Estimativa da evapotranspiração da cana-de-açúcar por meio de modelagem do balanço de energia

• Ano de defesa: 2014
• Autor(a) principal: Bruno Silva Oliveira
• Orientador(a): Elisabete Caria Moraes, Bernardo Friedrich Theodor Rudorff
• Banca de defesa: Gabriel Pereira, Marcos Rodrigo Carrasco Benavides
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Sensoriamento Remoto
• País: BR
• Resumo em Inglês: Sugarcane is a crop of great economic importance in Brazil, mainly due to the growing demand for ethanol, resulting from both the mixture of ethanol in gasoline and the popularity of flex fuel cars after the year 2003. With the growing expansion of this crop, it is important to evaluate its impacts over energy flows at the surface and in evapotranspiration (ET). ET is one of the most important variables in the hydrological cycle, and it is related with energy, water availability and climate. Moreover, ET is a fundamental variable in agrometeorological models to estimate agricultural productivity. In situ point measures restrict the energy fluxes and ET estimates for small areas. In this sense, the use of remote sensing data in conjunction with surface data allows modeling energy balance, and thereby, obtaining energy fluxes and ET for large areas. This study aimed to estimate the surface energy balance and daily actual evapotranspiration ($ET_{a}$) for sugarcane crop in the administrative region of Ribeirão Preto, São Paulo State, using MODIS/Terra products and surface meteorological data. For this purpose, the METRIC (\emph{Mapping EvapoTranspiration at high Resolution with Internalized Calibration}) model was used. Expanded estimates for São Paulo State were also performed, using regional model RegCM4 to generate meteorological input data used in METRIC model, aiming to overcome the restrictions provided by point measurements. The results show that variables estimated by METRIC model varied according to the available surface energy and sugarcane development stage, responding to biophysical variations characteristics of each phenological stage of the crop. In the experimental site the net radiation was overestimated by 12\% ($R^{²}$= 0.94), ranging from 399 W $m^{-2}$ and 727 W $m^{-2}$, being strongly influenced by surface albedo, which during dry season showed higher deviations in its estimate. Soil and sensible heat fluxes showed poor concordance with field measurements, unlike the latent heat flux, which was underestimated by 4\% ($R^{²}$= 0.95). $K_{c}$ values for sugarcane estimated by METRIC were 0.13 during sprouting, 0.28 during tillering, 0.66 during growth and 0.62 at maturation stage. The $ET_{a}$ was overestimated by 4\% ($R^{²}$= 0.99), RMSE= 0.24 and MAE= 0.16 mm $day^{-1}$ in the experimental site, satisfactorily following the values measured in situ during different phenological stages of the crop. The difficulty to calibrate the model during dry season led to inconsistent values of $ET_{a}$ in the administrative region of Ribeirão Preto, however, for rainy season the results were in accordance with the literature. The application of $ET_{a}$ estimate for São Paulo State presents potential, accompanying both seasonality and spatial variability when compared to ET of MODIS product.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m19/2014/02.11.14.02

A cana-de-açúcar é uma cultura agrícola de grande importância econômica no Brasil, principalmente devido à crescente demanda de etanol, decorrente tanto da mistura do etanol na gasolina quanto da popularização dos carros flex após o ano de 2003. Com a crescente expansão da cultura, é importante avaliar os impactos gerados pela mesma nos fluxos de energia na superfície e na evapotranspiração (ET). A ET é uma das variáveis mais importantes no ciclo hidrológico, estando relacionada com a energia, a disponibilidade hídrica e o clima. Além disso, a ET é uma variável fundamental em modelos agrometeorológicos de estimativa de produtividade agrícola. Medidas puntuais \emph {in situ} restringem a obtenção dos fluxos de energia e da ET para pequenas áreas. Neste sentido, o uso de dados de sensoriamento remoto, em conjunto com dados de superfície, permite realizar a modelagem do balanço de energia e assim obter estimativas dos fluxos de energia e da ET para extensas áreas. Este estudo objetivou estimar as componentes do balanço de energia e a evapotranspiração real diária ($ET_{a}$) para a cultura da cana-de-açúcar na Região Administrativa (RA) de Ribeirão Preto, Estado de São Paulo, utilizando dados do sensor MODIS/Terra e dados meteorológicos de superfície. O modelo utilizado foi o METRIC (\emph{Mapping EvapoTranspiration at high Resolution with Internalized Calibration}). Estimativas expandidas para o Estado de São Paulo também foram realizadas, utilizando o modelo regional RegCM4 para gerar os dados meteorológicos de entrada do METRIC, buscando superar a restrição que os dados puntuais oferecem. Os resultados encontrados mostram que as variáveis estimadas pelo METRIC variaram de acordo com a energia disponível e o estádio de desenvolvimento da cana-de-açúcar, respondendo às variações biofísicas características de cada fase fenológica da cultura. No sítio experimental o saldo de radiação foi superestimado em 12\% ($R^{²}$=0,94), variando entre 399 W $m^{-2}$ e 727 W $m^{-2}$, mostrando-se fortemente influenciado pelo albedo da superfície, que durante a estação seca apresentou maiores desvios em sua estimativa. Os fluxos de calor no solo e calor sensível apresentaram baixa concordância com os valores medidos em campo, diferentemente do fluxo de calor latente, que foi subestimado em 4\% ($R^{²}$=0,95). Os valores do coeficiente da cultura ($K_{c}$) estimados pelo METRIC para cana-de-açúcar foram de 0,13 na brotação, 0,28 no perfilhamento, 0,66 no crescimento e 0,62 na maturação. A $ET_{a}$ foi superestimada em 4\% ($R^{²}$=0,99), com raiz quadrada do erro quadrático médio (RMSE) de 0,24 e erro absoluto médio (MAE) de 0,16 mm $dia^{-1}$ no sítio experimental, acompanhando satisfatoriamente os valores medidos in situ durante as diferentes fases fenológicas da cultura. A dificuldade de calibração do modelo ao longo da estação seca gerou valores inconsistentes de $ET_{a}$ na RA de Ribeirão Preto, porém para a estação chuvosa os resultados concordaram com os da literatura. A aplicação da estimativa de $ET_{a}$ para o Estado de São Paulo apresenta potencial, acompanhando tanto a sazonalidade quanto a variabilidade espacial quando comparada com a ET do produto MODIS.