Predição de trocas de carbono entre a biosfera e a atmosfera na FLONA-Tapajós a partir de variáveis ambientais

• Ano de defesa: 2022
• Autor(a) principal: Bauer, Lucas de Oliveira [UNIFESP]
• Orientador(a): Rizzo, Luciana Varanda [UNIFESP]
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• dARK ID: ark:/48912/001300001shc8
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Universidade Federal de São Paulo
• Palavras-chave em Português: Análise Ambiental Integrada; Amazônia; Ciência dos dados; Aprendizagem de máquina; Redes Neurais Artificiais; Interação biosfera-atmosfera; Fluxos de CO2; Integrated Environmental Analysis; Amazon rainforest; Data science; Machine learning; Artificial Neural Networks; Biosphere-atmosphere interactions; CO2 fluxes
• Link de acesso: https://repositorio.unifesp.br/handle/11600/66187

A floresta Amazônica desempenha um papel importante no balanço de carbono terrestre, atuando como um sumidouro de carbono através da atividade fotossintética, e, ao mesmo tempo, como fonte de carbono por meio das emissões por queimadas, áreas alagadas e processos metabólicos terrestres. As trocas de CO2 entre a floresta e a atmosfera podem ser estimadas a partir de observações diretas na superfície, pela técnica de covariância de vórtices turbulentos. Porém, tais observações possuem uma representatividade espacial pequena, que não pode ser extrapolada para toda a Amazônia devido à heterogeneidade do balanço de carbono na floresta. O uso de estratégias de Ciência dos Dados pode ser uma alternativa para ampliar a escala espacial das estimativas de balanço de carbono, desde que sejam conhecidas as relações entre os fluxos de CO2 e variáveis ambientais, que muitas vezes são relações não-lineares. Este trabalho tem como objetivo construir modelos de aprendizagem de máquina para prever as seguintes métricas de balanço de CO2: troca líquida de CO2 (NEE entre a floresta e a atmosfera), produtividade primária bruta (GPP) e respiração (Re). Para isso, foram utilizados dados diários de fluxos turbulentos e de variáveis ambientais monitoradas entre 2002 e 2005 na Floresta Nacional dos Tapajós (FLONA-Tapajós), na Amazônia. Como preditores, foram consideradas variáveis meteorológicas de superfície, fluxos de calor sensível e latente, espessura óptica de aerossóis e índice de área foliar. Foram desenvolvidos modelos de regressão por Random Forest (RF) e Redes Neurais Artificiais (RNA). Também foram construídos modelos para a classificação de cenários de fonte de carbono, sumidouro e condição neutra. Os modelos de regressão tiveram coeficientes de determinação (R2) entre 0,33 e 0,65 para os modelos de RF, e entre 0,44 e 0,58 para os modelos de RNA. O modelo de regressão de NEE por RNA reproduziu corretamente o comportamento sazonal e os valores extremos. Apesar da variável GPP ter alcançado os maiores valores de R2, ambos modelos de RF e RNA falharam na previsão dos valores extremos dessa variável. A acurácia dos modelos de classificação variou entre 61% e 70%, sendo que o método de RF apresentou melhor desempenho. Dentre as variáveis preditoras, aquelas que apresentaram maior relevância nos modelos construídos incluem: radiação incidente no topo da atmosfera, fluxos de calor, índice de área foliar e temperatura. Os resultados obtidos sugerem a viabilidade de predição de fluxos de carbono na Amazônia a partir de variáveis ambientais, constituindo o primeiro passo para a extrapolação de observações de fluxo locais para a escala regional. Já os modelos de classificação permitiram identificar as condições ambientais que favorecem a ocorrência de diferentes cenários de balanço de carbono e produtividade primária.