GEOS-S2S Version 2: The GMAO High Resolution Coupled Model and Assimilation System for Seasonal Prediction.

The Global Modeling and Assimilation Office (GMAO) has recently released a new version of the Goddard Earth Observing System (GEOS) Sub-seasonal to Seasonal prediction (S2S) system, GEOS-S2S-2, that represents a substantial improvement in performance and infrastructure over the previous system. The system is described here in detail, and results are presented from forecasts, climate equillibrium simulations and data assimilation experiments. The climate or equillibrium state of the atmosphere and ocean showed a substantial reduction in bias relative to GEOS-S2S-1. The GEOS-S2S-2 coupled reanalysis also showed substantial improvements, attributed to the assimilation of along-track Absolute Dynamic Topography. The forecast skill on subseasonal scales showed a much-improved prediction of the Madden-Julian Oscillation in GEOS-S2S-2, and on a seasonal scale the tropical Pacific forecasts show substantial improvement in the east and comparable skill to GEOS-S2S-1 in the central Pacific. GEOS-S2S-2 anomaly correlations of both land surface temperature and precipitation were comparable to GEOS-S2S-1, and showed substantially reduced root mean square error of surface temperature. The remaining issues described here are being addressed in the development of GEOS-S2S Version 3, and with that system GMAO will continue its tradition of maintaining a state of the art seasonal prediction system for use in evaluating the impact on seasonal and decadal forecasts of assimilating newly available satellite observations, as well as to evaluate additional sources of predictability in the earth system through the expanded coupling of the earth system model and assimilation components.

Airborne observations reveal elevational gradient in tropical forest isoprene emissions.

Isoprene dominates global non-methane volatile organic compound emissions, and impacts tropospheric chemistry by influencing oxidants and aerosols. Isoprene emission rates vary over several orders of magnitude for different plants, and characterizing this immense biological chemodiversity is a challenge for estimating isoprene emission from tropical forests. Here we present the isoprene emission estimates from aircraft eddy covariance measurements over the Amazonian forest. We report isoprene emission rates that are three times higher than satellite top-down estimates and 35% higher than model predictions. The results reveal strong correlations between observed isoprene emission rates and terrain elevations, which are confirmed by similar correlations between satellite-derived isoprene emissions and terrain elevations. We propose that the elevational gradient in the Amazonian forest isoprene emission capacity is determined by plant species distributions and can substantially explain isoprene emission variability in tropical forests, and use a model to demonstrate the resulting impacts on regional air quality.

Modeling the radiative effects of biomass burning aerosols on carbon fluxes in the Amazon region.

Every year, a dense smoke haze covers a large portion of South America originating from fires in the Amazon Basin and central parts of Brazil during the dry biomass burning season between August and October. Over a large portion of South America, the average aerosol optical depth at 550 nm exceeds 1.0 during the fire season, while the background value during the rainy season is below 0.2. Biomass burning aerosol particles increase scattering and absorption of the incident solar radiation. The regional-scale aerosol layer reduces the amount of solar energy reaching the surface, cools the near-surface air, and increases the diffuse radiation fraction over a large disturbed area of the Amazon rainforest. These factors affect the energy and CO2 fluxes at the surface. In this work, we applied a fully integrated atmospheric model to assess the impact of biomass burning aerosols in CO2 fluxes in the Amazon region during 2010. We address the effects of the attenuation of global solar radiation and the enhancement of the diffuse solar radiation flux inside the vegetation canopy. Our results indicate that biomass burning aerosols led to increases of about 27% in the gross primary productivity of Amazonia and 10% in plant respiration as well as a decline in soil respiration of 3%. Consequently, in our model Amazonia became a net carbon sink; net ecosystem exchange during September 2010 dropped from +101 to -104 TgC when the aerosol effects are considered, mainly due to the aerosol diffuse radiation effect. For the forest biome, our results point to a dominance of the diffuse radiation effect on CO2 fluxes, reaching a balance of 50-50% between the diffuse and direct aerosol effects for high aerosol loads. For C3 grasses and savanna (cerrado), as expected, the contribution of the diffuse radiation effect is much lower, tending to zero with the increase in aerosol load. Taking all biomes together, our model shows the Amazon during the dry season, in the presence of high biomass burning aerosol loads, changing from being a source to being a sink of CO2 to the atmosphere.

The Brazilian developments on the Regional Atmospheric Modeling System (BRAMS 5.2): an integrated environmental model tuned for tropical areas.

We present a new version of the Brazilian developments on the Regional Atmospheric Modeling System where different previous versions for weather, chemistry and carbon cycle were unified in a single integrated software system. The new version also has a new set of state-of-the-art physical parameterizations and greater computational parallel and memory usage efficiency. Together with the description of the main features are examples of the quality of the transport scheme for scalars, radiative fluxes on surface and model simulation of rainfall systems over South America in different spatial resolutions using a scale-aware convective parameterization. Besides, the simulation of the diurnal cycle of the convection and carbon dioxide concentration over the Amazon Basin, as well as carbon dioxide fluxes from biogenic processes over a large portion of South America are shown. Atmospheric chemistry examples present model performance in simulating near-surface carbon monoxide and ozone in Amazon Basin and Rio de Janeiro megacity. For tracer transport and dispersion, it is demonstrated the model capabilities to simulate the volcanic ash 3-d redistribution associated with the eruption of a Chilean volcano. Then, the gain of computational efficiency is described with some details. BRAMS has been applied for research and operational forecasting mainly in South America. Model results from the operational weather forecast of BRAMS on 5 km grid spacing in the Center for Weather Forecasting and Climate Studies, INPE/Brazil, since 2013 are used to quantify the model skill of near surface variables and rainfall. The scores show the reliability of BRAMS for the tropical and subtropical areas of South America. Requirements for keeping this modeling system competitive regarding on its functionalities and skills are discussed. At last, we highlight the relevant contribution of this work on the building up of a South American community of model developers.

Material particulado (PM2.5) de queima de biomassa e doenças respiratórias no sul da Amazônia brasileira / Particulate matter (PM2.5) of biomass burning emissions and respiratory diseases in the south of the Brazilian Amazon

OBJETIVOS: Analisar espacialmente o efeito da exposição ao material particulado (PM2.5) na ocorrência de doenças do aparelho respiratório de crianças de um a quatro anos e de idosos com sessenta e cinco anos ou mais nos municípios do Estado de Mato Grosso em 2004. MÉTODOS: Trata-se de um estudo ecológico em duas etapas. A primeira foi uma investigação da autocorrelação espacial global da prevalência de internações por doenças respiratórias e do percentual de horas críticas de concentração do material particulado nos municípios do estado de Mato Grosso, empregando-se o método bayesiano empírico para minimização das flutuações aleatórias dos indicadores e a estatística Moran "global". A segunda, uma regressão múltipla espacial, teve como variáveis resposta a prevalência de internações por doenças respiratórias, e como variável de exposição o percentual de horas críticas anuais. Para ajuste, foram utilizadas variáveis proxies de poluição do ar, variáveis de atenção à saúde e de condições de vida da população. RESULTADOS: Não foram observados padrões espaciais globais de prevalência de doenças respiratórias em grupos sensíveis nos municípios, mas evidenciou-se elevada dependência espacial do percentual de horas críticas anuais de concentração do material particulado. Na regressão múltipla, foram observadas associações estatisticamente significativas entre a prevalência de internações por doenças respiratórias e o percentual de horas críticas anuais de material particulado. CONCLUSÕES: As emissões de material particulado originadas de queimadas na Amazônia Legal estão relacionadas à prevalência de internações por doenças respiratórias em grupos populacionais sensíveis nos municípios do Estado de Mato Grosso.

Química atmosférica na Amazônia: a floresta e as emissões de queimadas controlando a composição da atmosfera amazônica / Atmospheric chemistry in Amazonia: the forest and the biomass burning emissions controlling the composition of the Amazonian atmosphere

Entender os processos naturais que regulam a composição da atmosfera é crítico para que se possa desenvolver uma estratégia de desenvolvimento sustentável na região. As grandes emissões de gases e partículas durante a estação seca provenientes das queimadas alteram profundamente a composição da atmosfera amazônica na maior parte de sua área. As concentrações de partículas de aerossóis e gases traço aumentam por fatores de 2 a 8 em grandes áreas, afetando os mecanismos naturais de uma série de processos atmosféricos na região amazônica. Os mecanismos de formação de nuvens, por exemplo, são profundamente alterados quando a concentração de núcleos de condensação de nuvens (NCN) passa de 200 a 300 NCN/cm³ na estação chuvosa para 5.000-10.000 NCN/centímetro cúbico na estação seca. As gotas de nuvens sofrem uma redução de tamanho de 18 a 25 micrômetros para 5 a 10 micrômetros, diminuindo a eficiência do processo de precipitação e suprimindo a formação de nuvens. A concentração de ozônio, um gás importante para a saúde da floresta amazônica passa de cerca de 12 partes por bilhão em volume (ppb) (concentração típica ao meio do dia na estação chuvosa) para valores em regiões fortemente impactadas por queimadas de até 100 ppb, nível que pode ser fitotóxico para a vegetação. O balanço de radiação é fortemente afetado, com uma perda líquida de até 70 por cento da radiação fotossinteticamente ativa na superfície.

Emissões de queimadas em ecossistemas da América do Sul / Emissões de queimadas em ecossistemas da América do Sul

As queimadas que ocorrem majoritariamente em áreas tropicais do planeta, são fontes importantes de poluentes para a atmosfera. Na América do Sul, durante os meses de inverno, uma área, principalmente de ecossistemas de cerrado e floresta, da ordem de 40 mil km² é queimada anualmente. Estas queimadas ocorrem primariamente nas regiões Amazônica e do Brasil Central, porém, através do transporte atmosférico de suas emissões resulta uma distribuição espacial de fumaça sobre uma extensa área, ao redor de 4-5 milhões de km², em muito superior a área onde estão concentradas as queimadas. Durante a combustão de biomassa são emitidos para a atmosfera gases poluentes e partículas de aerossol que interagem eficientemente com a radiação solar e afetam os processos de microfísica e dinâmica de formação de nuvens e a qualidade do ar. Os efeitos destas emissões excedem, portanto, a escala local e afetam regionalmente a composição e propriedades físicas e químicas da atmosfera na América do Sul e áreas oceânicas vizinhas, com potencial impacto em escala global.