Estimativa dos valores de Saldo de Radiação e de Fluxo de Calor

VI Seminário Latino Americano de Geografia Física
II Seminário Ibero Americano de Geografia Física
Universidade de Coimbra, Maio de 2010
Estimativa dos valores de Saldo de Radiação e de Fluxo de Calor no Solo
no município de São José do Sabugi – PB (Brasil), utilizando o algoritmo
SEBAL
Célia Cristina Clemente Machado1; Josiclêda Domiciano Galvíncio1; Tiago Henrique
de Oliveira1
1
Dept. Ciências Geográficas, Universidade Federal de Pernambuco (UFPE) – Brasil
[email protected]; [email protected]; [email protected]
1. Introdução
Em estudos ambientais envolvendo sensoriamento remoto e imageamento por
satélite é necessária a utilização de algoritmos para estimar elementos da superfície
terrestre. Dentre os algoritmos existentes, tem-se destacado o Surface Energy
Algorithm for Land (SEBAL), desenvolvido por Bastiaanssen et al. (1998a; 1998b), a
partir do qual se obtêm os diferentes componentes do balanço de energia. A grande
vantagem do SEBAL é a de proporcionar o balanço de energia de forma efetiva e
econômica. Permite grande cobertura espacial e dependendo do sensor orbital
utilizado pode também apresentar grande resolução espacial. O SEBAL tem sido
largamente utilizado em diversos estudos ambientais com resultados satisfatórios
(Trezza, 2002; Silva et al., 2005; Teixeira et al., 2009).
O saldo de radiação, um dos componentes do balanço de energia, representa a
energia disponível na superfície aos processos de aquecimento do ar e do solo, à
fotossíntese e como calor latente. O fluxo de calor no solo representa a fração do
balanço de energia transferida por processos de condução ou difusão térmica. Ambos
são de suma importância em diversas áreas de aplicação, especialmente na
agricultura: o saldo de radiação é uma variável na estimativa da evapotranspiração (ET)
e no cálculo do balanço hídrico essenciais para o correto manejo dos recursos hídrico
(Silva et al., 2005) e o fluxo de calor no solo influencia na atividade metabólica das
células das raízes, no crescimento radicular, assim como na velocidade de germinação
das sementes e desenvolvimento das plântulas.
Este trabalho teve como objetivo observar a variação dos valores de saldo de
radiação e do fluxo de calor no solo utilizando o algoritmo SEBAL e imagens do satélite
Landsat 5 – TM de décadas diferentes no município de São José do Sabugi – PB (Brasil),
um município frequentemente castigado pela seca.
1
Tema 2- Expansão e democratização das novas tecnologias em Geografia Física:
aplicações emergentes
2. Material e métodos
2.1. Área de estudo
O município do São José do Sabugi, localizado no estado da Paraíba – Brasil (figura
1), insere-se na mesoregião da Borborema e no bioma da Caatinga (PROBIO, 2004).
Situado na área de abrangência do semi-árido, apresenta um clima quente e seco, com
um total anual de precipitação de cerca de 600 mm (dado da AESA – Agência Executiva
de Gestão das Águas do Estado da Paraíba) e temperaturas que oscilam de 21ºC à 36ºC
(Galvíncio et al., 2009). Frequentemente, esta região está sob os efeitos danosos dos
longos períodos de estiagem.
Elaborado através da utilização de imagem do
sensor Thematic Mapper do satélite Landsat 5
obtida através de acesso ao catálogo de imagem do
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPE.
Figura 1. Mapa de localização da área de estudo.
2.2. Processamento das imagens de satélite, TOPODATA e PROBIO Caatinga
As imagens de satélite utilizadas foram do Mapeador Temático do satélite Landsat
5, cedidas pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), da órbita e ponto
215/065 com datas de passagem em 15 de Agosto de 1988, 11 de Agosto de 1998 e 6
de Agosto de 2008. O pré-processamento das imagens de satélite, o cômputo dos
componentes do balanço de energia e a montagem final dos layout foram realizados
utilizando os programas Erdas Imagine 9.3 e ArcGis 9.3 (licença do Departamento de
Ciências Geográficas da UFPE).
Para geração dos mapas de elevação e declividade, utilizou-se como base os dados
de radar SRTM, obtidos através de acesso ao site TOPODATA. Para identificação das
regiões fitoecológicas, utilizou-se a base de dados gerada através do projeto PROBIO
(2004).
2
VI Seminário Latino Americano de Geografia Física
II Seminário Ibero Americano de Geografia Física
Universidade de Coimbra, Maio de 2010
2.3. SEBAL
O algoritmo utilizado para obtenção do saldo de radiação e do fluxo de calor no solo
foi o Surface Energy Balance Algorithm for Land (SEBAL) desenvolvido por Bastiaanssen
(1998a; 1998b) e amplamente empregado por Silva (2005, 2008), cujas etapas de
obtenção são descritas abaixo.
A calibração radiométrica (Eq. 1) é o processo de conversão do Número digital – ND
de cada pixel da imagem, em Radiância espectral monocromática L λi . O cômputo da
radiância ou calibração radiométrica é obtido pela equação proposta por Markham e
Baker (1987):
L
λi
bi
ai
ai
(1)
ND
255
onde a e b são as radiâncias espectrais mínima e máxima (Wm−2sr −1μm−1 ), ND é
a intensidade do pixel (numero inteiro compreendido entre 0 e 255) e i corresponde às
bandas (1, 2, ... e 7) do satélite Landsat 5. Os coeficientes de calibração utilizados para
as imagens TM são os propostos por Chander e Markham (2003), apresentados na
Tabela 1.
Tabela 1. Descrição das bandas do Mapeador Temático (TM) do satélite Landsat 5 com os
correspondentes intervalos de comprimento de onda, coeficientes de calibração (radiância
mínima – a e máxima – b) e irradiâncias espectrais no topo da atmosfera (TOA).
Coeficiente de Calibração
Bandas
Banda 1 (azul)
Banda 2 (verde)
Banda 3 (vermelho)
Banda 4 (IV-próximo)
Banda 5 (IV-médio)
Banda 6 (IV-termal)
Banda 7 (IV-médio)
Comprimento de
Onda (μm)
0,45 – 0,52
0,52 – 0,60
0,63 – 0,69
0,76 – 0,90
1,55 – 1,75
10,4 – 12,5
2,08 – 2,35
(Wm
2
sr
1
μm
1
)
De 01/03/1984 até
04/05/2003
a
b
Após 05/05/2003
-1.52
-2.84
-1.17
-1.51
-0.37
1.2378
-0.15
-1.52
-2.84
-1.17
-1.51
-0.37
1.2378
-0.15
152.10
296.81
204.30
206.20
27.19
15.303
14.38
Irradiância Espectral no
Topo da Atmosfera
(Wm
a
2
μm
1
)
b
193.00
365.00
264.00
221.00
30.20
15.303
16.50
1957
1826
1554
1036
215.0
80,67
A reflectância é a razão entre o fluxo radiante refletido e o fluxo radiante incidente
obtida segundo a equação (Allen et al., 2002) (Eq. 2):
ρ λi
π . L λi
k
λi
(2)
. cos Z . d r
onde Lλi é a radiância espectral de cada banda, Kλi é a irradiância solar espectral de
cada banda no topo da atmosfera (Wm−2 μm−1 , Tabela 1), Z é o ângulo zenital solar e
3
Tema 2- Expansão e democratização das novas tecnologias em Geografia Física:
aplicações emergentes
dr é o quadrado da razão entre a distância média Terra-Sol (ro) e a distância Terra-Sol
(r) em dado dia do ano (DSA). As restantes etapas do SEBAL estão representadas no
fluxograma da figura 2.
6.IVDN e IAF
1.Radiância
Espectral
2.Reflectância
4.Transmissividade
atmosférica
3.Albedo no
Topo da
Atmosfera
5.Albedo da
Superfície
7.Emissividades da
Superfície
10.Radiação de
Onda Curta
Incidente
8.Temperatura
da
Superfície
11.Emissividade
atmosférica
12.Radiação de
Onda Longa
Incidente
13.Saldo de Radiação
9.Radiação de
Onda Longa
Emitida
14.Fluxo de calor no solo
Figura 2. Fluxograma das etapas do processamento do balanço de radiação à superfície e
do fluxo de calor no solo.
O saldo de radiação à superfície Rn (W.m-2) é dado pela soma dos fluxos de radiação
de ondas curtas e ondas longas e é computado pela seguinte equação de Bastiaanssen
(1995) (Eq. 3):
(3)
Rn
Rs
Rs
RL
RL
(1
)RL
o
onde R s é a radiação de onda curta incidente (ou radiação solar global), é o albedo
corrigido, R L é a radiação de onda longa emitida pela atmosfera na direção de cada
pixel, R L é a radiação de onda longa emitida por cada pixel e o é a emissividade de
cada pixel.
O fluxo de calor no solo G (W.m-2) foi obtido pela equação empírica de Bastiaanssen
(2000) (Eq. 4), que representa valores próximos ao meio-dia:
4
(4)
G
Ts (0,0038
0.0074 α)(1
0,98 NDVI ) Rn
onde T s é a temperatura da superfície (°C), α o albedo da superfície e NDVI o índice
de vegetação da diferença normalizada, todos computados pixel a pixel.
4
VI Seminário Latino Americano de Geografia Física
II Seminário Ibero Americano de Geografia Física
Universidade de Coimbra, Maio de 2010
3. Resultados e discussão
Na figura 3 estão representadas as cartas do saldo de radiação (Rn) para as imagens
de satélite analisadas, na figura 4 as cartas de elevação e declividade e na figura 5 a
distribuição das regiões fitoecológicas no município de São José do Sabugi.
Figura 3. Saldo de radiação para os dias 15 de Agosto de 1988, 11 de Agosto de 1998 e 6 de
Agosto de 2008 no município de São José do Sabugi.
5
Tema 2- Expansão e democratização das novas tecnologias em Geografia Física:
aplicações emergentes
Figura 4. Elevação (m) e declividade (graus) no município de São José do Sabugi.
Figura 5. Mapa de uso e cobertura do solo. Modificado de PROBIO (2004).
6
VI Seminário Latino Americano de Geografia Física
II Seminário Ibero Americano de Geografia Física
Universidade de Coimbra, Maio de 2010
Em todas as imagens processadas, os menores valores de Rn (< 450W/m2)
encontraram-se nas áreas de menor altitude e declividade e zonas classificadas pela
PROBIO como áreas de agropecuária (zonas mais a norte do município). Estes valores
de Rn foram encontrados em parte do Lago de Sobradinho (Silva et al., 2005) e na
bacia hidrográfica do rio Moxotó (Oliveira, 2009) em solo exposto. Em contrapartida,
nas áreas de maior altitude (>550m) e declividade (>25 graus) e nas zonas classificadas
pela PROBIO (2004) como áreas de savana estépica (zonas mais a sul do município)
apresentaram os maiores valores de Rn (> 550W/m2). Estas áreas de maior altitude e
declividade do município encontram-se mais preservadas justificando a existência de
savana estépica arborizada e parque, regiões fitoecológicas com vegetação espaçada,
caracterizadas por elementos arbóreos com até 5 metros de altura, mais ou menos
densos, com total decidualidade na época desfavorável. A cobertura vegetal
usualmente mais densa destas regiões justifica os maiores valores de saldo de radiação
observados. Pela análise da tabela 2, é possível constatar que a média dos valores de
Rn foi menor na imagem de 1998 e maior na imagem de 2008. A porcentagem de
pixels na classe de valores de Rn acima de 450 W.m-2 foi muito superior na imagem de
2008 (92% dos pixels) enquanto que na imagem de 1998 a maior porcentagem dos
pixels se encontrava abaixo de 450 W.m-2 (64% dos pixels).
Tabela 2. Distribuição em porcentagem das classes de saldo de radiação (Rn) e a média
obtida no município de São José do Sabugi.
Rn
(W.m-2)
< 400
15-08-1988
11-08-1998
06-08-2008
6,40%
27,82%
0,85%
400-450
20,30%
36,00%
7,19%
450-500
40,96%
23,52%
35,16%
500-550
23,67%
11,44%
36,33%
> 550
8,67%
1,22%
20,47%
Média
479
434
510
Estes resultados foram muito influenciados pelo regime particular de precipitação
observado nesses anos. O ano de 1998 foi ano de El Niño e de seca acentuada no
nordeste (Melo, 1999), resultando num solo com baixa disponibilidade hídrica,
vegetação com estresse hídrico e grande parte sem folhas, justificando os baixos
valores de saldo de radiação observados para esse ano. Por outro lado, as
7
Tema 2- Expansão e democratização das novas tecnologias em Geografia Física:
aplicações emergentes
precipitações acima da média histórica observadas em 2008 (SEMA & INGÁ, 2008),
resultaram num solo mais úmido e vegetação mais densa e vigorosa, justificando os
maiores valores de Rn observados na imagem desse ano. De acordo com Daughtry et
al. (1990), o erro médio entre medições e estimativas de Rn com sensoriamento
remoto são inferiores a 7%.
As peculiaridades climáticas sofridas nos anos de 1998 e 2008 são também visíveis
nas cartas de fluxo de calor no solo (G) computadas (tabela 3 e figura 6). A carta de G
de 1998 apresentou 98% dos pixels com G superior a 68 W.m-2. Tais valores de G foram
encontrados na bacia hidrográfica do rio Moxotó - PE (Oliveira et al., 2009) em áreas
com atividades antrópicas e de solo exposto.
Tabela 3. Distribuição em porcentagem das classes de fluxo de calor no solo (G) e a média
obtida no município de São José do Sabugi.
G (W.m-2)
< 60
15-08-1988
0,80%
11-08-1998
0,02%
06-08-2008
24,25%
60-64
7,45%
0,11%
22,87%
64-68
22,70%
0,67%
34,95%
68-72
60,12%
4,62%
17,91%
> 72
8,93%
94,59%
0,02%
Média
68,8
76,8
61,3
8
VI Seminário Latino Americano de Geografia Física
II Seminário Ibero Americano de Geografia Física
Universidade de Coimbra, Maio de 2010
Figura 6. Fluxo de calor no solo para os dias 15 de Agosto de 1988, 11 de Agosto de 1998 e
6 de Agosto de 2008 no município de São José do Sabugi.
Em contrapartida, a carta de G de 2008 apresentou 82% dos pixels com valores de G
inferiores a 68 W.m-2. A vegetação no semi-árido nordestino responde rapidamente às
precipitações e, por isso, a abundante precipitação de 2008 provocou uma maior
densidade de cobertura vegetal resultando nos baixos valores de G obtidos na carta de
2008. De acordo com Varejão-Silva (2006), o fluxo de calor no solo varia de acordo
com o tipo de cobertura presente na superfície, pois interfere no suprimento de
energia oriundo do sol. Desta forma, áreas com maior cobertura vegetal apresentam
um fluxo de calor no solo menor que áreas de solo exposto. Isto também foi visível na
carta de G de 1988, onde as áreas de maior altitude e declividade e classificadas pela
PROBIO (2004) como áreas de savana estépica apresentaram valores de fluxo de calor
no solo inferiores às restantes áreas do município. O fluxo de calor no solo é um dos
componentes do balanço de energia estimados pelo algoritmo SEBAL com menor
precisão, no entanto, Bastiaanssen et al. (1998b), citado por Bezerra (2006) minimizam
9
Tema 2- Expansão e democratização das novas tecnologias em Geografia Física:
aplicações emergentes
esse problema porque as medidas de G representam áreas pequenas onde existe
pouca variação nos tipos de solo e cobertura vegetal. Isso é irrelevante em imagens de
satélite Landsat – TM, onde o tamanho do pixel é de 30 X 30 m e, portanto, com
grande variação na cobertura da superfície.
4. Conclusões
A zona norte do município de São José do Sabugi, apresentou os menores valores
de Rn e os maiores valores de G, indicando ser a região com maior potencial para
desenvolver os efeitos da seca de forma mais acentuada e com maior dificuldade para
o gerenciamento dos recursos hídricos.
O cômputo do saldo de radiação e do fluxo de calor no solo, por fornecer
informações válidas para um correto manejo dos recursos hídricos e da vegetação,
tornam-se extremamente úteis para a geração de um mapeamento agroecológico,
essencial em municípios fustigados por longos períodos de estiagem, como é o caso do
São José do Sabugi, semi-árido do Nordeste do Brasil.
As respostas observadas nos componentes computados nas imagens de 1998 e
2008 em muito se deveram ao regime de precipitação particular das datas do
imageamento e não a interferência humana. Para uma análise espaço-temporal mais
aprofundada de mudanças ambientais no município de São José do Sabugi, utilizando
imagens de satélite, será necessário utilizar um maior número de imagens de anos
distintos.
10
VI Seminário Latino Americano de Geografia Física
II Seminário Ibero Americano de Geografia Física
Universidade de Coimbra, Maio de 2010
5. Bibliografia
Allen, R. G., Tasumi, M.; Trezza, R. 2002, SEBAL (Surface Energy Balance Algorithms for
Land). Advance Training and Users Manual – Idaho Implementation, version 1.0.
Bastiaanssen, W. G. M. 1995, Regionalization of surface flux densities and moisture
indicators in composite terrain. Ph.D. Thesis, Wageningem Agricultural University,
Wageningen, Netherlands.
Bastiaanssen, W.G.M., Menenti, M., Feddes, R.A. & Holtslag, A.A.M.A. 1998a, ‘Remote
Sensing Surface Energy Balance Algorithm for Land (SEBAL) 1. Formulation’, Journal
of Hydrology, vol. 212-213, pp. 198-212.
Bastiaanssen, W.G.M., Pelgrum, H., Wang, J., Moreno, Y.M.J., Roerink, G.J. & Van Der
Wal, T. 1998b, ‘The Surface Energy Balance Algorithm for Land (SEBAL) 2.
Validation’, Journal of hydrology, vol. 212-213, pp.213-229.
Bastiaanssen, W.G.M. 2000, ‘SEBAL – Based sensible and latent heat fluxes in the
irrigated Gediz Basin, Turkey’, Journal of Hydrology, vol. 229, no. 1-2, pp. 87-100.
Bezerra, B.G. 2006, Balanço de energia e evapotranspiração em áreas com diferentes
tipos de cobertura de solo no cariri cearense através do Algoritmo SEBAL,
Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Campina Grande, Campina
Grande.
Chander, G. & Markham, B. 2003, ‘Revised Landsat-5 TM Radiometric Calibration
Procedures and Postcalibration Dynamic Ranges’, IEEE Transactions on Geoscience
and Remote Sensing, vol. 41, no. 11, pp. 2674-2677.
Daughtry, C. S. T.; Kustas, W. P.; Moran, M. S., Pinter, P. J. Jr.; Jackson R. D.; Brow,
P.W.; Nichols, W. D. & Gay, L. W. 1990, ‘Spectral estimates of Net radiation and soil
heat flux’, Remote Sensing of Environment, vol. 32, no. 2-3, pp. 111-124.
Galvíncio, J.D., Dantas, L.G., Fernandes, J.G., Silva, J.B., Moura, M.S.B. & Machado, C.
(2009). 2005, ‘Análise da temperatura do ar e da superfície no sítio Boa Felicidade
11
Tema 2- Expansão e democratização das novas tecnologias em Geografia Física:
aplicações emergentes
em São José do Sabugi – PB no semi-árido do Brasil’, Revista de Geografia, vol. 26,
no. 2, pp. 124-141.
Markham, B. L. & Barker, J. L. 1987, ‘Thematic mapper band pass solar
exoatmospherical irradiances. International Journal of Remote Sensing, vol. 8, no. 3,
pp. 517-523.
Oliveira, T.H. 2009, Balanço de Radiação da bacia hidrográfica do Rio Moxotó-PE
através de imagens TM Landsat-5 e ETM+ Landsat 7. Monografia, Universidade
Federal de Pernambuco, Recife.
Oliveira, T. H., Galvíncio, J. D., Araujo, M. S. B., Pimentel, R. M. M. & Silva. B. B. 2009,
‘Avaliação do fluxo de calor no solo, temperatura da superfície e albedo na bacia
hidrográfica do rio Moxotó-PE através de imagens TM - Landsat-5’, XIII Simpósio
Brasileiro de Geografia Física Aplicada, Viçosa.
PROBIO. Projeto de Conservação e Utilização Sustentável da Diversidade Biológica
Brasileira – PROBIO. Edital PROBIO 02/2004. Levantamento dos remanescentes da
cobertura vegetal dos biomas brasileiros. Ministério do Meio Ambiente: Brasília,
abril de 2004, 14p.
Secretaria de meio ambiente (SEMA) & Instituto de gestão das águas e clima (INGÁ).
2008, Relatório do VII Reunião de Análise e Previsão Climática para o Nordeste do
Brasil, Bahia.
Silva, B.B., Lopes, G.M., Azevedo, P.V. 2005, ‘Balanço de radiação em áreas irrigadas
utilizando imagens Landsat 5 – TM’, Revista Brasileira de Meteorologia, vol. 20, no.
2, pp. 243-252.
Silva, B.B.; Mendonça, R.R.O., Silva S.T.A., Ferreira, R.C. 2008, ‘Mapeamento do albedo
de áreas heterogêneas do estado do Ceará com imagens TM – Landsat 5’, Revista de
Geografia, vol. 25, no. 2, pp. 33-52.
Teixeira, A.H. de C., Bastiaanssen, W.G.M., Ahmad, M.D., Bos, M.G. 2009, ‘Reviewing
SEBAL input parameters for assessing evapotranspiration and water productivity for
the Low-Middle São Francisco River basin, Brazil Part A: Calibration and validation’,
Agricultural and Forest Meteorology, vol. 149, pp. 462-476.
12
VI Seminário Latino Americano de Geografia Física
II Seminário Ibero Americano de Geografia Física
Universidade de Coimbra, Maio de 2010
Trezza, R. 2002, Evapotranspiration using a satellite-based surface energy balance with
standardized ground control, Ph.D. thesis, Utah State University, Logan, Utah.
Varejão-Silva, M.A. 2005, Meteorologia e climatologia, versão digital 2. Disponível
em:http://www.agritempo.gov.br/modules.php?name=Downloads&d_op=viewdow
nload&cid=19. Acesso em: 17 Mar. 2010.
13