Repositório UNIFEI UNIFEI - Campus 1: Itajubá PPG - Programas de Pós Graduação Teses
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Tipo: Tese
Título: Projeções globais de fluxos de radiação UV para o século XXI: avaliações sob presença de aerossóis e nuvens
Autor(es): YAMAMOTO, Ana Letícia Campos
Primeiro Orientador: CORRÊA, Marcelo de Paula
metadata.dc.contributor.advisor-co1: TORRES, Roger Rodrigues
Resumo: Ozônio, aerossóis e nuvens exercem influência sobre os fluxos de radiação ultravioleta (RUV) que atingem a superfície terrestre. Por esta razão, este estudo busca avaliar os fluxos globais de RUV ao longo do século XXI considerando o conteúdo total de ozônio (CTO), a cobertura total de nuvens (CTN) e a profundidade óptica do aerossol a 550 nm (AOD550). Primeiramente, foi verificado o desempenho das simulações de CTO, CTN e AOD550 do clima atual (1980 - 2014) fornecidos por seis modelos do sistema terrestre (ESMs) comparando-os com dados de reanálise da fifth generation of European ReAnalysis (ERA5) e Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications, Version 2 (MERRA-2). Para as projeções futuras, foram considerados os Shared Socioeconomic Pathways (SSPs; SSP1-2.6, SSP2-4.5, SSP3-7.0 e SSP5-8.5) para quatro períodos ao longo do século (2021 - 2040, 2041 - 2060, 2061 - 2080 e 2081 - 2100). O estimador UVBoost foi utilizado para a determinação das irradiâncias UV. Em seguida, foi computado o Índice Ultravioleta (IUV) ao meio-dia solar, as doses diárias e tempos de exposição para formação de eritema (Dery e tery) e síntese de vitamina D (DvitD e tvitD) considerando o fototipo III. Por fim, para avaliar o impacto da cobertura de nuvens nas projeções de RUV, foi calculado o fator de atenuação (𝑓𝐶) a partir de dados de CTN. Como esperado, a média do conjunto dos seis ESMs (ensemble mean) apresentou menores valores de vieses e de raiz do quadrado médio do erro (RQME), indicando que as simulações se aproximam dos dados das reanálises. Para o CTO, aumentos pronunciados foram projetados em latitudes médias e altas, no final do século e para os cenários de altas forçantes radiativas (SSP3-7.0 e SSP5-8.5). Sobre a Antártida, aumentos de até 30,0% projetados para 2081 - 2100 indicam recuperação do ozônio. Por outro lado, as emissões de gases de efeito estufa (GEE) impactaram o sinal de mudança na região tropical, com declínios (de até 4,0%) no SSP1-2.6 e aumentos (de até 7,0%) no SSP3-7.0. Em relação à CTN, os aumentos no Oceano Pacífico Tropical Leste em todos os SSPs, com valores máximos ~27,0% (2081 - 2100), são relacionados à Zona de Convergência Intertropical (ZCIT). Em contrapartida, foram projetados declínio da CTN no norte da África (de até 21,0%) e na América do Sul (de até 16,0%), associados à intensificação dos anticiclones subtropicais. Para a AOD550, foram projetados aumentos de até 28,0% (SSP3-7.0) e 99,0% (SSP5-8.5) na Índia, África Central e Oriental no final do século (2081-2100). Em contraste, houve reduções na América do Norte, Europa e China ao longo do século, provavelmente em resposta às políticas de qualidade do ar e controle de emissões de poluentes, principalmente no cenário SSP1-2.6. No mês de dezembro, as mudanças projetadas no IUV, Dery e DvitD foram mais pronunciadas em latitudes médias e altas do Hemisfério Sul (HS), em direção ao final do século e para os cenários de maiores forçantes radiativas (SSP3-7.0 e SSP5-8.5). Na América do Sul, Austrália e sul da África, exposições entre 10 e 20 minutos, ao meio-dia solar, serão suficientes para desencadear eritema em indivíduos de fotototipo III. Já, nos Estados Unidos, Canadá, Rússia e Europa, não haverá disponibilidade de RUV suficiente para a síntese de vitamina D ao meio-dia solar, no decorrer do século. No mês de junho, apesar da discrepância entre os cenários em relação ao sinal da mudança projetada, o IUV e a Dery ainda foram considerados elevados (IUV ≥ 11; Dery ~ 6,0 kJ m-2) em locais populosos como China, Índia, Oriente Médio e Estados Unidos. Em contrapartida, na Antártica, no sul da Argentina e Chile não haverá possibilidade de síntese de vitamina D ao longo do século para os cenários avaliados. As projeções indicaram que a cobertura de nuvens exerce alterações de maiores magnitudes sobre o IUV e DvitD, mas com pequenas variações nos padrões espaciais ao longo do século. Na América do Sul e parte da América Central, a atenuação ocasionada pela CTN pode reduzir até 3,5 unidades de IUV nos cenários SSP1-2.6 e SSP2-4.5, mas ainda indicam elevados níveis (IUV entre 8 e 10). Ademais, no norte e nordeste do Brasil e parte da Austrália, foram projetadas atenuações entre 1,5 e 1,8 kJ m-2 para a Dery, e entre 2,5 e 3,0 kJ m-2 para a DvitD, no mês de dezembro e cenário SSP1-2.6. Os resultados exprimem o impacto dos constituintes atmosféricos na RUV ao longo século XXI e comprovam que as mudanças climáticas podem exercer significativos efeitos sobre a saúde humana.
Abstract: Ozone, aerosols, and clouds influence the ultraviolet radiation (UVR) that reaches the earth’s surface. This study aims to evaluate UVR throughout the 21st century considering the total ozone content (TOC), the total cloud cover (TCC), and the aerosol optical depth at 550 nm (AOD550). For that, I first evaluated current climate (1980 - 2014) simulations provided by six Earth System Models (ESMs) from the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) by contrasting them with the fifth generation of European Reanalysis (ERA5) and the Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications, Version 2 (MERRA-2). For future projections, the Shared Socioeconomic Pathways (SSPs; SSP1-2.6, SSP2-4.5, SSP3-7.0, and SSP5-8.5) and four time-slices throughout the century (2021 - 2040, 2041 - 2060, 2061 - 2080 and 2081 - 2100) were considered. I used the UVBoost estimator to calculate UV irradiance. Then, the Ultraviolet Index (UVI) at solar noon, daily doses, and exposure times for erythema (Dery and tery) and vitamin D synthesis (DvitD and tvitD) for phototype III were computed. The cloud attenuation factor (𝑓𝐶) was used to analyze the cloud cover impact on UVR projections. As expected, the multi-model mean ensemble from six ESMs showed smaller biases and root-mean-square errors (RMSE) which indicated that the simulations are close to the reanalysis data. For TOC, pronounced increases were projected at mid and high latitudes, towards the end of the century, and under higher radiative forcing scenarios (SSP3-7.0 and SSP5-8.5). Over Antarctica, increases of up to 30.0% projected for 2081 - 2100 indicate ozone recovery. On the other hand, greenhouse gas (GHG) emissions impact the signal of change in the tropical region, with decreases (up to 4.0%) under SSP1-2.6 and increases (up to 7.0%) under SSP3-7.0. Regarding TCC, increases over the Eastern Tropical Pacific Ocean in all SSPs, with maximum values ~27.0% (in the long-term; 2081 - 2100), are related to the Intertropical Convergence Zone (ITCZ). By contrast, the TCC decline in North Africa (up to 21.0%) and South America (up to 16.0%) are consistent with the intensification of subtropical anticyclones. For AOD550, increases of up to 28.0% (SSP3-7.0) and 99.0% (SSP5-8.5) were projected in India, Central, and East Africa at the end of the century (2081 - 2100). On the other hand, decreases in North America, Europe, and China over the century may be due to the air quality policies and pollutant emissions control, mainly under SSP1-2.6. In December, UVI, Dery, and DvitD projected changes were pronounced at mid and high latitudes in the Southern Hemisphere (SH), towards the end of the century and under higher radiative forcing scenarios (SSP3-7.0 and SSP5-8.5). In South America, Australia, and southern Africa, 10 to 20 minutes of exposure at solar noon can induce erythema in phototype III. In contrast, there is no UVR sufficient for vitamin D synthesis at solar noon throughout the century in the United States, Canada, Russia, and Europe. In June, despite the discrepancy in the sign of the projected change between the SSPs, the UVI and Dery were high (UVI ≥ 11; Dery ~ 6.0 kJ m-2) in areas with high population density such as China, India, the Middle East, and the United States. On the other hand, there is no vitamin D synthesis over the century for the scenarios in southern Argentina, southern Chile, and Antarctica. Cloud cover impacts UVI and DvitD more strongly. However, spatial patterns throughout the century have not changed. TCC attenuation can reduce up to 3.5 UVI under scenarios SSP1-2.6 and SSP2-4.5 in South America and part of Central America but still indicate high levels (UVI between 8 and 10). Furthermore, in December and under SSP1-2.6, there were projected attenuations between 1.5 and 1.8 kJ m-2 for Dery and between 2.5 and 3.0 kJ m-2 for DvitD. The results showed that climate change can significantly impact UVR throughout the 21st century and affect human health.
Palavras-chave: Radiação ultravioleta
IUV
CMIP6
Mudanças climáticas
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA SANITÁRIA::RECURSOS HÍDRICOS
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Itajubá
Sigla da Instituição: UNIFEI
metadata.dc.publisher.department: IRN - Instituto de Recursos Naturais
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação: Doutorado - Meio Ambiente e Recursos Hídricos
Tipo de Acesso: Acesso Restrito
URI: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/3852
Data do documento: 31-Mar-2023
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