s)

3457,03407,03357,03307,03257,03207,03157,03107,03057,03007,02957,02907,0

29050000

10/2004312927252321191715131197531

Vaz

ão (

m3/

s)

3646,0

3546,0

3446,0

3346,0

3246,0

3146,0

3046,0

2946,0

2846,0

2746,0

29050000

11/2004312927252321191715131197531

Vaz

ão (

m3/

s)

5042,0

4842,0

4642,0

4442,0

4242,0

4042,0

3842,0

3642,0

3442,0

29050000

12/2004312927252321191715131197531

Vaz

ão (

m3/

s)

6712,0

6512,0

6312,0

6112,0

5912,0

5712,0

5512,0

5312,0

5112,0

4912,0

4712,0

FATTORI DI INFLUENZA DELLE FATTORI DI INFLUENZA DELLE INONDAZIONI - TEMPERATURAINONDAZIONI - TEMPERATURA

Se pur di poco anche Se pur di poco anche questa varia con le questa varia con le stagioni. In particolare si stagioni. In particolare si ha un graduale aumento ha un graduale aumento delle temperature delle temperature massime in massime in corrispondenza dell’inizio corrispondenza dell’inizio della stagione invernale della stagione invernale ed una graduale ed una graduale diminuzione delle minime diminuzione delle minime sempre nella medesima sempre nella medesima stagione; ciò implica un stagione; ciò implica un sostanziale aumento sostanziale aumento dell’escursione termica. dell’escursione termica.

L’intensità delle radiazioni L’intensità delle radiazioni solari è circa 250 cal cmsolari è circa 250 cal cm22 per ogni giornoper ogni giorno

FATTORI INTERNI - FATTORI INTERNI - VEGETAZIONEVEGETAZIONE

ForestaForest-nonflooded

ArbustiShrub-nonflooded

PascoliHerbaceous-nonflooded

Campi deserti, spiagge, aree fangose

Nonvegetated-nonflooded

Foreste inondate, paludi, “foreste galleria”

Forest-flooded

Boschi sommersi e savane sommerse

Woodland-flooded

Arbusti sommersiShrub-floode

Vegetazione macrofita, prati galleggianti, paludi

Herbaceous-flooded

Acque aperte, fiumi, laghi, stagni ecc.

Nonvegeted-flooded

Ayres (1993), Junk and Piedade (1997), Prance (1980)

100100303303Total

0011Mixed

144843144Forest-flooded

532016059Forest-nonflooded

882424Woodland-flooded

0206Shrub-nonflooded

30100Shrub-flooded

581626Herbaceous-flooded

50140Nonvegetated or

herbaceous-nonflooded

12143543Nonvegeted-flooded

InvernoEstateInvernoEstate

% zona inondataArea (103 km2)

FATTORI INTERNI - VEGETAZIONEFATTORI INTERNI - VEGETAZIONE

Tabella ottenuta da osservazioni con tecnica SAR, satellite JERS1

(Hess, L.L., J.M. Melack, E.M.L.M. Novo, C.C.F. Barbosa, and M. Gastil. (2003) Dual-season mapping of wetland inundation and vegetation for the central Amazon basin. Remote Sensing of Environment, Vol. 87, No. 4, pp.)

FATTORI INTERNI - VEGETAZIONEFATTORI INTERNI - VEGETAZIONE

• Mappe inerenti alla vegetazione in zone soggette ad inondazioni rispettivamente in inverno (acqua bassa) ed estate (acqua alta). Hess, L.L., J.M. Melack, E.M.L.M. Novo, C.C.F. Barbosa, and M. Gastil. (2003) Dual-season mapping of wetland inundation and vegetation for the central Amazon basin. Remote Sensing of Environment, Vol. 87, No. 4, pp. 404-428.

FATTORI INTERNI - FAUNAFATTORI INTERNI - FAUNA Inverno (stagione secca):Inverno (stagione secca):

I piccoli pesci rimangono intrappolati nei laghi e diventano facili prede I piccoli pesci rimangono intrappolati nei laghi e diventano facili prede per i predatoriper i predatori

Anche gli uccelli si concentrano dove l’acqua è + bassa così che Anche gli uccelli si concentrano dove l’acqua è + bassa così che possono cacciare con semplicità i pescipossono cacciare con semplicità i pesci

Alcuni pesci, visto lo scarso ricambio d’acqua e quindi la mancanza di Alcuni pesci, visto lo scarso ricambio d’acqua e quindi la mancanza di ossigeno nell’acqua, si sono adattati con il tempo ed utilizzano in parte ossigeno nell’acqua, si sono adattati con il tempo ed utilizzano in parte l’ossigeno atmosferico (ad esempio i pesci gatto)l’ossigeno atmosferico (ad esempio i pesci gatto)

È la stagione in cui i pesci depongono le uovaÈ la stagione in cui i pesci depongono le uova Estate (stagione piovosa):Estate (stagione piovosa):

I pesci erbivori possono girare liberamente per le foreste inondate in I pesci erbivori possono girare liberamente per le foreste inondate in cerca di semi e frutti che cadono dagli albericerca di semi e frutti che cadono dagli alberi

Anche gli erbivori terrestri migrano verso le zone inondate in cerca di Anche gli erbivori terrestri migrano verso le zone inondate in cerca di cibocibo

I grandi predatori sopravvivono grazie alle riserve di grasso accumulate I grandi predatori sopravvivono grazie alle riserve di grasso accumulate durante l’invernodurante l’inverno

Lo scopo è quello di tracciare le caratteristiche geografiche dell’area inondata, vale a dire la vegetazione presente, i corsi d’acqua, le aeree allagate e le aree asciutte

Sensori ottici (Mertes ed altri., 1995; Novo & Shimabukuro, 1997) : i loro risultati sono limitati in quanto spesso la vegetazione copre i corsi d’acqua ed inoltre sia il fumo che le nuvole rendono i rilevamenti spesso illeggibili.

TECNOLOGIE DISPONIBILITECNOLOGIE DISPONIBILI

TECNOLOGIE DISPONIBILITECNOLOGIE DISPONIBILI

• Sensori a microonde attivi e passivi (Melack & Hess, 1998; Prigent, Matthews, Aires, & Rossow, 2001; Sippel, Hamilton, Melack, & Choudhury, 1994) : sono influenzati molto meno, rispetto ai sensori ottici, dalle nuvole e dalla vegetazione in quanto possono penetrare fino a terra per determinate lunghezze d’onda.

• Synthetic aperture radar sensor (SAR) (Hess, Melack, & Simonett, 1990; Townsend, 2001; Hess, Melack, Filoso, & Wang, 1995; Costa, Niemann, Novo, & Ahern, 2002; Novo, Costa, Mantovani, & Lima, 2002) : offrono come risultato un’immagine complessa e ricca di informazioni. Attraverso la percezione della riflettività degli oggetti analizzati è possibile riconoscere i confini delle acque da quelli terrestri.

Modello IBIS (Integrated BIosphere Modello IBIS (Integrated BIosphere Simulator) Simulator)

Esegue simulazioni sui vari ecosistemi terrestri in particolare sul ciclo dell'acqua, del Esegue simulazioni sui vari ecosistemi terrestri in particolare sul ciclo dell'acqua, del carbonio e della vegetazione sia ad interesse globale che locale. IBIS è progettato intorno carbonio e della vegetazione sia ad interesse globale che locale. IBIS è progettato intorno ad una struttura concettuale gerarchica ed include vari moduli organizzati in base alla loro ad una struttura concettuale gerarchica ed include vari moduli organizzati in base alla loro scala temporale: scala temporale:

Land surface module (processi della superficie terrestre cioè riguardanti l’ equilibrio Land surface module (processi della superficie terrestre cioè riguardanti l’ equilibrio energetico, l’ acqua e il carbonio)energetico, l’ acqua e il carbonio)


Esegue simulazioni sui vari ecosistemi terrestri in particolare sul ciclo Esegue simulazioni sui vari ecosistemi terrestri in particolare sul ciclo dell'acqua, del carbonio e della vegetazione sia ad interesse globale che dell'acqua, del carbonio e della vegetazione sia ad interesse globale che locale. IBIS è progettato intorno ad una struttura concettuale gerarchica ed locale. IBIS è progettato intorno ad una struttura concettuale gerarchica ed include vari moduli organizzati in base alla loro scala temporale: include vari moduli organizzati in base alla loro scala temporale:

Land surface module (processi della superficie terrestre cioè Land surface module (processi della superficie terrestre cioè riguardanti l’ equilibrio energetico, l’ acqua e il carbonio)riguardanti l’ equilibrio energetico, l’ acqua e il carbonio)

Belowground carbon and nitrogen cycling module (ciclo del carbonio e Belowground carbon and nitrogen cycling module (ciclo del carbonio e dell’ azoto dalla pianta al terreno)dell’ azoto dalla pianta al terreno)



Land surface module (processi della superficie terrestre cioè riguardanti l’ Land surface module (processi della superficie terrestre cioè riguardanti l’ equilibrio energetico, l’ acqua e il carbonio)equilibrio energetico, l’ acqua e il carbonio)


Vegetation dynamics module (“concorrenza” delle piante per luce, acqua Vegetation dynamics module (“concorrenza” delle piante per luce, acqua e sostanze nutrienti)e sostanze nutrienti)



Land surface module (processi della superficie terrestre cioè riguardanti l’ Land surface module (processi della superficie terrestre cioè riguardanti l’ equilibrio energetico, l’ acqua e il carbonio)equilibrio energetico, l’ acqua e il carbonio)



Natural vegetation and crop phenology module (basato sulla crescita Natural vegetation and crop phenology module (basato sulla crescita giornaliera)giornaliera)



Land surface module (processi della superficie terrestre cioè riguardanti Land surface module (processi della superficie terrestre cioè riguardanti l’ equilibrio energetico, l’ acqua e il carbonio)l’ equilibrio energetico, l’ acqua e il carbonio)



Natural vegetacion and crop phenology module (basato sulla crescita Natural vegetacion and crop phenology module (basato sulla crescita giornaliera)giornaliera)



Land surface module (processi della superficie terrestre cioè Land surface module (processi della superficie terrestre cioè riguardanti l’ equilibrio energetico, l’ acqua e il carbonio)riguardanti l’ equilibrio energetico, l’ acqua e il carbonio)


Vegetation dynamics module (“concorrenza” delle piante per luce, Vegetation dynamics module (“concorrenza” delle piante per luce, acqua e sostanze nutrienti)acqua e sostanze nutrienti)

Natural vegetacion and crop phenology module (basato sulla crescita Natural vegetacion and crop phenology module (basato sulla crescita giornaliera) giornaliera)

Atmosphere (modulo che si interfaccia con altri modelli, GENESIS e Atmosphere (modulo che si interfaccia con altri modelli, GENESIS e CCM3 GCMs, specifici per fenomeni atmosferici);CCM3 GCMs, specifici per fenomeni atmosferici);

Solute tansport module (modulo che si interfaccia con il modello Solute tansport module (modulo che si interfaccia con il modello HYDRA, specifico)HYDRA, specifico)

Modello IBIS (Integrated BIosphere Modello IBIS (Integrated BIosphere Simulator)Simulator)

Dettagli dei componenti simulati:Dettagli dei componenti simulati: Carbonio: GPP (produttività primaria lorda), NPP (produttività primaria netta)Carbonio: GPP (produttività primaria lorda), NPP (produttività primaria netta) Acqua:Acqua:

Suolo: IBIS utilizza una metodologia “multistrato” per simulare le variazioni Suolo: IBIS utilizza una metodologia “multistrato” per simulare le variazioni giornaliere e stagionali di calore e di umidità del terreno. Otto sono gli strati giornaliere e stagionali di calore e di umidità del terreno. Otto sono gli strati considerati i quali si trovano rispettivamente ad una profondità di 0.10, 0.15, considerati i quali si trovano rispettivamente ad una profondità di 0.10, 0.15, 0.25, 0.50, 1.0, 2.0, 3.0 e 4.0 metri. Ogni strato è descritto in termini di 0.25, 0.50, 1.0, 2.0, 3.0 e 4.0 metri. Ogni strato è descritto in termini di temperatura del terreno, volume di acqua e ghiaccio temperatura del terreno, volume di acqua e ghiaccio (Pollard e Thompson, (Pollard e Thompson, 1995; Foley ed altri., 1996)1995; Foley ed altri., 1996). Il modulo di fisica del terreno dell'IBIS usa . Il modulo di fisica del terreno dell'IBIS usa l'equazione di Richard per calcolare il cambiamento temporale dell'umidità l'equazione di Richard per calcolare il cambiamento temporale dell'umidità del terreno; il flusso verticale di acqua è modellato secondo la legge di Darcy del terreno; il flusso verticale di acqua è modellato secondo la legge di Darcy (Campbell e Norman, 1998)(Campbell e Norman, 1998). Il ciclo dell'acqua del terreno è controllato . Il ciclo dell'acqua del terreno è controllato tramite il tasso di infiltrazione, l'evaporazione di acqua dalla superficie del tramite il tasso di infiltrazione, l'evaporazione di acqua dalla superficie del terreno, la traspirazione delle piante e la ridistribuzione di acqua nel profiloterreno, la traspirazione delle piante e la ridistribuzione di acqua nel profilo

Ciclo dell'acqua: traspirazione, evaporazione, infiltrazione, deflusso. La Ciclo dell'acqua: traspirazione, evaporazione, infiltrazione, deflusso. La quantità totale di acqua evaporata è la somma di: evaporazione dalla quantità totale di acqua evaporata è la somma di: evaporazione dalla superficie terrestre, evaporazione intercettata dalla vegetazione e superficie terrestre, evaporazione intercettata dalla vegetazione e traspirazione della vegetazione. I tassi di traspirazione dipendono dalla traspirazione della vegetazione. I tassi di traspirazione dipendono dalla conduttanza e sono calcolati indipendentemente per ogni tipo di piantaconduttanza e sono calcolati indipendentemente per ogni tipo di pianta

Energia: Il modello considera due tipologie di vegetazione (alberi e arbusti ed Energia: Il modello considera due tipologie di vegetazione (alberi e arbusti ed erbe), otto strati del terreno e tre strati di neve. Viene simulato lo scambio sia di erbe), otto strati del terreno e tre strati di neve. Viene simulato lo scambio sia di radiazione solare che infrarossa fra l'atmosfera, la vegetazione e la superficie radiazione solare che infrarossa fra l'atmosfera, la vegetazione e la superficie terrestre.terrestre.

Azoto: mineralizzazioneAzoto: mineralizzazione

Modello IBIS (Integrated BIosphere Modello IBIS (Integrated BIosphere Simulator)Simulator)

Scala spaziale: 0.5, 1.0, 2.0 e 4.0 gradiScala spaziale: 0.5, 1.0, 2.0 e 4.0 gradi

Scala temporale: orariaScala temporale: oraria

Bibliografia: Bibliografia: Kucharik, C.J., J.A. Foley, C. Delire, V.A. Fisher, M.T. Coe, J. Lenters, Kucharik, C.J., J.A. Foley, C. Delire, V.A. Fisher, M.T. Coe, J. Lenters,

C. Young-Molling, N. Ramankutty, J.M. Norman, and S.T. Gower C. Young-Molling, N. Ramankutty, J.M. Norman, and S.T. Gower (2000). Testing the performance of a dynamic global ecosystem model: (2000). Testing the performance of a dynamic global ecosystem model: Water balance, carbon balance and vegetation structure. Water balance, carbon balance and vegetation structure. Global Global Biogeochemical CyclesBiogeochemical Cycles 14(3), 795-825 14(3), 795-825

Foley, J.A., I.C. Prentice, N. Ramankutty, S. Levis, D. Pollard, S. Sitch, Foley, J.A., I.C. Prentice, N. Ramankutty, S. Levis, D. Pollard, S. Sitch, and A. Haxeltine (1996). An integrated biosphere model of land surface and A. Haxeltine (1996). An integrated biosphere model of land surface processes, terrestrial carbon balance, and vegetation dynamics. processes, terrestrial carbon balance, and vegetation dynamics. Global Global Biogeochemical CyclesBiogeochemical Cycles 10(4), 603-628 10(4), 603-628

http://zeke.sage.wisc.edu/~johnnyb/ibis/ - link per scaricare il software http://zeke.sage.wisc.edu/~johnnyb/ibis/ - link per scaricare il software simulativosimulativo

http://www.sage.wisc.edu/download/LBA/lba.html - link da cui è http://www.sage.wisc.edu/download/LBA/lba.html - link da cui è possibile scaricare un dataset risultante da simulazione effettuate con possibile scaricare un dataset risultante da simulazione effettuate con IBIS dal 1921 al 1928 per il bacino di Tocantis. Specifiche sul dataset IBIS dal 1921 al 1928 per il bacino di Tocantis. Specifiche sul dataset sono disponibili in: Botta, A., N. Ramankutty and J.A. Foley (2002). sono disponibili in: Botta, A., N. Ramankutty and J.A. Foley (2002). Long-term variations of climate and carbon fluxes over the Amazon Long-term variations of climate and carbon fluxes over the Amazon Basin. Geophysical Research Letters 29(9), 10,1029/2001 GL013607, Basin. Geophysical Research Letters 29(9), 10,1029/2001 GL013607, 20022002

Simula la portata e i cambiamenti stagionali del livello dell’acquaSimula la portata e i cambiamenti stagionali del livello dell’acqua Risoluzione spaziale: 5’ longitudine * 5’ latitudineRisoluzione spaziale: 5’ longitudine * 5’ latitudine Richiede input giornalieri o mensili quali la portata media dei corsi d’aqua, Richiede input giornalieri o mensili quali la portata media dei corsi d’aqua,

precipitazioni, evaporazioneprecipitazioni, evaporazione L’individuazione dei percorsi fluviali e del volume di laghi e wetland deriva L’individuazione dei percorsi fluviali e del volume di laghi e wetland deriva

dal DEM (Digital Elevation Model). Vengono prese in considerazione tutte le dal DEM (Digital Elevation Model). Vengono prese in considerazione tutte le depressioni e quindi valutate le altezze dei loro sbocchi; tutte le griglie del depressioni e quindi valutate le altezze dei loro sbocchi; tutte le griglie del modello che condividono il medesimo sbocco vengono considerate come modello che condividono il medesimo sbocco vengono considerate come una potenziale superficie acquatica unica. Le celle utilizzate per questo una potenziale superficie acquatica unica. Le celle utilizzate per questo modello sono 5’ x 5’ (circa 10 km x 10 km)modello sono 5’ x 5’ (circa 10 km x 10 km)

L’individuazione della direzione di scorrimento dei fiumi è calcolata L’individuazione della direzione di scorrimento dei fiumi è calcolata assegnando ad ogni cella della griglia la direzione della cella confinante assegnando ad ogni cella della griglia la direzione della cella confinante avente altitudine più bassa, simulando quindi il deflusso delle acque dalla avente altitudine più bassa, simulando quindi il deflusso delle acque dalla sorgente alla foce.sorgente alla foce.

L’individuazione della direzione dello scorrimento delle acque attraverso un L’individuazione della direzione dello scorrimento delle acque attraverso un lago o una wetland è calcolata prendendo in considerazione le depressioni lago o una wetland è calcolata prendendo in considerazione le depressioni ed in particolare assegnandogli direzione concorde al proprio sbocco. ed in particolare assegnandogli direzione concorde al proprio sbocco.

Modello HYDRA (Hydrological Modello HYDRA (Hydrological Routing Algorithm) Routing Algorithm)

La superficie acquatica prevista è data dalla differenza, P-E, tra La superficie acquatica prevista è data dalla differenza, P-E, tra precipitazioni ed evaporazioneprecipitazioni ed evaporazione

Il sistema idrico totale è composto daIl sistema idrico totale è composto da Acque di superficie (Rs)Acque di superficie (Rs) Acque drenanti nel sottosuolo (Rd)Acque drenanti nel sottosuolo (Rd) Precipitazioni (Pw)Precipitazioni (Pw) Evaporazione (Ew)Evaporazione (Ew)

Il flusso dell’acqua è rappresentato attraverso il cambiamento temporale di Il flusso dell’acqua è rappresentato attraverso il cambiamento temporale di tre tipi di bacini:tre tipi di bacini:

Acque fluviali (Wr)Acque fluviali (Wr) Stagni di deflusso cioè le acque superficiali che fluiscono verso i fiumi Stagni di deflusso cioè le acque superficiali che fluiscono verso i fiumi

(Ws)(Ws) Stagni di drenaggio cioè le acque sotterranee che fluiscono verso i fiumi Stagni di drenaggio cioè le acque sotterranee che fluiscono verso i fiumi

(Wd)(Wd)

Modello HYDRA (Hydrological Modello HYDRA (Hydrological Routing Algorithm)Routing Algorithm)

Modello HYDRA (Hydrological Modello HYDRA (Hydrological Routing Algorithm)Routing Algorithm)

I volumi di acqua sono espressi in mI volumi di acqua sono espressi in m33 ed i flussi calcolati attraverso le seguenti ed i flussi calcolati attraverso le seguenti equazioni differenziali:equazioni differenziali:

d(Ws)/dt = Rs - Ws/Tsd(Ws)/dt = Rs - Ws/Ts d(Wd)/dt = Rd - Wd/Tdd(Wd)/dt = Rd - Wd/Td d(Wr)/dt = (Ws/Ts + Wd/Td) x ( 1 – Aw) + (Pw – Ew) x Aw – (Wr/Tr) + Find(Wr)/dt = (Ws/Ts + Wd/Td) x ( 1 – Aw) + (Pw – Ew) x Aw – (Wr/Tr) + Findove:dove: Aw è un numero compreso tra 1 e 0 dove 1 indica che la cella considerata è Aw è un numero compreso tra 1 e 0 dove 1 indica che la cella considerata è

totalmente ricoperta da acqua mentre 0 indica che ne è privatotalmente ricoperta da acqua mentre 0 indica che ne è priva Ts, Td, Tr sono i tempi di permanenza dell’acqua nel bacino. Per semplicità sono Ts, Td, Tr sono i tempi di permanenza dell’acqua nel bacino. Per semplicità sono

considerati costanti ed in particolare Ts = 15 giorni, Td = 2 ore; Tr invece è considerati costanti ed in particolare Ts = 15 giorni, Td = 2 ore; Tr invece è calcolato come il rapporto tra la distanza (D) tra i centro della cella considerata e calcolato come il rapporto tra la distanza (D) tra i centro della cella considerata e quello della successiva (secondo il flusso) e la velocità dell’acqua (u). Per le celle quello della successiva (secondo il flusso) e la velocità dell’acqua (u). Per le celle in cui non sono presenti laghi o wetland la velocità è proporzionale al rapporto tra in cui non sono presenti laghi o wetland la velocità è proporzionale al rapporto tra il gradiente del flusso (ic, mmil gradiente del flusso (ic, mm-1-1) ed il gradiente di riferimento i) ed il gradiente di riferimento i

00 = 0.5 x 10 = 0.5 x 10-4-4 mm mm-1 -1

(Miller et al. 1994)(Miller et al. 1994): u = u: u = uo1o1 (i (icc/i/ioo))0.5 0.5 dove udove uo1o1 = 0.8 ms = 0.8 ms-1-1 è la velocità effettiva è la velocità effettiva minima. Per le celle all’interno delle quali, invece, sono presenti masse d’acqua minima. Per le celle all’interno delle quali, invece, sono presenti masse d’acqua la velocità è minore e proporzionale al rapporto tra volume di riferimento (vla velocità è minore e proporzionale al rapporto tra volume di riferimento (v ll, m, m33) e ) e il volume dell’intero corpo d’acqua di cui la cella è parte (vil volume dell’intero corpo d’acqua di cui la cella è parte (v

tt, m, m33): u = u): u = uo2o2 (v (vll/v/vtt))0.50.5

dove udove uo2o2 = 0.1 x u = 0.1 x uo2o2 = 0.08 ms = 0.08 ms-1-1 è la velocità effettiva minima attraversando una è la velocità effettiva minima attraversando una massa d’acquamassa d’acqua

P ed E sono espresse in mP ed E sono espresse in m33ss-1-1

Modello THMB (Terrestrial Hydrology Modello THMB (Terrestrial Hydrology Model with Biogeochemistry) Model with Biogeochemistry)

È lo sviluppo software del modello HYDRA ed è uno dei pochi È lo sviluppo software del modello HYDRA ed è uno dei pochi modelli idrologici che simulano il sistema d'acqua dolce completo. modelli idrologici che simulano il sistema d'acqua dolce completo. Questo modello si concentra sui collegamenti tra clima, tipi di Questo modello si concentra sui collegamenti tra clima, tipi di terreno e comportamento degli spartiacque interni tra i quali laghi, terreno e comportamento degli spartiacque interni tra i quali laghi, wetlands, fiumi e sistemi di acqua freatica. In particolare questo wetlands, fiumi e sistemi di acqua freatica. In particolare questo modello è nato con lo scopo di apprendere come il cambiamento modello è nato con lo scopo di apprendere come il cambiamento climatico e lo sfruttamento del terreno possano influenzare le risorse climatico e lo sfruttamento del terreno possano influenzare le risorse d’acqua dolce.d’acqua dolce.

Elabora file .hdf ad esempioElabora file .hdf ad esempio HDF.basin raccoglie le mappe dei fiumi; ad ogni fiume è assegnato un HDF.basin raccoglie le mappe dei fiumi; ad ogni fiume è assegnato un

numero in modo da poter limitare la simulazione solo a quelli di numero in modo da poter limitare la simulazione solo a quelli di interesseinteresse

HDF.rivdir raccoglie le direzione dei fiumiHDF.rivdir raccoglie le direzione dei fiumi HDF.mflac indica l’altezza sul livello del mare dei bacini per i quali HDF.mflac indica l’altezza sul livello del mare dei bacini per i quali

R + P > E R + P > E

Modello THMB (Terrestrial Hydrology Modello THMB (Terrestrial Hydrology Model with Biogeochemistry)Model with Biogeochemistry)

17,0020,0014,0711,70-49,67-3,83Tocantins at Tucuruı´56

24,001,004613,004566,00-47,33-6,33Tocantins at Tocantino´polis55

34,004,004189,004042,00-47,42-7,42Tocantins at Carolina54

27,006,003724,003500,00-48,08-8,25Tocantins at Tupiratins53

13,0018,003042,002579,00-48,33-9,58 Tocantins at Miracema51

35,0021,002700,002225,00-48,42-10,75Tocantins at Porto Nacional50

14,00-4,001936,002007,00-48,50-12,08Tocantins at Peixe49

27,006,00960,00904,00-48,08-13,58Tocantins at Sa˜o Felix45

YearsError (%)Simulated

(m3s-1)Observed

(m3s-1)Longitude LatitudeNameStation ID

Alcune simulazioni effettuate per il bacino di Tocantins


Da notare come quasi tutti i punti siano al di sotto della linea 1:1 cioè il modello tende a sottovalutare la portata


• Colonna 1 identificativo della posizione

• Colonne 2 e 3 coordinate geografiche

• Colonna 4 coefficiente correlazione

• Colonne 5 e 6 deviazione standard osservata e simulata

• Colonna 7 numero di mesi confrontati

• Colonne 8 e 9 deviazione annuale osservata e simulata

Simulazione dell’altezza dell’acqua in alcune zone inondate


a) Estensione media di dodici aree inondate del bacino amazzonico osservate dal 1979 al 1987

a) Estensione totale di tutte dodici le aree inondate

Gli istogrammi grigi sono simulati mentre i neri osservati (Sippel et al. 1998)

HYDRA - THMBHYDRA - THMBBibliografia:Bibliografia: Coe M. T., A linked global model of terrestrial hydrologic processes: Coe M. T., A linked global model of terrestrial hydrologic processes:

Simulation of modern rivers, lakes, and wetlands, J. Geophys. Res., 103, Simulation of modern rivers, lakes, and wetlands, J. Geophys. Res., 103, 8885-8889, 1998.8885-8889, 1998.

Coe M. T., Modeling terrestrial hydrological systems at the continental Coe M. T., Modeling terrestrial hydrological systems at the continental scale: Testing the accuracy of an atmospheric GCM, J. Clim., 13, 686– 704, scale: Testing the accuracy of an atmospheric GCM, J. Clim., 13, 686– 704, 20002000

Coe, M. T., 1997: Simulating continental surface waters: An application to Coe, M. T., 1997: Simulating continental surface waters: An application to Holocene northern Africa. Holocene northern Africa. J. Climate, J. Climate, 10, 10, 1680–1689.1680–1689.

Coe, M.T., M.H. Costa, A. Botta, and C. Birkett. Long-term simulations of Coe, M.T., M.H. Costa, A. Botta, and C. Birkett. Long-term simulations of discharge and floods in the Amazon basin (2002). Journal of Geophysical discharge and floods in the Amazon basin (2002). Journal of Geophysical Research 10.1029/2001JD000740, 23 August 2002Research 10.1029/2001JD000740, 23 August 2002

http://www.sage.wisc.edu/download/HYDRA/hydra.html - link da cui è http://www.sage.wisc.edu/download/HYDRA/hydra.html - link da cui è possibile scaricare il codice del THMB e i file di input contententi possibile scaricare il codice del THMB e i file di input contententi informazioni geomorfologiche (HDF e netCDF) e i file di input contententi informazioni geomorfologiche (HDF e netCDF) e i file di input contententi informazioni sul climainformazioni sul clima

http://www.sage.wisc.edu/download/LBA/LBA-HYDRA.zip - link per http://www.sage.wisc.edu/download/LBA/LBA-HYDRA.zip - link per scaricare un dataset generato con THMBscaricare un dataset generato con THMB

REPERIBILITA’ INFORMAZIONIREPERIBILITA’ INFORMAZIONI

Progetto GEOMA: è una rete telematica di ricerca in modellizzazione e Progetto GEOMA: è una rete telematica di ricerca in modellizzazione e simulazione di fenomeni naturali legati all’area della foresta amazzonica simulazione di fenomeni naturali legati all’area della foresta amazzonica brasiliana brasiliana ((www.geoma.lncc.brwww.geoma.lncc.br))

PIATAM mar (Potenciais Impactos Ambientais do Transporte de Petróleo e PIATAM mar (Potenciais Impactos Ambientais do Transporte de Petróleo e Derivados na Zona Costeira Amazônica): l’obiettivo primario è fornire Derivados na Zona Costeira Amazônica): l’obiettivo primario è fornire informazioni aggiornate sulle popolazioni, risosrse naturali ed ecosistemi informazioni aggiornate sulle popolazioni, risosrse naturali ed ecosistemi costieri con obiettivo di prevenire catastrofi ambientali legate al trasporto del costieri con obiettivo di prevenire catastrofi ambientali legate al trasporto del petrolio. Sono presenti inoltre pubblicazioni su tecniche cartografiche e di petrolio. Sono presenti inoltre pubblicazioni su tecniche cartografiche e di raccolta dei dati raccolta dei dati (www.naea.ufpa.br/piatammar/)(www.naea.ufpa.br/piatammar/)

Tropical Resource Institute: vi si possono trovare notizie generiche sullo Tropical Resource Institute: vi si possono trovare notizie generiche sullo scenario tropicale scenario tropicale (www.yale.edu/tri/)(www.yale.edu/tri/)

Scientific electronic library online: possibilità di consultare riviste scientifiche Scientific electronic library online: possibilità di consultare riviste scientifiche specialistiche specialistiche (www.scielo.org)(www.scielo.org)

SAGE (Center for Sustainability and the Global Environment): offre risorse SAGE (Center for Sustainability and the Global Environment): offre risorse per ricerche interdisciplinari. Di particolare interesse la sezione sulle risorse per ricerche interdisciplinari. Di particolare interesse la sezione sulle risorse idriche con alcuni progetti rivolti specificamente al bacino amazzonico. È idriche con alcuni progetti rivolti specificamente al bacino amazzonico. È presente anche una sezione contenente mappe, dataset e modelli specifici presente anche una sezione contenente mappe, dataset e modelli specifici per ecosistemi inondati per ecosistemi inondati (www.sage.wisc.edu)(www.sage.wisc.edu)

REPERIBILITA’ INFORMAZIONIREPERIBILITA’ INFORMAZIONI

LBA (Large Scale Biosphere-Atmosphere Experiment in Amazonia): è un LBA (Large Scale Biosphere-Atmosphere Experiment in Amazonia): è un progetto coadiuvato dal ministero della scienza e tecnologia brasiliano che progetto coadiuvato dal ministero della scienza e tecnologia brasiliano che si occupa di ricerca in merito al cambiamento dello scenario amazzonico si occupa di ricerca in merito al cambiamento dello scenario amazzonico (lba.inpa.gov.br - www.lbaeco.org - lba.cptec.inpe.br/beija-flor)(lba.inpa.gov.br - www.lbaeco.org - lba.cptec.inpe.br/beija-flor)

EMDI (Ecosystem Model-Data Intercomparison): presenta una raccolta di EMDI (Ecosystem Model-Data Intercomparison): presenta una raccolta di modelli prevalentemente mirati alla simulazione del ciclo di vita del carbonio modelli prevalentemente mirati alla simulazione del ciclo di vita del carbonio (gaim.unh.edu/Structure/Intercomparison/EMDI/)(gaim.unh.edu/Structure/Intercomparison/EMDI/)

Gruppo di ricerca Prof. Marcos Heil Costa: studioso di livello internazionale Gruppo di ricerca Prof. Marcos Heil Costa: studioso di livello internazionale autore di molti articoli di modellistica, ecosistemi inondati, tecniche di autore di molti articoli di modellistica, ecosistemi inondati, tecniche di monitoraggio con interesse particolare verso il bacino amazzonico monitoraggio con interesse particolare verso il bacino amazzonico (madeira.dea.ufv.br/public.htm)(madeira.dea.ufv.br/public.htm)

IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística): offre articoli scientifici IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística): offre articoli scientifici generici su tutto il panorama brasiliano. Ricca la sezione dedicata alle generici su tutto il panorama brasiliano. Ricca la sezione dedicata alle mappe tematiche quali ad esempio quelle sul clima, sulla vegetazione e mappe tematiche quali ad esempio quelle sul clima, sulla vegetazione e sulla conformazione idrologica sulla conformazione idrologica (www.ibge.gov.br)(www.ibge.gov.br)

INPA (Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia): diretto dal ministero di INPA (Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia): diretto dal ministero di scienza e tecnologia brasiliano, si occupa di ricerche sul panorama scienza e tecnologia brasiliano, si occupa di ricerche sul panorama amazzonico amazzonico (www.inpa.gov.br)(www.inpa.gov.br)

MODELLIZAZIONE DI ECOSISTEMI INONDATI: L’AMAZZONIA

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