A Experincia do MIT em Modelagem Aplicada a Mudanas Climticas, Biocombustveis e Uso da Terra

Angelo Gurgel FEA-RP Universidade de So Paulo e MIT Joint Program on the Science and Policy of Global Change

Sumrio1. Mudanas Climticas2. Sistemas Integrados de Modelagem Climtica3. O Sistema do MIT Joint Program4. Alguns resultados5. O modelo econmico6. Exemplo de desenvolvimento da modelagem: biocombustveis e mudanas no uso da terra7. Consideraes finais

1. Mudanas Climticas

O aquecimento global um fenmeno climtico de aumento da temperatura mdia global nos ltimos 150 anos;Evidncias deste fenmeno:Medies de temperatura: aumento de cerca de 0,6o C (+-0,2o C) durante o sculo XX; Reduo da cobertura de neve em montanhas e regies polares (perda de 10% a 15% desde 1950);Aumento na frequncia e intensidade de eventos extremos (furaces, enchentes, secas).Mudanas Climticas

ENERGY BALANCE IN THE CLIMATE SYSTEMESSENCEOF THE GREEN-HOUSEEFFECT

2. Sistemas Integrados de Modelagem Climtica

Govenos buscam previses de tendncias futuras das mudanas globais: evitar ou diminuir impactos indesejveis.

IPCC: relatrios com os resultados de estudos da comunidade cientfica mundial, base para debates polticos e cientficos.O estudo de mudanas climticas: sistemas integrados de modelagem

Modelos climticos e potenciais para o uso e desenvolvimento da agroinformtica:

O estudo de mudanas climticas: sistemas integrados de modelagemModelos Climticos GlobaisModelos Climticos RegionaisCenrios de mudaas ClimticasModelos de crescimento de culturas/experimentos

O estudo de mudanas climticas: sistemas integrados de modelagemMudanas climticas: fenmeno complexo exige a interao entre cientistas e modelos de diferentes reas:Cincias sociaisFsicaQumicaOceanografiaHidrologiaEcossistemas

Estudar mudanas climticas: quo difcil isso?Incertezas nas propriedades do sistema climtico:Absoro de carbono pelos oceanos;Efeitos indiretos dos aerosois;Limitaes nos dados coletados dos oceanos, terra e atmosfera;Representao do processo de formao de nuvens;Incertezas nas emisses de gases de efeito estufa:Projees populacionais e de crescimento econmico;Evoluo da tecnologia;Mudanas no uso da terra;Incertezas e desconhecimento dos feedbacks entre os sistemas climtico e humanoO estudo de mudanas climticas: sistemas integrados de modelagem

3. O Sistema do MIT Joint Program

MIT Integrated Global System Model:Construdo para analisar as mudanas ambientais em escala global resultantes das aes antropognicas, quantificando as incertezas associadas com as mudanas previstas e mensurando os custos e efetividade ambiental de polticas propostas para mitigar os riscos das mudanas climticasO Sistema Integrado do MIT Joint Program

O Sistema Integrado do MIT Joint Program

O Sistema Integrado do MIT Joint ProgramModelo dinmico-estatstico de mdia zonalResolve explicitamente as equaes primitivas para o estado mdio zonal da atmosferaInclui parameterizao de calor, humidade, e transporte de momentum por remoinhos de larga escala, baseados em teoria baroclnica de ondas;A parameterizao numrica de processos fsicos inclui nuvens, conveco precipitao, radiao, fluxos de superfcie, entre outros.

O Sistema Integrado do MIT Joint ProgramInteraes e processos entre os componentes atmosfrico-terrestre e ocenico

O Sistema Integrado do MIT Joint ProgramInteraes e processos entre os componentes atmosfrico-ocenico e terrestre

4. Alguns resultados ilustrativos

Concentraes de CO2, CH4 e N2O

Mudana na temperatura mdia do ar e no nvel mdio dos oceanos

Mudana na cobertura de gelo

Mudanas por latitude

Sequestro de carbono pelos oceanos

Chance de exceder a temperatura mdia global em diferentes nveis de estabilizao:ppmppmppmppm

Valor presente lquido (VPL) dos custos de mitigao como % do VPL do bem-estar mundial at 2100Stern Review estimou menos de 1% para estabilizar a 450 ppm, mas considrou apenas 2050 (antes do trabalho mais rduo).

Sem controle: crescimento do uso do carvo e petrleo450ppm CO2: quase livre de CO2, pouco crescimento no uso de energia, uso de biocombustveis, energia fssil com captura e sequestro de carbonoO Desafio Tecnolgico

Prever as mudanas em temperatura e suas probabilidades em escala global, bem como as possveis consequncias e custos econmicos de tais mudanas e e do controle, mitigao e adaptaoA Loteria das Mudanas Climticas

5. O modelo econmico

Emissions Prediction and Policy Analysis (EPPA) ModelModelo de equilbrio geralBase de dados: Global Trade Analysis Project (GTAP)Dados de energia: International Energy Agency (IEA)Dados de emisses: U.S Environmental Protection Agency (EPA)Representao detalhada de oferta e consumo de energia16 regies e 21 setores, dinmico recursivoCenrios de longo prazo e curto prazoImpactos de mudanas e polticas climticas nos sistemas econmico e energtico (agricultura, sade humana, aumento dos oceanos, demanda de energia, impacto geral em bem-estar)

Modelo EPPA Pases e regies representadas

Modelo EPPA Setores Representados

Sectors Non-Energy Agriculture Energy Intensive Other Industry Services Industrial Transport Household Transport

Energy Crude oil Refined oil Liquid fuel from biomass Shale oil Coal Natural gas Electricity Synthetic gas (from coal)New Technologies

ConsumerSectorsProductionSectorsPrimary FactorsIncomeGoods and ServicesExpenditureEPPA um Modelo Computvel de Equilbrio Geral da Economia GlobalEmissions: CO2 CH4 N2O SF6 HFCs PFCsUrban gasesGovernmentInternational TradePublic Goods TaxesIntermediate demandRegion ALigao explcita entre variveis econmicas e valores fsicos de energia

Lgica do Modelo EPPAFuno de produoCrescimento do trabalho Mudana em produtividadeAcumulao de capitalIdentidade contbilEquil. poupana-investim.Propeno a pouparEmisses de carbono

Lgica do Modelo EPPAModelo escrito em GAMS (General Algebraic Modeling System - http://www.gams.com/)GAMS uma linguagem de programao matemtica para resolver problemas de otimizao;O Modelo EPPA utiliza o subsistema MPSGE (http://www.mpsge.org/), que resolve o problema de equilbrio geral como um problema de complementariedade mista (MCP)

Lgica do Modelo EPPAExemplo: xf(x) = 0, x(5 x) = 0Soluo: x = 0 (f(x) 0) ou x = 5 (f(x) = 0)

Lgica do Modelo EPPATrs condies definem a soluo de equilbrio no MPSGE:

6. Exemplo de desenvolvimento da modelagem: biocombustveis e mudanas no uso da terra

Fonte: Mann (1997) Mudanas no uso da terra:CO2FLORESTABiocombustveis, mudanas no uso da terra e mudana climtica

MIT EPPA, 16 Region, multi-sectorCGE modelDownscaling Technique/ Spatial disaggregation algorithmDYNAMICTERRESTRIAL ECOSYSTEMSMODEL (TEM)EPPA-Global Land System Interactions

Downscaling TechniqueStatistical WorkAt Regional Level:EPPAScropSpastureSforestryDistribute S in the g grids cellsS: land use share of some categoryScropSpastureSforestrySg driven by: vegetation productivity, temperature, precipitation, distance to urban areas(TEM)(IGSM)(IGSM)

Resultados Cenrio DesmatamentoNet Land Carbon FluxNet GHG Balance*Areas of Different Land Uses

Resultados Cenrio IntensificaoNet Land Carbon FluxNet GHG Balance*Areas of Different Land Uses

Net Land Carbon FluxNet Land Carbon FluxNet Land Carbon FluxNet Land Carbon FluxNet GHG BalanceNet GHG BalanceNet GHG BalanceNet GHG BalancePCCR*

Net Land Carbon FluxNet Land Carbon FluxNet Land Carbon FluxNet Land Carbon FluxNet GHG BalanceNet GHG BalanceNet GHG BalanceNet GHG BalanceOLSR*

IntensificacaoBiomass CropsCropsPastureNatural ForestNatural GrassManaged ForestCrops + BiomassAgricultureBiomass CropsCropsPastureNatural ForestNatural GrassManaged ForestCrops + BiomassAgricultureDesmatamentoDistribuio das mudanas no uso da terra

7. Consideraes finais

Consideraes FinaisEstudo de Mudanas Climticas requer o uso e avano contnuo das tecnologias computacionais;Experincia do MIT Joint Program on the Science and Policy of Global Change:Uso de linguagens e tcnicas de programao avanadas e das mais diversas;Necessidade de interao entre os diferentes campos das cincias e tcnicas de modelagem;Grande demanda por profissionais capazes de entender e construir esses canais de interao;Grande oportunidade de aplicao desses conhecimentos em outras questes multidisciplinares.

Obrigado pela ateno!

Biomass CropsBiomass (Intensification Scenario)

Biomass CropsBiomass (Intensification Scenario)

Natural ForestNatural Forest (Intensification Scenario)

Natural ForestNatural Forest (Intensification Scenario)

Biomass (Deforestation Scenario)Biomass Crops

Biomass (Deforestation Scenario)Biomass Crops

Natural ForestNatural Forest (Deforestation Scenario)

Natural Forest (Deforestation Scenario)Natural Forest

MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*Land area major loss of forests and some loss of pasture area

Net Land Carbon Flux net loss of carbon from land due to biofuels throughout 21st century - Carbon losses from indirect effects are substantially larger than direct effects

Net GHG Balance negative thru the middle of the century, but positive by the end of the century - net loss of carbon from land persisted hroughout the 21st century - N2O losses from N fertilization grow throughout the 21st century *MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*Land area major loss of pastures and some loss of forested area

Net Land Carbon Flux net loss of carbon from land due to biofuels thru the middle of the century after which the land accumulates carbon - Indirect effects cause carbon loss with the maximum reached by the middle of the century while direct effects cause carbon accumulation resulting from N fertilization

Net GHG Balance near zero thru the middle of the century, but positive by the end of the century - land accumulates carbon for last half of the 21st century - N2O losses from N fertilization grow throughout the 21st century

*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01**MIT Global Change Forum XVIII10-18-01**MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*MIT Global Change Forum XVIII10-18-01*