Avaliação de modelos de dinâmica de carbono do solo baseada na identificação e estimação de parâmetros

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Valladão, Beatriz Aria, 1997-
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/20.500.12733/16944
Resumo: Orientadores: Kelly Cristina Poldi, Luís Gustavo Barioni
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spelling Avaliação de modelos de dinâmica de carbono do solo baseada na identificação e estimação de parâmetrosEvaluation of soil carbon dynamics models based on parameters identification and estimationCarbono orgânicoCalibraçãoMetamodelosPlanejamento experimentalOrganic carbonParameter estimationCalibrationMetamodelsExperimental designOrientadores: Kelly Cristina Poldi, Luís Gustavo BarioniDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matemática, Estatística e Computação CientíficaResumo: A dinâmica do carbono orgânico do solo (COS) exerce influência no âmbito agrícola e ambiental, pois mudanças em seus estoques podem impactar na segurança alimentar e nas mudanças climáticas. No entanto, monitorar essas alterações em ecossistemas terrestres é custoso, e o entendimento da dinâmica de COS requer combinações de experimentos controlados de curto prazo e estudos de campo de longo prazo. Devido às limitações de disponibilidade de dados observacionais, associadas ao tempo e ao espaço, modelos matemáticos se tornam essenciais para apoiar decisões sobre o impacto de práticas de manejo do solo. Para investigar a capacidade de prever a quantidade total de COS, nesse estudo foram efetuadas a calibração e a avaliação de dois modelos. O modelo multi-compartimental Century é o mais citado na literatura, e possui um submodelo que simula a dinâmica do COS. Baseado nesse submodelo, foi proposto um metamodelo mono-compartimental para comparação. Inicialmente, um conjunto de parâmetros para estimação foi selecionado iterativamente, utilizando ferramentas de análise de sensibilidade local e análise de colinearidade. Com esse procedimento foi possível reduzir a quantidade de parâmetros necessários para estimação nos dois modelos, sendo de oito para dois no submodelo do Century e de três para um no metamodelo. Para quantificar a acurácia e a precisão dos modelos sob diversas condições experimentais, foram gerados dados sintéticos das trajetórias dos estoques de carbono, para representar medições reais. A calibração dos modelos, ou seja, o processo de estimar os valores dos parâmetros de modo a ajustar a simulação aos dados experimentais, foram realizadas usando o algoritmo de otimização Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno (BFGS). Com isso, foi verificada uma instabilidade na recuperação dos parâmetros geradores das curvas sintéticas, quando estimados utilizando poucos anos de dados. Por fim, foi medida a capacidade de generalização e predição dos modelos utilizando a raiz do erro quadrático médio (RMSE). O metamodelo levou 3,5 vezes menos tempo para executar os testes que o submodelo do Century, demonstrando uma vantagem computacional. Apesar da dependência estrutural entre os dois modelos, o metamodelo mono-compartimental proposto é vantajoso quando há baixa disponibilidade de dados para calibração, produzindo erros de previsão menores que o submodelo do Century em que é baseadoAbstract: The dynamics of soil organic carbon (SOC) exerts influence in the agricultural and environmental spheres, as changes in its stocks can impact food security and climate change. However, monitoring these changes in terrestrial ecosystems is costly, and understanding SOC dynamics requires combinations of short-term controlled experiments and long-term field studies. Due to limitations in the availability of observational data, associated with time and space, mathematical models become essential to support decisions about the impact of soil management practices. To investigate the ability to predict the total amount of SOC, in this study two models were calibrated and evaluated. The Century multi-compartmental model is the most cited in the literature, and has a submodel that simulates the dynamics of the COS. Based on this submodel, a mono-compartmental metamodel was proposed for comparison. Initially, a set of parameters for estimation was selected iteratively, using the tools of local sensitivity analysis and collinearity analysis. With this procedure, it was possible to reduce the number of parameters needed for estimation in both models, from eight to two in the Century submodel and from three to one in the metamodel. To quantify the accuracy and precision of the models under various experimental conditions, synthetic data of carbon stock trajectories were generated to represent real measurements. Model calibration, that is, the process of estimating the parameter values in order to fit the simulation to the experimental data, was performed using the Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno (BFGS) optimization algorithm. As a result, there was instability in the recovery of the parameters generating the synthetic curves, when estimated using a few years of data. Finally, the generalization and prediction capacity of the models was measured using the root mean square error (RMSE). The metamodel took 3.5 times less time to run the tests than the Century submodel, demonstrating a computational advantage. Despite the structural dependency between the two models, the proposed mono-compartmental metamodel is advantageous when there is low availability of data for calibration, producing smaller forecast errors than the Century submodel on which it is basedAbertoMestradoMatemática AplicadaMestra em Matemática Aplicada[s.n.]Poldi, Kelly Cristina, 1979-Barioni, Luis Gustavo, 1969-Cerri, Carlos Eduardo PellegrinoMotta, Mariana RodriguesUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Instituto de Matemática, Estatística e Computação CientíficaPrograma de Pós-Graduação em Matemática AplicadaUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASValladão, Beatriz Aria, 1997-20222022-12-20T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdf1 recurso online (120 p.) : il., digital, arquivo PDF.https://hdl.handle.net/20.500.12733/16944VALLADÃO, Beatriz Aria,. Avaliação de modelos de dinâmica de carbono do solo baseada na identificação e estimação de parâmetros. 2022. 1 recurso online (120 p.) Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matemática, Estatística e Computação Científica, Campinas, SP. Disponível em: https://hdl.handle.net/20.500.12733/16944. 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