AVALIAÇÃO DO SALDO DE RADIAÇÃO OBTIDO COM IMAGENS MODIS NA REGIÃO NORTE FLUMINENSE, RJ

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1 AVALIAÇÃO DO SALDO DE RADIAÇÃO OBTIDO COM IMAGENS MODIS NA REGIÃO NORTE FLUMINENSE, RJ José Carlos Mendonça 1 ; Elias Fernandes de Sousa 1 ; Bernardo Barbosa Silva 2 ; Romísio Geraldo Bouhid André 3 ; Nelson de Jesus Ferreira 4 RESUMO: O saldo de radiação à superfície é de grande importância em estudos relacionados com o fluxo de vapor na atmosfera, particularmente na evapotranspiração de cultivos agrícolas e de bacias hidrográficas. No âmbito da climatologia, o seu estudo também está relacionado à partição do balanço de energia em escala regional. O algoritmo SEBAL, Surface Energy Balance Algorithm for Land, proposto por Bastiaassen (1995) baseia-se no balanço superficial de radiação, o qual divide-se entre o fluxo de calor sensível, o fluxo de calor latente e o fluxo do calor do solo e pode ser estimado com imagens digitais coletadas por qualquer satélite orbital que registre a radiação nos comprimentos de onda do infravermelho termal, visível e infravermelho próximo. Este estudo teve por objetivo avaliar o desempenho do SEBAL com a utilização de imagens Modis Terra e Modis Água, numa resolução espacial de 250 m, na mensuração do saldo de radiação instantâneo para algumas localidades da região Norte Fluminense, RJ, concluindo que o SEBAL estimou satisfatoriamente o saldo de radiação instantânea na região de estudo apresentando um coeficiente de correlação igual a 85%, principalmente sobre a cultura da cana-de-açucar. PALAVRAS-CHAVES: Sensoriamento remoto, balanço de radiação, agrometeorologia ABSTRACT: The radiation balance at the surface is of great importance in studies related water valor steam flow in the atmosphere, particularly in the evapotranspiration of agricultural crops and basins hidrographics. In climatology, its study is directly related to the energy balance partition in regional scale. The algorithm SEBAL, Surface Energy Balance Algorithm for Land, proposed by Bastiaassen (1995) is based on the superficial radiation partition which encomprises the sensitive and latent heat flow. This radiation can be assessed through digital images collected by any orbital satellite that registers the radiation in the wavelengths of the thermal infrared, visible and near infrared. This study had the objective of evaluating the performance of SEBAL with the use of images Modis Terra and Modis Água, whit a spacial resolution of 250 m, in the measurement instantaneous radiation balance for some locations at the Northern Region of Rio de Janeiro State. Results showed that SEBAL is capable of satisfactorily assessing the instantaneous radiation in area analysed with a correlation coefficient same to 85%, mainly on the crop of sugar cane. KEY WORDS: Remote sensing, net radiation, agrometeorology 1 Laboratório de Engenharia Agrícola/LEAG Universidade Estadual do Norte Fluminense/UENF. Av. Alberto Lamego, 2000, CCTA/ sl 209 CEP.: Campos dos Goytacazes, RJ. Fone(22) mendonca@uenf.br; efs@uenf.br 2 Universidade Federal de Campina Grande, PB. bernardo@dca.ufcg.edu.br 3 Laboratório de Meteorologia/LAMET/UENF- romisio@lenep.uenf.br 4 Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais INPE nelson@cptec.inpe.br

2 INTRODUÇÃO: Os movimentos atmosféricos são causados, principalmente, pela radiação solar absorvida pela superfície terrestre e pela atmosfera, pois os processos radiativos influenciam diretamente tanto na dinâmica como na termodinâmica da atmosfera, através da geração de taxas de aquecimento/esfriamento, bem como da geração de saldos dos fluxos radiativos disponíveis na superfície. A radiação eletromagnética (REM) interage com os processos dinâmicos através dos processos termodinâmicos, os quais estão inter-relacionados (Liou, 1992). A energia utilizada nos processos de aquecimento e resfriamento do ar e do solo, na transferência de vapor d água da superfície para atmosfera, e no metabolismo das plantas e dos animais é proveniente da radiação solar. Neste sentido, o saldo de radiação à superfície é de grande importância em estudos relacionados com o fluxo de vapor na atmosfera, particularmente na evapotranspiração de cultivos agrícolas, irrigados ou não e de bacias hidrográficas. No âmbito da climatologia, o seu estudo está diretamente relacionado à partição do balanço de energia em escala regional. O SEBAL, Surface Energy Balance Algorithm for Land, proposto por Bastiaassen (1995) baseia-se no balanço superficial de radiação, o qual divide-se entre o fluxo de calor sensível, o fluxo de calor latente e o fluxo do calor do solo e pode ser estimado com imagens digitais coletadas por qualquer satélite orbital que registre a radiação nos comprimentos de onda do infravermelho termal, visível e infravermelho próximo (Allen et. al. 2002). Bastiaanssen (1995) desenvolveu o SEBAL originalmente na Espanha e no Egito usando imagens do satélite Landsat 5TM. Logo adiante, Roerink et al. (1997) também aplicaram o mesmo sensor para monitorar o desempenho de irrigação na Argentina. Combinações de imagens do satélite Landsat 5TM e NOAA/AVHRR foram usadas por Timmermans e Meijerink (1999) na África. Mais tarde Hafeez e Chemin (2002) aplicaram o SEBAL usando imagens do sensor ASTER instalado a bordo do satélite EOS/TERRA no rio Pumpanga, Filipinas, concluindo que a combinação de alta-resolução espacial dos sensores ETM+ e ASTER com a alta resolução temporal dos sensores AVHRR e MODIS tem fornecido uma alta precisão nos estudos de balanços hídricos e usos da água em escala regional. Quantificar os componentes do balanço de energia a partir de imagens orbitais obtidas de sensores remotos tem se mostrado uma técnica promissora para diferentes aplicações e neste sentido, este estudo teve por objetivo avaliar o desempenho do SEBAL com a utilização de imagens MODIS na mensuração do saldo de radiação instantâneo, para algumas localidades da região Norte Fluminense, RJ. MATERIAL E MÉTODOS: Para a elaboração deste trabalho foram utilizados os produtos MOD09 e MYD09 (Reflectância da Superfície - GHK e GQK) e MOD11 e MYD11 (Temperatura de Superfície) referentes a 29 cenas sobre o tile h14/v11 imageadas pelos sensores MODIS/Terra e

3 MODIS/Agua nos dias 15, 25, 36, 37, 48, 63, 79, 82, 95, 100, 102, 116, 120, 139, 166, 186, 189, 190, 191, 200, 201, 202, 203, 204, 205, 207, 208, 221 e 229, do ano de As imagens foram obtidas gratuitamente junto ao Land Processes Distributed Active Archive Center (LP-DAAC) da National Aeronautics and Space Aministration NASA através do site e foram tratadas e reordenadas para a resolução espacial de 250m utilizando-se a ferramenta MODIS Reprojection Tool (MRT). Para os empilhamentos, composições, recortes e álgebras das imagens utilizou-se o software Erdas Image Pro, Versão 8.5. Para elaboração das cartas temáticas utilizou-se o ArcGis Ver A área de estudo se encontra entre as coordenadas geográficas 21 o 10 e 22 o 25 de latitude Sul e 40 o 45 e 42 o 10 de longitude Oeste. Os dados de superfície foram coletados em duas estações micrometeorológicas pertencentes à Universidade Estadual do Norte Fluminense, RJ e instaladas sobre áreas agrícolas ocupadas por cultivos de cana-de-açúcar (coordenadas: 21º S e 41º O ) e coco anão verde (coordenadas 21º e 41º ). As coordenadas estão referidas ao Datum WGS 84 zona 24, sendo a altitude média do local de 11 m. O saldo de radiação, em cada pixel foi calculado pela seguinte equação: Rn = (1-α) RS + RL - RL - (1- ε o ) RL (01) onde RS é a radiação de onda curta incidente; RL é a radiação de onda longa emitida pela atmosfera na direção da área estudada, ambos admitidos constantes em todo o recorte de cena; α, RL e ε o correspondem respectivamente ao albedo de superfície, a radiação de onda longa emitida e a emissividade de cana pixel da cena estudada; O valor do albedo de superfície (α) foi estimado segundo proposta de Tasumi, et al (2003) e a Radiação de onda curta incidente em cada pixel foi determinada pela equação: RS = S cos Z d r τ sw (02) onde S é a constante solar (W.m -2 ); Z é o ângulo zenital solar; d r é o quadrado da razão entre a distância média Terra-Sol na data de cada imagem e τ sw é a transmissividade atmosférica. A Radiação de onda longa incidente em cada pixel foi determinada pela equação: RL = ε a. σ. Tar 4 (03) onde ε a é a emissividade da atmosfera; σ a constante de Stefan-Boltzman e Tar é a temperatura do ar (ºK) obtida no horário médio entre o início e o fim de cada imageamento existente do cabeçalho das imagens. RESULTADOS E DISCUSSÃO: O Gráfico 01 apresenta a correlação entre valores do saldo de radiação instantâneo medidos por saldo-radiômetros em duas estações micrometeorológicas e estimados pelo SEBAL. Pode-se observar que os valores obtidos para o pixel da cana-de-açúcar

4 variam em torno da reta 1:1, indicando um bom ajustamento dos dados em todo o período avaliado. Observa-se ainda que esses valores variaram na faixa de 300 W.m -2 a 800 W.m -2 representando bem os períodos de verão, outono e inverno. Os coeficientes de correlação obtidos sobre as áreas de cana de açúcar e coco verde são significativos ao nível de 0.01% de significância. Há de se destacar que as medições representam áreas com pequena dimensão espacial e o saldo de radiação estimado pelo SEBAL, representam um pixel de 250 m x 250 m que pode integrar informações de diferentes condições de superfície, tais como solo exposto, vegetação heterogênea, presença de corpos hídricos e manchas de umidade, dentre outros. Sobre a área ocupada com coco anão verde observou-se uma tendência de superestimar o valor do saldo de radiação pelo SEBAL, diferentemente do observado na cana-de-açúcar. Possivelmente a extensão e a homogeneidade do dossel das culturas, bem como as características dos solos onde estão implantadas possam ter influenciado as estimativas. 800 Saldo de Radiação medido e estimado (W/m2) Rn_Medido (W/m2) y = x R 2 = (Cana) y = x R 2 = (Coco) Rn_SEBAL (W/m2) Pixel_ cana-de-açúcar Reta 1:1 Pixel_coco verde Gráfico 01: Correlação dos valores do saldo de radiação medidos e estimados. (W.m -2 ) A Figura 02 apresenta a variação espacial do saldo de radiação na área estudada durante as passagens do sensor Modis/Terra nos dias 26/04/2006 e 09/09/2006. Nela pode-se observar a variabilidade espacial do saldo de radiação instantâneo. Observa-se que nas duas cenas os menores valores estão em áreas de restinga, próximos aos cordões litorâneos em locais de pouca vegetação. Já os valores mais elevados se encontram nos corpos hídricos e no seu entorno. Essa observação concorda com Silva et al. (2005) que observaram o mesmo padrão quando avaliaram a distribuição do saldo de radiação instantâneo na região do perímetro irrigado Nilo Coelho, em Petrolina, PE.

5 Figura 01: Carta do saldo de radiação instantânea à superfície dos dias 26/04/2006(a) e 09/09/2006(b) CONCLUSÕES: O modelo SEBAL aplicado a imagens Modis numa resolução espacial de 250 m x 250 m estimou satisfatoriamente o saldo de radiação instantânea à superfície na Região Norte Fluminense, RJ, quando comparado com os valores medidos sobre a cultura da cana-de-açúcar. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS: Allen, R.G.; Tasumi, M.; Trezza, R.; Bastiaanssen, W.G.M., (2002) - SEBAL (Surface Energy Balance Algorithms for Land), Advanced Training and Users Manual. Version 1.0.University of Idaho. EUA; 97 p. Bastiaanssen, W.G.M (1995); Regionalization of Surface Flux Densities and Moisture Indicators in Composite Terrain. A Remote Sensing approach Under Clear skies in Mediterranean climates. Agricultural Research Department. Wageningen, The Netherlands. Report 109. Hafeez, M.M.; Chemin, Y.; Van De Giesen, N. and Bouman, B.A. M., (2002). Field Evapotranspiration Estimation in Central Luzón, Philippines, Using Different Sensors: Landsat 7 ETM+, Terra Modis and Aster; Symposium on Geospatial Theory, Processing and Applications. Ottawa-Canadian.7 p. Liou, K. N. Radiation and cloud processes in the atmosphere: theory, observation and modeling. London: Oxford University Press, 487p Roerink G. J.; Bastiaanssen, W.G.M.; Chambouleyron, J.; Menenti, M. (1997). Relating Crop Water Consumption to Irrigation Water Supply to Remote Sensing. Water Resources Management, No 11, p Silva, B. B.; Berzerra, M. V. C. Determinação dos Componentes do Balanço de Energia à Superfície com Técnicas de Sensoriamento Remoto e Dados de Superfície (2005). Anais do XII Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, p

6 Tasumi, M.; Allen, R.G.; Trezza, R (2003). At-Surface Reflectance and Albedo from satellite for Operational Calculation of Land Surface Energy Balance. Journal Hydrologic Engineering (submitted). 51 p. Timmermans, W.J. and Meijerink, A. M.J. (1999). Remotely Sensed Actual Evapotranspiration: Implications for Groundwater Management in Botzwana. Journal of Applied Geohydrology. N0 1, p