EFEITOS DA SUBIDA DO NÍVEL DO MAR NA INUNDAÇÃO COSTEIRA NA COSTA LESTE DO BRASIL DEVIDO ÀS MUDANÇAS CLIMÁTICAS Raquel Toste Ferreira dos Santos TesedeDoutoradoapresentadaaoProgramade Pós-graduação em Engenharia Civil, COPPE, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Doutor em Engenharia Civil. Orientadores: Luiz Landau Luiz Paulo de Freitas Assad Rio de Janeiro Março de 2017 EFEITOS DA SUBIDA DO NÍVEL DO MAR NA INUNDAÇÃO COSTEIRA NA COSTA LESTE DO BRASIL DEVIDO ÀS MUDANÇAS CLIMÁTICAS Raquel Toste Ferreira dos Santos TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO LUIZ COIMBRA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA (COPPE) DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE DOUTOR EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA CIVIL. Examinada por: Prof. Luiz Landau, D.Sc. Prof. Luiz Paulo de Freitas Assad, D.Sc. Prof. Fernando Pellon de Miranda, Ph.D. Prof. Alexandre Macedo Fernandes, Ph.D. Prof. Mauro Cirano, Ph.D. RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL MARÇO DE 2017 Santos, Raquel Toste Ferreira dos Efeitos da subida do nível do mar na inundação costeira na costa leste do Brasil devido às mudanças climáticas/Raquel Toste Ferreira dos Santos. – Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE, 2017. XXVIII, 184 p.: il.; 29,7cm. Orientadores: Luiz Landau Luiz Paulo de Freitas Assad Tese (doutorado) – UFRJ/COPPE/Programa de Engenharia Civil, 2017. Referências Bibliográficas: p. 161 – 181. 1. mudanças climáticas. 2. inundação costeira. 3. modelagem hidrodinâmica. I. Landau, Luiz et al. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE, Programa de Engenharia Civil. III. Título. iii “If there is magic in this planet, it is contained in water” Loren Eiseley iv Agradecimentos Após quatro anos de doutorado e convívio com amigos e colegas de trabalho, muitas são as pessoas a agradecer, tanto pelo crescimento profissional, quanto pelo companheirismo e auxílio ao longo dessa etapa. Em primeiro lugar, gostaria de agradecer aos meus orientadores, os professores LuizLandaueLuizPaulodeFreitasAssad, peloapoioepelaoportunidadedetraba- lhar e desenvolver a tese no Laboratório de Métodos Computacionais em Engenharia (LAMCE). Durante o período que trabalhamos juntos, os desafios foram constantes, porém sempre recebi apoio às minhas iniciativas de pesquisa e pude contar com o suporte e incentivo de ambos. A liberdade e a confiança que depositaram em mim foram de fato fundamentais para a concretização dessa tese. ÀANP,AgênciaNacionaldoPetróleo,GásNaturaleBiocombustíveis,peloapoio financeiroatravésdeseuProgramadeFormaçãodeRecursosHumanos(PRH-ANP). Aos professores Fernando Pellon de Miranda, Alexandre Macedo Fernandes e Mauro Cirano, por terem gentilmente aceitado o convite para participação na banca de avaliação do trabalho e pelos comentários, sugestões e críticas que foram muito úteis para a elaboração da versão final da tese e que também serão valiosos para futuros trabalhos. A todos os amigos do Núcleo de Modelagem Ambiental, pela troca constante de conhecimento e sugestões. Todos foram e são muito importantes, cada um com sua especialidade e conhecimento, além de terem se tornado queridos amigos. Em especial, gostaria de agradecer à Carina por todo apoio desde a minha entrada no doutorado. A toda a equipe do LAMCE, principalmente à equipe de TI, por sempre terem sido solícitos, e do Laboratório de Sensoriamento Remoto por Radar Aplicado à Indústria do Petróleo (LabSAR), principalmente ao Adriano, pelo auxílio na elabo- ração dos modelos digitais de terreno e fornecimento das bases topográficas. Ao Fábio, pelo carinho e por todo o incentivo que me faz ter mais confiança e me ajuda a superar os meus desafios. Por fim, gostaria de agradecer à minha família, em especial, à minha mãe, ao meu irmão e ao meu tio Carlos por sempre estarem ao meu lado, compreenderem minhas ausências e me darem suporte ao longo de minha caminhada. v Resumo da Tese apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Doutor em Ciências (D.Sc.) EFEITOS DA SUBIDA DO NÍVEL DO MAR NA INUNDAÇÃO COSTEIRA NA COSTA LESTE DO BRASIL DEVIDO ÀS MUDANÇAS CLIMÁTICAS Raquel Toste Ferreira dos Santos Março/2017 Orientadores: Luiz Landau Luiz Paulo de Freitas Assad Programa: Engenharia Civil As alterações no padrão de inundação costeira, assim como na hidrodinâmica regional, do início para o final do século foram investigadas na costa leste do Brasil, com base nas anomalias entre dois experimentos de regionalização baseados nos resultados do modelo do sistema terrestre HadGEM2-ES para a rodada histórica e o cenário RCP4.5 do Coupled Model Intercomparison Project fase 5. Foi realizada a modelagem hidrodinâmica em dez grades numéricas (1/3° a 27 m de resolução) com o Regional Ocean Modelling System, com foco em duas áreas de estudo: a região de entorno da Baía de Guanabara (RJ) e entre os Municípios de Una e Belmonte (BA). Foram verificados a migração da origem e a intensificação da Corrente do Brasil, o aumento médio da temperatura da superfície do mar em 1,44°C e do nível do mar (NM) médio em 0,78 m. Foram observadas variações espaciais nas taxas de subida do NM e uma taxa média de 7,5 mm/ano junto à costa. Foram propostos dois índices de vulnerabilidade costeira às mudanças climáticas baseados nos resultados das simulações. O primeiro índice apontou que mais de 75% da costa entre 12 e 30°S apresentam alta vulnerabilidade à subida do NM. O segundo foi aplicado às duas áreas de estudo que majoritariamente registraram vulnerabilidade moderada às inundações costeiras. Em ambas as áreas foram observadas a expansão das áreas sujeitas à inundação e a maior persistência do alagamento nas áreas previamente inundáveis, indicando perdas nas áreas de manguezais, redução da faixa de areia das praias e aumento do espelho d’água das lagoas costeiras. Os resultados encontrados demonstram a importância do estudo das mudanças climáticas e da aplicação de métodos que permitam a avaliação de seus efeitos na zona costeira. vi Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Science (D.Sc.) SEA LEVEL RISE EFFECTS ON COASTAL FLOODING IN THE BRAZILIAN EAST COAST DUE TO CLIMATE CHANGES Raquel Toste Ferreira dos Santos March/2017 Advisors: Luiz Landau Luiz Paulo de Freitas Assad Department: Civil Engineering Changesoncoastalfloodingpatterns, aswellasonregionalhydrodynamics, from the beginning to the end of the century were evaluated in the east coast of Brazil, based on the anomalies from two downscaling experiments using the Earth System model HadGEM2-ES outputs for historical and RCP4.5 runs from Coupled Model Intercomparison Project phase 5. Ocean modeling was applied on ten numerical grids (1/3° to 27 m of resolution) focusing on two study areas: the Guanabara Bay surroundings (RJ) and the region between Una and Belmonte Municipalities (BA). It was observed the displacement on Brazil Current (BC) origin, BC intensification, andtheincreasingofmeanseasurfacetemperaturesin1.44°Candthemeansealevel rise (SLR) in 0.78 m. Spatial variations on SLR rates were observed with an average rate of 7.5 mm/year close to the coast. Two coastal vulnerability indices to climate changes were also proposed based on modeling results. The first index showed more than 75% of the coast between 12 and 30°S with high vulnerability to SLR. The second was applied to the two study areas that mostly exhibited moderated vulnerability to coastal floodings. In both areas, more regions would be submitted to floodings and regions already submitted to wetting and drying processes would be flooded for longer periods, leading to mangrove losses, narrower sandy beaches and larger water surface areas of coastal lagoons. The results highlight the importance of studying climate changes and applying methods to allow the evaluation of its effects on coastal zones. vii Sumário Lista de Figuras xi Lista de Tabelas xxii Lista de Símbolos xxiv Lista de Abreviaturas xxvi 1 Introdução 1 2 Objetivos 4 2.1 Objetivos específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3 Mudanças climáticas 6 3.1 Cenários . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3.2 Modelos Climáticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3.2.1 HadGEM2-ES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 3.3 Experimentos CMIP5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.3.1 Experimento 3.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.3.2 Experimento 3.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.3.3 Experimento 4.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.4 Projeções climáticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.4.1 Projeções de curto prazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.4.2 Projeções de longo prazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.4.3 Nível do mar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 4 Vulnerabilidade Costeira 26 4.1 Inundação costeira . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 5 Área de estudo 29 5.1 Caracterização atmosférica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 5.2 Caracterização oceanográfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 5.3 Área de estudo 1 – Litoral sul da Bahia . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 viii 5.4 Área de estudo 2 – Baía de Guanabara . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 6 Material e Métodos 38 6.1 Regional Ocean Modelling System - ROMS . . . . . . . . . . . . . . . 38 6.1.1 Sistemas de coordenadas e discretização espacial . . . . . . . . 39 6.1.2 Módulo de alagamento e secamento . . . . . . . . . . . . . . . 41 6.1.3 Aninhamento de grades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 6.2 Preprocessamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 6.2.1 Microtopografia de manguezais . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 6.2.2 Microtopografia da linha de costa . . . . . . . . . . . . . . . . 50 6.3 Grades Numéricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 6.4 Experimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 6.4.1 Condição atual (Experimento 1) . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 6.4.2 Projeções futuras (Experimento 2) . . . . . . . . . . . . . . . 57 6.5 Modelagem computacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 6.5.1 Modelo Hidrodinâmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 6.5.2 Análise dos resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 7 Resultados 78 7.1 Regionalização do HadGEM2-ES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 7.1.1 Corrente do Brasil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 7.1.2 Temperatura da superfície do mar . . . . . . . . . . . . . . . . 81 7.1.3 Altura da superfície do mar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 7.2 Mudanças na hidrodinâmica regional . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 7.2.1 Corrente do Brasil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 7.2.2 TSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 7.2.3 Temperatura e salinidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 7.2.4 Nível do mar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 7.3 Inundação Costeira . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 7.3.1 Área de estudo 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 7.3.2 Área de estudo 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 7.4 Vulnerabilidade Costeira . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 8 Discussão 146 8.1 Hidrodinâmica regional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 8.2 Inundação costeira . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 8.3 Vulnerabilidade costeira . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 8.4 Considerações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 9 Conclusões 158 ix Referências Bibliográficas 161 x