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MODELLIZAZIONE DI ECOSISTEMI INONDATI: LAMAZZONIA.

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1 MODELLIZAZIONE DI ECOSISTEMI INONDATI: LAMAZZONIA

2 BACINI IDROGRAFICI BRASILIANI

3 TOCANTINS

4 ECOSISTEMI INONDATI Ecosistemi di struttura variabile: alternanza e convivenza dellecosistema marino e terrestre. Ecosistemi di struttura variabile: alternanza e convivenza dellecosistema marino e terrestre. Pioggia: è la causa principale della loro formazione; non è distribuita uniformemente nel corso dellanno ma si concentra in alcuni periodi. Pioggia: è la causa principale della loro formazione; non è distribuita uniformemente nel corso dellanno ma si concentra in alcuni periodi. Stagioni: sono essenzialmente due e si differenziano in quanto una è piovosa e una è secca; non esistono stagioni intermedie. Data la latitudine, le stagioni sono quelle dellemisfero australe e quindi lestate, che va da ottobre a marzo, è la stagione delle piogge e delle inondazioni mentre linverno, che va da aprile ad agosto, è la stagione secca. Stagioni: sono essenzialmente due e si differenziano in quanto una è piovosa e una è secca; non esistono stagioni intermedie. Data la latitudine, le stagioni sono quelle dellemisfero australe e quindi lestate, che va da ottobre a marzo, è la stagione delle piogge e delle inondazioni mentre linverno, che va da aprile ad agosto, è la stagione secca. Alterazione della catena alimentare in modo naturale: animali e piante devono adattarsi ai cambiamenti di ecosistema; durante le inondazioni saranno presenti alcuni tipi di piante e animali, che invece durante la stagione secca non ci saranno. Altre specie, invece, sono presenti tutto lanno in particolare quelle che con il tempo si sono evolute e quindi adattate ai repentini cambiamenti. Alterazione della catena alimentare in modo naturale: animali e piante devono adattarsi ai cambiamenti di ecosistema; durante le inondazioni saranno presenti alcuni tipi di piante e animali, che invece durante la stagione secca non ci saranno. Altre specie, invece, sono presenti tutto lanno in particolare quelle che con il tempo si sono evolute e quindi adattate ai repentini cambiamenti. Territorio: la conformazione del territorio può subire cambiamenti nel corso di inondazioni; nuovi corsi dacqua si possono formare così come nuovi bacini. Rilevante è poi leffetto del prosciugamento. Territorio: la conformazione del territorio può subire cambiamenti nel corso di inondazioni; nuovi corsi dacqua si possono formare così come nuovi bacini. Rilevante è poi leffetto del prosciugamento.

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6 NECESSITA DI UN MODELLO Predire le variazioni spaziali e temporali: è sicuramente il punto fondamentale; la simulazione integrata a nozioni di idrologia, geomorfologia, ecologia, telerilevamento, geoinformatica è essenziale per monitorare il corretto funzionamento di questo particolare tipo di scenario (Helmschrot, 2004) Predire le variazioni spaziali e temporali: è sicuramente il punto fondamentale; la simulazione integrata a nozioni di idrologia, geomorfologia, ecologia, telerilevamento, geoinformatica è essenziale per monitorare il corretto funzionamento di questo particolare tipo di scenario (Helmschrot, 2004) Intervento umano e processi socio economici : la deforestazione è una delle cause principali del cambiamento climatico in quanto incide sulla diminuzione del LAI (leaf ratio index), sulla consistenza del terreno e sull evaporazione, quindi sulle piogge e su tutto lecosistema inondato. Laumento di terreno agricolo a discapito di foreste è un fenomeno che si è largamente diffuso negli ultimi 40 anni provocando un aumento della portata dei fiumi del 30% (Investigating future trends in Amazon discharge and floodplain inundation, M. T. Coe, M. H. Costa, D. McGrath) Intervento umano e processi socio economici : la deforestazione è una delle cause principali del cambiamento climatico in quanto incide sulla diminuzione del LAI (leaf ratio index), sulla consistenza del terreno e sull evaporazione, quindi sulle piogge e su tutto lecosistema inondato. Laumento di terreno agricolo a discapito di foreste è un fenomeno che si è largamente diffuso negli ultimi 40 anni provocando un aumento della portata dei fiumi del 30% (Investigating future trends in Amazon discharge and floodplain inundation, M. T. Coe, M. H. Costa, D. McGrath) Reale estensione dellarea allagata: è importante comprendere quale potrà essere con il passare del tempo la nuova morfologia del territorio. Reale estensione dellarea allagata: è importante comprendere quale potrà essere con il passare del tempo la nuova morfologia del territorio. Effetti su flora e fauna: alcune specie si adattano al cambiamento, altre spariscono. Fauna e flora sono strettamente connesse e spesso la sopravvivenza di una è essenziale per laltra Effetti su flora e fauna: alcune specie si adattano al cambiamento, altre spariscono. Fauna e flora sono strettamente connesse e spesso la sopravvivenza di una è essenziale per laltra

7 FATTORI DI INFLUENZA DELLE INONDAZIONI - PIOGGE Uno studio basato sul confronto di alcuni dataset ha evidenziato che mediamente cadono circa 2130 mm di pioggia ogni anno in tutto il bacino amazzonico (Costa MH, Foley JA. (1998) A comparison of precipitation datasets for the Amazon basin. Geophysical Research Letters, 25, ). Uno studio basato sul confronto di alcuni dataset ha evidenziato che mediamente cadono circa 2130 mm di pioggia ogni anno in tutto il bacino amazzonico (Costa MH, Foley JA. (1998) A comparison of precipitation datasets for the Amazon basin. Geophysical Research Letters, 25, ). Tocantins

8 Nello stato di Tocantins, ed in particolare la zona a nord cioè quella appartenente allarea 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 INONDAZIONI - 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,

9 Sono la conseguenza diretta delle piogge. Durante lestate il livello dei fiumi arriva ad essere 5 volte più alto rispetto allinverno e la portata ad essere 13 volte tanto! Sono la conseguenza diretta delle piogge. Durante lestate il livello dei fiumi arriva ad essere 5 volte più alto rispetto allinverno e la portata ad essere 13 volte tanto! I grafici che seguono (ottenuti con Hidro - indicano mese per mese livello e portata per tutto il I dati sono stati rilevati sul fiume Toncantins, presso la stazione fluviometrica Marabà (latitudine - 5:20:19; longitudine – 49:7:28). I grafici che seguono (ottenuti con Hidro - indicano mese per mese livello e portata per tutto il I dati sono stati rilevati sul fiume Toncantins, presso la stazione fluviometrica Marabà (latitudine - 5:20:19; longitudine – 49:7:28). FATTORI DI INFLUENZA DELLE INONDAZIONI – PORTATA DEI FIUMI

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14 FATTORI DI INFLUENZA DELLE INONDAZIONI - TEMPERATURA Se pur di poco anche questa varia con le stagioni. In particolare si ha un graduale aumento delle temperature massime in corrispondenza dellinizio della stagione invernale ed una graduale diminuzione delle minime sempre nella medesima stagione; ciò implica un sostanziale aumento dellescursione termica. Se pur di poco anche questa varia con le stagioni. In particolare si ha un graduale aumento delle temperature massime in corrispondenza dellinizio della stagione invernale ed una graduale diminuzione delle minime sempre nella medesima stagione; ciò implica un sostanziale aumento dellescursione termica. Lintensità delle radiazioni solari è circa 250 cal cm 2 per ogni giorno Lintensità delle radiazioni solari è circa 250 cal cm 2 per ogni giorno

15 FATTORI INTERNI - VEGETAZIONE 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)

16 Total 0011Mixed Forest-flooded Forest-nonflooded 8824 Woodland-flooded 0206Shrub-nonflooded 30100Shrub-flooded Herbaceous-flooded 50140Nonvegetated or herbaceous-nonflooded Nonvegeted-flooded InvernoEstateInvernoEstate % zona inondataArea (10 3 km 2 ) FATTORI 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.)

17 FATTORI 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

18 FATTORI INTERNI - FAUNA Inverno (stagione secca): Inverno (stagione secca): I piccoli pesci rimangono intrappolati nei laghi e diventano facili prede per i predatori I piccoli pesci rimangono intrappolati nei laghi e diventano facili prede per i predatori Anche gli uccelli si concentrano dove lacqua è + bassa così che possono cacciare con semplicità i pesci Anche gli uccelli si concentrano dove lacqua è + bassa così che possono cacciare con semplicità i pesci Alcuni pesci, visto lo scarso ricambio dacqua e quindi la mancanza di ossigeno nellacqua, si sono adattati con il tempo ed utilizzano in parte lossigeno atmosferico (ad esempio i pesci gatto) Alcuni pesci, visto lo scarso ricambio dacqua e quindi la mancanza di ossigeno nellacqua, si sono adattati con il tempo ed utilizzano in parte lossigeno atmosferico (ad esempio i pesci gatto) È la stagione in cui i pesci depongono le uova È 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 cerca di semi e frutti che cadono dagli alberi I pesci erbivori possono girare liberamente per le foreste inondate in cerca di semi e frutti che cadono dagli alberi Anche gli erbivori terrestri migrano verso le zone inondate in cerca di cibo Anche gli erbivori terrestri migrano verso le zone inondate in cerca di cibo I grandi predatori sopravvivono grazie alle riserve di grasso accumulate durante linverno I grandi predatori sopravvivono grazie alle riserve di grasso accumulate durante linverno

19 Lo scopo è quello di tracciare le caratteristiche geografiche dellarea inondata, vale a dire la vegetazione presente, i corsi dacqua, 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 dacqua ed inoltre sia il fumo che le nuvole rendono i rilevamenti spesso illeggibili. TECNOLOGIE DISPONIBILI

20 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 donda. 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 unimmagine complessa e ricca di informazioni. Attraverso la percezione della riflettività degli oggetti analizzati è possibile riconoscere i confini delle acque da quelli terrestri.

21 Modello IBIS (Integrated BIosphere Simulator) 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 ad una struttura concettuale gerarchica ed include vari moduli organizzati in base alla loro scala temporale: 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 ad una struttura concettuale gerarchica ed include vari moduli organizzati in base alla loro scala temporale: Land surface module (processi della superficie terrestre cioè riguardanti l equilibrio energetico, l acqua e il carbonio) Land surface module (processi della superficie terrestre cioè riguardanti l equilibrio energetico, l acqua e il carbonio)

22 Modello IBIS (Integrated BIosphere Simulator) 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 ad una struttura concettuale gerarchica ed include vari moduli organizzati in base alla loro scala temporale: 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 ad una struttura concettuale gerarchica ed include vari moduli organizzati in base alla loro scala temporale: Land surface module (processi della superficie terrestre cioè riguardanti l equilibrio energetico, l acqua e il carbonio) Land surface module (processi della superficie terrestre cioè riguardanti l equilibrio energetico, l acqua e il carbonio) Belowground carbon and nitrogen cycling module (ciclo del carbonio e dell azoto dalla pianta al terreno) Belowground carbon and nitrogen cycling module (ciclo del carbonio e dell azoto dalla pianta al terreno)

23 Modello IBIS (Integrated BIosphere Simulator) 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 ad una struttura concettuale gerarchica ed include vari moduli organizzati in base alla loro scala temporale: 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 ad una struttura concettuale gerarchica ed include vari moduli organizzati in base alla loro scala temporale: Land surface module (processi della superficie terrestre cioè riguardanti l equilibrio energetico, l acqua e il carbonio) Land surface module (processi della superficie terrestre cioè riguardanti l equilibrio energetico, l acqua e il carbonio) Belowground carbon and nitrogen cycling module (ciclo del carbonio e dell azoto dalla pianta al terreno) Belowground carbon and nitrogen cycling module (ciclo del carbonio e dell azoto dalla pianta al terreno) Vegetation dynamics module (concorrenza delle piante per luce, acqua e sostanze nutrienti) Vegetation dynamics module (concorrenza delle piante per luce, acqua e sostanze nutrienti)

24 Modello IBIS (Integrated BIosphere Simulator) 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 ad una struttura concettuale gerarchica ed include vari moduli organizzati in base alla loro scala temporale: 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 ad una struttura concettuale gerarchica ed include vari moduli organizzati in base alla loro scala temporale: Land surface module (processi della superficie terrestre cioè riguardanti l equilibrio energetico, l acqua e il carbonio) Land surface module (processi della superficie terrestre cioè riguardanti l equilibrio energetico, l acqua e il carbonio) Belowground carbon and nitrogen cycling module (ciclo del carbonio e dell azoto dalla pianta al terreno) Belowground carbon and nitrogen cycling module (ciclo del carbonio e dell azoto dalla pianta al terreno) Vegetation dynamics module (concorrenza delle piante per luce, acqua e sostanze nutrienti) Vegetation dynamics module (concorrenza delle piante per luce, acqua e sostanze nutrienti) Natural vegetation and crop phenology module (basato sulla crescita giornaliera) Natural vegetation and crop phenology module (basato sulla crescita giornaliera)

25 Modello IBIS (Integrated BIosphere Simulator) 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 ad una struttura concettuale gerarchica ed include vari moduli organizzati in base alla loro scala temporale: 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 ad una struttura concettuale gerarchica ed include vari moduli organizzati in base alla loro scala temporale: Land surface module (processi della superficie terrestre cioè riguardanti l equilibrio energetico, l acqua e il carbonio) Land surface module (processi della superficie terrestre cioè riguardanti l equilibrio energetico, l acqua e il carbonio) Belowground carbon and nitrogen cycling module (ciclo del carbonio e dell azoto dalla pianta al terreno) Belowground carbon and nitrogen cycling module (ciclo del carbonio e dell azoto dalla pianta al terreno) Vegetation dynamics module (concorrenza delle piante per luce, acqua e sostanze nutrienti) Vegetation dynamics module (concorrenza delle piante per luce, acqua e sostanze nutrienti) Natural vegetacion and crop phenology module (basato sulla crescita giornaliera) Natural vegetacion and crop phenology module (basato sulla crescita giornaliera)

26 Modello IBIS (Integrated BIosphere Simulator) 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 ad una struttura concettuale gerarchica ed include vari moduli organizzati in base alla loro scala temporale: 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 ad una struttura concettuale gerarchica ed include vari moduli organizzati in base alla loro scala temporale: Land surface module (processi della superficie terrestre cioè riguardanti l equilibrio energetico, l acqua e il carbonio) Land surface module (processi della superficie terrestre cioè riguardanti l equilibrio energetico, l acqua e il carbonio) Belowground carbon and nitrogen cycling module (ciclo del carbonio e dell azoto dalla pianta al terreno) Belowground carbon and nitrogen cycling module (ciclo del carbonio e dell azoto dalla pianta al terreno) Vegetation dynamics module (concorrenza delle piante per luce, acqua e sostanze nutrienti) Vegetation dynamics module (concorrenza delle piante per luce, acqua e sostanze nutrienti) Natural vegetacion and crop phenology module (basato sulla crescita giornaliera) Natural vegetacion and crop phenology module (basato sulla crescita giornaliera) Atmosphere (modulo che si interfaccia con altri modelli, GENESIS e CCM3 GCMs, specifici per fenomeni atmosferici); Atmosphere (modulo che si interfaccia con altri modelli, GENESIS e CCM3 GCMs, specifici per fenomeni atmosferici); Solute tansport module (modulo che si interfaccia con il modello HYDRA, specifico) Solute tansport module (modulo che si interfaccia con il modello HYDRA, specifico)

27 Modello IBIS (Integrated BIosphere 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 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, 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 (Pollard e Thompson, 1995; Foley ed altri., 1996). Il modulo di fisica del terreno dell'IBIS usa 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 (Campbell e Norman, 1998). Il ciclo dell'acqua del terreno è controllato tramite il tasso di infiltrazione, l'evaporazione di acqua dalla superficie del terreno, la traspirazione delle piante e la ridistribuzione di acqua nel profilo Suolo: IBIS utilizza una metodologia multistrato per simulare le variazioni 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, 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 (Pollard e Thompson, 1995; Foley ed altri., 1996). Il modulo di fisica del terreno dell'IBIS usa 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 (Campbell e Norman, 1998). Il ciclo dell'acqua del terreno è controllato tramite il tasso di infiltrazione, l'evaporazione di acqua dalla superficie del terreno, la traspirazione delle piante e la ridistribuzione di acqua nel profilo Ciclo dell'acqua: traspirazione, evaporazione, infiltrazione, deflusso. La quantità totale di acqua evaporata è la somma di: evaporazione dalla superficie terrestre, evaporazione intercettata dalla vegetazione e traspirazione della vegetazione. I tassi di traspirazione dipendono dalla conduttanza e sono calcolati indipendentemente per ogni tipo di pianta Ciclo dell'acqua: traspirazione, evaporazione, infiltrazione, deflusso. La quantità totale di acqua evaporata è la somma di: evaporazione dalla superficie terrestre, evaporazione intercettata dalla vegetazione e traspirazione della vegetazione. I tassi di traspirazione dipendono dalla conduttanza e sono calcolati indipendentemente per ogni tipo di pianta 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 radiazione solare che infrarossa fra l'atmosfera, la vegetazione e la superficie terrestre. 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 radiazione solare che infrarossa fra l'atmosfera, la vegetazione e la superficie terrestre. Azoto: mineralizzazione Azoto: mineralizzazione

28 Modello IBIS (Integrated BIosphere Simulator) Scala spaziale: 0.5, 1.0, 2.0 e 4.0 gradi Scala spaziale: 0.5, 1.0, 2.0 e 4.0 gradi Scala temporale: oraria Scala temporale: oraria Bibliografia: Bibliografia: 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 (2000). Testing the performance of a dynamic global ecosystem model: Water balance, carbon balance and vegetation structure. Global Biogeochemical Cycles 14(3), 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 (2000). Testing the performance of a dynamic global ecosystem model: Water balance, carbon balance and vegetation structure. Global Biogeochemical Cycles 14(3), 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 processes, terrestrial carbon balance, and vegetation dynamics. Global Biogeochemical Cycles 10(4), 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 processes, terrestrial carbon balance, and vegetation dynamics. Global Biogeochemical Cycles 10(4), link per scaricare il software simulativo - link per scaricare il software simulativo - link da cui è possibile scaricare un dataset risultante da simulazione effettuate con 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). Long-term variations of climate and carbon fluxes over the Amazon Basin. Geophysical Research Letters 29(9), 10,1029/2001 GL013607, link da cui è possibile scaricare un dataset risultante da simulazione effettuate con 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). Long-term variations of climate and carbon fluxes over the Amazon Basin. Geophysical Research Letters 29(9), 10,1029/2001 GL013607, 2002

29 Simula la portata e i cambiamenti stagionali del livello dellacqua Simula la portata e i cambiamenti stagionali del livello dellacqua Risoluzione spaziale: 5 longitudine * 5 latitudine Risoluzione spaziale: 5 longitudine * 5 latitudine Richiede input giornalieri o mensili quali la portata media dei corsi daqua, precipitazioni, evaporazione Richiede input giornalieri o mensili quali la portata media dei corsi daqua, precipitazioni, evaporazione Lindividuazione dei percorsi fluviali e del volume di laghi e wetland deriva dal DEM (Digital Elevation Model). Vengono prese in considerazione tutte le depressioni e quindi valutate le altezze dei loro sbocchi; tutte le griglie del modello che condividono il medesimo sbocco vengono considerate come una potenziale superficie acquatica unica. Le celle utilizzate per questo modello sono 5 x 5 (circa 10 km x 10 km) Lindividuazione dei percorsi fluviali e del volume di laghi e wetland deriva dal DEM (Digital Elevation Model). Vengono prese in considerazione tutte le depressioni e quindi valutate le altezze dei loro sbocchi; tutte le griglie del modello che condividono il medesimo sbocco vengono considerate come una potenziale superficie acquatica unica. Le celle utilizzate per questo modello sono 5 x 5 (circa 10 km x 10 km) Lindividuazione della direzione di scorrimento dei fiumi è calcolata assegnando ad ogni cella della griglia la direzione della cella confinante avente altitudine più bassa, simulando quindi il deflusso delle acque dalla sorgente alla foce. Lindividuazione della direzione di scorrimento dei fiumi è calcolata assegnando ad ogni cella della griglia la direzione della cella confinante avente altitudine più bassa, simulando quindi il deflusso delle acque dalla sorgente alla foce. Lindividuazione della direzione dello scorrimento delle acque attraverso un lago o una wetland è calcolata prendendo in considerazione le depressioni ed in particolare assegnandogli direzione concorde al proprio sbocco. Lindividuazione della direzione dello scorrimento delle acque attraverso un lago o una wetland è calcolata prendendo in considerazione le depressioni ed in particolare assegnandogli direzione concorde al proprio sbocco. Modello HYDRA (Hydrological Routing Algorithm)

30 La superficie acquatica prevista è data dalla differenza, P-E, tra precipitazioni ed evaporazione La superficie acquatica prevista è data dalla differenza, P-E, tra precipitazioni ed evaporazione Il sistema idrico totale è composto da Il 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 dellacqua è rappresentato attraverso il cambiamento temporale di tre tipi di bacini: Il flusso dellacqua è rappresentato attraverso il cambiamento temporale di tre tipi di bacini: Acque fluviali (Wr) Acque fluviali (Wr) Stagni di deflusso cioè le acque superficiali che fluiscono verso i fiumi (Ws) Stagni di deflusso cioè le acque superficiali che fluiscono verso i fiumi (Ws) Stagni di drenaggio cioè le acque sotterranee che fluiscono verso i fiumi (Wd) Stagni di drenaggio cioè le acque sotterranee che fluiscono verso i fiumi (Wd) Modello HYDRA (Hydrological Routing Algorithm)

31 I volumi di acqua sono espressi in m 3 ed i flussi calcolati attraverso le seguenti equazioni differenziali: I volumi di acqua sono espressi in m 3 ed i flussi calcolati attraverso le seguenti equazioni differenziali: d(Ws)/dt = Rs - Ws/Ts d(Ws)/dt = Rs - Ws/Ts d(Wd)/dt = Rd - Wd/Td d(Wd)/dt = Rd - Wd/Td d(Wr)/dt = (Ws/Ts + Wd/Td) x ( 1 – Aw) + (Pw – Ew) x Aw – (Wr/Tr) + Fin d(Wr)/dt = (Ws/Ts + Wd/Td) x ( 1 – Aw) + (Pw – Ew) x Aw – (Wr/Tr) + Findove: 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 priva 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 priva Ts, Td, Tr sono i tempi di permanenza dellacqua nel bacino. Per semplicità sono 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 quello della successiva (secondo il flusso) e la velocità dellacqua (u). Per le celle in cui non sono presenti laghi o wetland la velocità è proporzionale al rapporto tra il gradiente del flusso (ic, mm -1 ) ed il gradiente di riferimento i 0 = 0.5 x mm -1 (Miller et al. 1994): u = u o1 (i c /i o ) 0.5 dove u o1 = 0.8 ms -1 è la velocità effettiva minima. Per le celle allinterno delle quali, invece, sono presenti masse dacqua la velocità è minore e proporzionale al rapporto tra volume di riferimento (v l, m 3 ) e il volume dellintero corpo dacqua di cui la cella è parte (v t, m 3 ): u = u o2 (v l /v t ) 0.5 dove u o2 = 0.1 x u o2 = 0.08 ms -1 è la velocità effettiva minima attraversando una massa dacqua Ts, Td, Tr sono i tempi di permanenza dellacqua nel bacino. Per semplicità sono 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 quello della successiva (secondo il flusso) e la velocità dellacqua (u). Per le celle in cui non sono presenti laghi o wetland la velocità è proporzionale al rapporto tra il gradiente del flusso (ic, mm -1 ) ed il gradiente di riferimento i 0 = 0.5 x mm -1 (Miller et al. 1994): u = u o1 (i c /i o ) 0.5 dove u o1 = 0.8 ms -1 è la velocità effettiva minima. Per le celle allinterno delle quali, invece, sono presenti masse dacqua la velocità è minore e proporzionale al rapporto tra volume di riferimento (v l, m 3 ) e il volume dellintero corpo dacqua di cui la cella è parte (v t, m 3 ): u = u o2 (v l /v t ) 0.5 dove u o2 = 0.1 x u o2 = 0.08 ms -1 è la velocità effettiva minima attraversando una massa dacqua P ed E sono espresse in m 3 s -1 P ed E sono espresse in m 3 s -1

32 Modello THMB (Terrestrial Hydrology Model with Biogeochemistry) È lo sviluppo software del modello HYDRA ed è uno dei pochi modelli idrologici che simulano il sistema d'acqua dolce completo. Questo modello si concentra sui collegamenti tra clima, tipi di terreno e comportamento degli spartiacque interni tra i quali laghi, wetlands, fiumi e sistemi di acqua freatica. In particolare questo modello è nato con lo scopo di apprendere come il cambiamento climatico e lo sfruttamento del terreno possano influenzare le risorse dacqua dolce. È lo sviluppo software del modello HYDRA ed è uno dei pochi modelli idrologici che simulano il sistema d'acqua dolce completo. Questo modello si concentra sui collegamenti tra clima, tipi di terreno e comportamento degli spartiacque interni tra i quali laghi, wetlands, fiumi e sistemi di acqua freatica. In particolare questo modello è nato con lo scopo di apprendere come il cambiamento climatico e lo sfruttamento del terreno possano influenzare le risorse dacqua dolce. Elabora file.hdf ad esempio Elabora file.hdf ad esempio 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 interesse 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 interesse HDF.rivdir raccoglie le direzione dei fiumi HDF.rivdir raccoglie le direzione dei fiumi HDF.mflac indica laltezza sul livello del mare dei bacini per i quali R + P > E HDF.mflac indica laltezza sul livello del mare dei bacini per i quali R + P > E

33 Modello THMB (Terrestrial Hydrology Model with Biogeochemistry) 17,0020,0014,0711,70-49,67-3,83Tocantins at Tucuruı´56 24,001,004613,004566,00-47,33-6,33 Tocantins 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 35,0021,002700,002225,00-48,42-10,75 Tocantins 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 (m 3 s -1 ) Observed (m 3 s -1 )Longitude LatitudeNameStation ID Alcune simulazioni effettuate per il bacino di Tocantins

34 Modello THMB (Terrestrial Hydrology Model with Biogeochemistry) Da notare come quasi tutti i punti siano al di sotto della linea 1:1 cioè il modello tende a sottovalutare la portata

35 Modello THMB (Terrestrial Hydrology Model with Biogeochemistry) 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 dellaltezza dellacqua in alcune zone inondate

36 Modello THMB (Terrestrial Hydrology Model with Biogeochemistry)

37 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)

38 HYDRA - THMB Bibliografia: Coe M. T., A linked global model of terrestrial hydrologic processes: Simulation of modern rivers, lakes, and wetlands, J. Geophys. Res., 103, , Coe M. T., A linked global model of terrestrial hydrologic processes: Simulation of modern rivers, lakes, and wetlands, J. Geophys. Res., 103, , Coe M. T., Modeling terrestrial hydrological systems at the continental scale: Testing the accuracy of an atmospheric GCM, J. Clim., 13, 686– 704, 2000 Coe M. T., Modeling terrestrial hydrological systems at the continental scale: Testing the accuracy of an atmospheric GCM, J. Clim., 13, 686– 704, 2000 Coe, M. T., 1997: Simulating continental surface waters: An application to Holocene northern Africa. J. Climate, 10, 1680–1689. Coe, M. T., 1997: Simulating continental surface waters: An application to Holocene northern Africa. J. Climate, 10, 1680–1689. 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 Research /2001JD000740, 23 August 2002 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 Research /2001JD000740, 23 August link da cui è possibile scaricare il codice del THMB e i file di input contententi informazioni geomorfologiche (HDF e netCDF) e i file di input contententi informazioni sul clima - link da cui è possibile scaricare il codice del THMB e i file di input contententi informazioni geomorfologiche (HDF e netCDF) e i file di input contententi informazioni sul clima - link per scaricare un dataset generato con THMB - link per scaricare un dataset generato con THMB

39 REPERIBILITA INFORMAZIONI Progetto GEOMA: è una rete telematica di ricerca in modellizzazione e simulazione di fenomeni naturali legati allarea della foresta amazzonica brasiliana ( ) Progetto GEOMA: è una rete telematica di ricerca in modellizzazione e simulazione di fenomeni naturali legati allarea della foresta amazzonica brasiliana ( ) PIATAM mar (Potenciais Impactos Ambientais do Transporte de Petróleo e Derivados na Zona Costeira Amazônica): lobiettivo primario è fornire informazioni aggiornate sulle popolazioni, risosrse naturali ed ecosistemi costieri con obiettivo di prevenire catastrofi ambientali legate al trasporto del petrolio. Sono presenti inoltre pubblicazioni su tecniche cartografiche e di raccolta dei dati (www.naea.ufpa.br/piatammar/) PIATAM mar (Potenciais Impactos Ambientais do Transporte de Petróleo e Derivados na Zona Costeira Amazônica): lobiettivo primario è fornire informazioni aggiornate sulle popolazioni, risosrse naturali ed ecosistemi costieri con obiettivo di prevenire catastrofi ambientali legate al trasporto del petrolio. Sono presenti inoltre pubblicazioni su tecniche cartografiche e di raccolta dei dati (www.naea.ufpa.br/piatammar/) Tropical Resource Institute: vi si possono trovare notizie generiche sullo scenario tropicale (www.yale.edu/tri/) Tropical Resource Institute: vi si possono trovare notizie generiche sullo scenario tropicale (www.yale.edu/tri/) Scientific electronic library online: possibilità di consultare riviste scientifiche specialistiche (www.scielo.org) Scientific electronic library online: possibilità di consultare riviste scientifiche specialistiche (www.scielo.org) SAGE (Center for Sustainability and the Global Environment): offre risorse per ricerche interdisciplinari. Di particolare interesse la sezione sulle risorse idriche con alcuni progetti rivolti specificamente al bacino amazzonico. È presente anche una sezione contenente mappe, dataset e modelli specifici per ecosistemi inondati (www.sage.wisc.edu) SAGE (Center for Sustainability and the Global Environment): offre risorse per ricerche interdisciplinari. Di particolare interesse la sezione sulle risorse idriche con alcuni progetti rivolti specificamente al bacino amazzonico. È presente anche una sezione contenente mappe, dataset e modelli specifici per ecosistemi inondati (www.sage.wisc.edu)

40 REPERIBILITA INFORMAZIONI LBA (Large Scale Biosphere-Atmosphere Experiment in Amazonia): è un progetto coadiuvato dal ministero della scienza e tecnologia brasiliano che si occupa di ricerca in merito al cambiamento dello scenario amazzonico (lba.inpa.gov.br - - lba.cptec.inpe.br/beija-flor) LBA (Large Scale Biosphere-Atmosphere Experiment in Amazonia): è un progetto coadiuvato dal ministero della scienza e tecnologia brasiliano che si occupa di ricerca in merito al cambiamento dello scenario amazzonico (lba.inpa.gov.br - - lba.cptec.inpe.br/beija-flor) EMDI (Ecosystem Model-Data Intercomparison): presenta una raccolta di modelli prevalentemente mirati alla simulazione del ciclo di vita del carbonio (gaim.unh.edu/Structure/Intercomparison/EMDI/) EMDI (Ecosystem Model-Data Intercomparison): presenta una raccolta di modelli prevalentemente mirati alla simulazione del ciclo di vita del carbonio (gaim.unh.edu/Structure/Intercomparison/EMDI/) Gruppo di ricerca Prof. Marcos Heil Costa: studioso di livello internazionale autore di molti articoli di modellistica, ecosistemi inondati, tecniche di monitoraggio con interesse particolare verso il bacino amazzonico (madeira.dea.ufv.br/public.htm) Gruppo di ricerca Prof. Marcos Heil Costa: studioso di livello internazionale autore di molti articoli di modellistica, ecosistemi inondati, tecniche di monitoraggio con interesse particolare verso il bacino amazzonico (madeira.dea.ufv.br/public.htm) IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística): offre articoli scientifici generici su tutto il panorama brasiliano. Ricca la sezione dedicata alle mappe tematiche quali ad esempio quelle sul clima, sulla vegetazione e sulla conformazione idrologica (www.ibge.gov.br) IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística): offre articoli scientifici generici su tutto il panorama brasiliano. Ricca la sezione dedicata alle mappe tematiche quali ad esempio quelle sul clima, sulla vegetazione e sulla conformazione idrologica (www.ibge.gov.br) INPA (Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia): diretto dal ministero di scienza e tecnologia brasiliano, si occupa di ricerche sul panorama amazzonico (www.inpa.gov.br) INPA (Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia): diretto dal ministero di scienza e tecnologia brasiliano, si occupa di ricerche sul panorama amazzonico (www.inpa.gov.br)


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