DETERMINAÇÃO DAS COMPONENTES DO BALANÇO DE ENERGIA À SUPERFÍCIE COM TÉCNICAS DE SENSORIAMENTO REMOTO NA REGIÃO DA BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO PARAÍBA

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1 DETERMINAÇÃO DAS COMPONENTES DO BALANÇO DE ENERGIA À SUPERFÍCIE COM TÉCNICAS DE SENSORIAMENTO REMOTO NA REGIÃO DA BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO PARAÍBA Heliofábio Barros Gomes 1, Maurílio Neemias dos Santos 2, Fabiano Barbosa dos Santos 3, Laurizio Emanuel Ribeiro Alves 4, Sâmara dos Santos Silva 5, Thaís Cristina Marques Ocrécio 6 1 Meteorologista, Professor Adjunto III. ICAT/ UFAL, Maceió-AL, heliofabio@icat.ufal.br 2 Meteorologista, Instituto de Ciências Atmosféricas,ICAT/ UFAL, Maceió-AL, maurilioneemias2010@gmail.com 3 MSc em Meteorologia, ICAT/ UFAL, Maceió-AL, santos.fbarbosa@gmail.com 4 Meteorologista, Instituto de Ciências Atmosféricas,ICAT/ UFAL, Maceió-AL, laurizio.r@gmail.com 5 Meteorologista, Instituto de Ciências Atmosféricas,ICAT/ UFAL, Maceió-AL, samarass_@hotmail.com 6 Meteorologista, Instituto de Ciências Atmosféricas,ICAT/ UFAL, Maceió-AL, thais.ocrecio@gmail.com RESUMO: Esse estudo foi de grande relevância a fim de se conhecer as alterações nos processos de transferência de massa, calor e momento que ocorrem na superfície da terra, resultantes das modificações na cobertura vegetal, como as que acontecem nas regiões das bacias hidrográficas brasileira, podem provocar mudanças climáticas e ambientais em escalas local, regional e global. O método utilizado foi o algoritmo SEBAL/METRIC, que possibilita quantificar a energia disponível, e possui capacidade de diferenciação dos diferentes elementos que constituem a área de estudo. Os resultados obtidos mostram que o método apresentou boa precisão, podendo ser confirmada por comparação com medidas em situ, resultando em melhores estimativas das componentes do balanço de energia, podendo também ser utilizado também na avaliação de impactos ambientais causados por alterações de biomas. PALAVRAS-CHAVE: Saldo de radiação, sebal, imagens orbitais. INTRODUÇÃO: Em escala global, as mudanças nos padrões de uso da terra e na cobertura vegetal estão ocorrendo em passos acelerados, sobretudo nos trópicos. Tais mudanças nos ecossistemas terrestres estão fortemente associadas aos processos de desenvolvimento socioeconômico, principalmente em países subdesenvolvidos, onde não se encontram planejamentos para a ocupação do território, nem projetos e estudos para explorar de maneira sustentável os recursos naturais. Houve um enorme progresso nos últimos anos na área de modelagem do balanço de energia com a utilização do sensoriamento remoto. Entre os mais recentes, o modelo Mapping Evapotranspiration at High Resolution and with Internalized Calibration (METRIC), uma variação do modelo Surface Energy Balance Algorithm for Land (SEBAL), vem sendo aplicado com sucesso na tentativa de descrever a variação espacial dos componentes do balanço de energia à superfície (BE). O modelo METRIC, desenvolvido por ALLEN et al. (2005) e TASUMI et al. (2005), utiliza o método residual da equação do balanço de energia para estimar a evapotranspiração com auxílio de dados espectrais de imagens de satélite e de poucos elementos meteorológicos disponíveis em estações meteorológicas. Pode ser empregado em sistemas naturais ou agrícolas e não requer dados complementares sobre uso/cobertura da terra. Como o modelo é aplicado pixel a pixel, a resolução espacial dos mapas de fluxo é determinada pelas resoluções espaciais das imagens de entrada do modelo. O objetivo principal foi estimar as componentes do BE, componentes do Rn, identificar e avaliar possíveis alterações promovidas pela substituição de biomas em torno da bacia hidrográfica do Rio Paraíba. MATERIAL E MÉTODOS: A área de estudo compreende parte da bacia hidrográfica do rio Paraíba (Figura 1), que inclui o Estado de Alagoas entre os paralelos 08º44 17 S e 09º46 47 S de latitude sul e os meridianos 35º47 20 W e 36º45 19 W de longitude oeste de Greenwich, localizada numa região de clima tropical quente e chuvoso com verão seco do tipo As, segundo a classificação de Köppen. A pluviometria média anual na bacia é mm, de acordo com os índices pluviométricos obtidos pelos postos pertencentes a SUDENE e ao DNAEE, nos municípios de Quebrangulo, Viçosa, Capela, Mar Vermelho, Palmeira dos Índios, Pindoba e Atalaia. Foram utilizadas imagens orbitais obtidas pelo sensor Thematic Mapper TM, a bordo do satélite LANDSAT 5, junto à DGI (Divisão de Geração de 273

2 Imagens) do INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais), subsequentemente usados para o cômputo das componentes do balanço de energia da região em estudo. Os dias selecionados para estudo, não devem apresentar cobertura de nuvens sobre a região de estudo durante a passagem do Landsat 5. Todo o processamento de modelagem foram executados no software ERDAS Imagine 9.3 e as operações matemáticas intra e inter bandas espectrais com a sua ferramenta Model Maker. Suas bases teóricas e computacionais são descritas em Bastiaanssen et al. (1998a), TASUMI et al. (2005) e ALLEN et al. (2007a), e apresentadas em detalhe em Allen et al. (2007a). O TM LANDSAT 5 mede a radiância espectral de cada pixel em sete diferentes bandas espectrais e os armazena em forma digital, cuja intensidade varia de 0 a 255 (8 bits). A montagem do layout será feita no programa ArcGIS 9.3. Figura 1 Localização da Bacia do Paraíba no Estado de Alagoas. O mapeamento dos fluxos de energia foi obtido a partir da aplicação do modelo METRIC que, por sua vez, utiliza o método residual da equação do balanço de energia para estimar o fluxo de calor latente instantâneo (λ ET ), com auxílio das medidas espectrais dos canais do visível, infravermelho próximo, médio e termal, contidos nas imagens do sensor TM Landsat, e do parâmetro de velocidade do vento, proveniente da estação meteorológica. λet = R n H G (1) Onde: λ ET é a densidade de fluxo de calor latente (W.m -2 ); R n é o saldo de radiação na superfície (W.m - 2 ); H é a densidade de fluxo de calor sensível (W.m -2 ); e G é a densidade de fluxo de calor no solo (W.m -2 ). Basicamente, R n é estimado a partir do mapeamento da radiação solar incidente (K i ), do albedo (α), da emissividade (ε s ) e da temperatura radiométrica da superfície (T s ), da transmitância da atmosfera (τ sw ) e da temperatura do ar (T a ). Uma vez calculados os termos R n, G e H, o modelo METRIC estima por diferença a densidade de fluxo de calor latente em cada pixel da imagem no instante coincidente com o momento da passagem do satélite. O modelo de elevação (MED) da Bacia do Rio Paraíba nos estado de Alagoas (Figura 2), com as tonalidades mais escuras nas áreas mais altas em torno de 500 a 850 m, e nas áreas mais claras as regiões mais baixas, em torno de 0 a 350 m. Os valores obtidos para o saldo de radiação não é influenciado apenas pelo total de radiação solar global incidente, mas também, e principalmente, pela topografia e tipo de cobertura da superfície. Dessa forma, podemos evidencia a importância de se levar em consideração os efeitos topográficos na estimativa do saldo de radiação, com base em imagens de satélites. 274

3 Figura 2 Mapa digital de elevação da Bacia do Paraíba no Estado de Alagoas. RESULTADOS E DISCUSSÃO: Na figura 3 estão representados os Albedos da superfície (α sup ) para o dia 17/03/11 através dos métodos (a) Metric, (b) Idaho, (c) Allen, respectivamente. O albedo da superfície exerce um controle na quantidade de energia que é absorvida pela superfície terrestre, atuando no balanço final de radiação e energia. O albedo METRIC (Figura 3a) apresentou a maior acurácia e, portanto, as menores diferenças entre os métodos, e importante destacar que as condições atmosféricas que afetam a transmissividade da atmosfera podem mudar até mesmo ao longo de um dia e que as correções efetivadas consideram apenas a contribuição do vapor d água atmosférico e turbidez provocada por aerossóis. As diferenças existentes entre o METRIC, embora pequenas, devem resultar da existência de alguma turbidez e outros efeitos não contemplados na técnica. Verificou-se a predominância entre 13 e 16% de vegetação alternando nas áreas de vegetação mais densa para valores de 9% a 13% o albedo visto em tons de azul claro abaixo de 9% registrado onde o NDVI deu negativo, ou seja, esses valores corresponde ao albedo do Rio Paraíba já em tons amarelo foi registrado o albedo do solo exposto. Os valores do albedo Idaho (Figura 3b) deram muito alto, subestimando a análise, predominando em maior quantidade da imagem 20 a 27%. A análise dos resultados do albedo Allen (Figura 3c) mostra a caracterização bem definida da região, ele apresentou que a leste da figura ocorre grande ocorrência de exposição do solo e a nordeste percebe-se a grande predominância de vegetação. Figura 3 - Albedo da superfície (%) para o dia 17/03/2011 obtido com SEBAL ( a ) Metric, ( b ) Idaho e ( c ) Allen, utilizando o sensor TM Landsat 5. Segundo Mota et al. (2003) as mudanças que ocorrem na estrutura da vegetação no decorrer da estação de crescimento resultam em uma diferenciação da sua reflectância, o que permite empregar o 275

4 NDVI no seu monitoramento, detectando possíveis problemas de crescimento, bem como distinguir diferentes tipos de vegetação. A figura 4 mostrar as regiões com a maior parte da vegetação abrange do amarelo ao vermelho a área localizada mais ao sul existe uma maior concentração de solo exposto já ao norte e noroeste bons picos de vegetação densa. Em geral a imagem apresentou uma média maior 0,39-0,65 que corresponde a cor amarela. Porem acorrem alguns pixels de tonalidade azul escuro que correspondem a corpo d água. Figura 4 Mapa temático do NDVI para o dia 17/03/2011 obtido com SEBAL/METRIC. Nas figuras 5a, 5b e 5c, observa-se que em ambos os métodos utilizados, ocorreram poucas alterações diferenciando as áreas do recorte de estudo, ficando entre 0 e 350 Wm 2. Os valores mais elevados do saldo de radiação (Rn) foram observados sobre áreas em com albedo baixo (Allen-Idaho), compreendendo espelhos d água, que apresentaram valores superiores a 550 W m -2. Esses valores estão em conformidade com estudos realizados por Silva e Bezerra (2006), que encontraram valores de Rn de aproximadamente 705 W m -2 (2000) e 712 W m -2 (2001) sobre o lago de Sobradinho. Nas figuras 5a e 5c, observou-se que os valores que predominaram estão na classe de 150 a 350 Wm -2 e na Figura 5b a classe de 0 a 150 Wm -2. Faz-se necessário um mapa de ocupação do solo, para que se identifique com maior precisão os padrões de Rn associados aos diferentes tipo de culturas e demais usos da área. Figura 5 Saldo de radiação na superfície (W.m -2 ) para o dia 17/03/2011 obtido com o SEBAL ( a ) Metric, ( b ) Idaho e ( c ) Allen, utilizando o sensor TM Landsat 5. Nas Figuras 6a, 6b e 6c, estão representados os mapas temáticos dos fluxos de calor no solo (G) para a região de estudo, no dia 17/03/11, observou-se que em ambos os métodos utilizados, ocorreram poucas alterações diferenciando as áreas do recorte de estudo, predominando a classe entre 10 e

5 Wm -2 nas figuras 6a e 6b. A tonalidade predominante das cenas é a amarelo e verde claro, que representa valores de maiores que 10 W.m -2 e menores que 50 W.m -2, correspondendo às áreas de vegetação com densidade intermediária. As áreas em amarelo representam valores maiores que 20 W.m -2 e menores que 30 W.m -2, enquanto que as áreas com tonalidade verde-claro representam os valores entre 40W.m -2 e 50 W.m -2 e representam a vegetação nativa densa que se concentram predominantemente no bioma de cana-de-açúcar e entre outros. Já na figura 6b, predominou a classe de 0 a 40W.m -2. Figura 6 Fluxo de calor no solo na superfície para o dia 17/03/2011 obtido com o SEBAL ( a ) Metric, ( b ) Idaho e ( c ) Allen, utilizando o sensor TM Landsat 5. CONCLUSÕES: Os resultados evidenciam que a correção atmosférica afeta os valores do albedo superficial nos métodos analisados (METRIC, IDAHO, ALLEN), segundo o Método METRIC, apresentou boa precisão, podendo ser confirmada por comparação com medidas piranométricas e através de correção atmosférica banda a banda, resultando melhores estimativas do albedo e NDVI. O NDVI calculado através da imagem TM LANDSAT 5 mostrou-se adequado para detectar mudanças na cobertura vegetal da área em torno da bacia do Rio Paraíba. A aplicação do modelo de elevação digital no cálculo da emissividade, NDVI, albedo e temperatura da superfície, são suficientes para produzir variações consideráveis no cálculo do saldo de radiação. Os valores estimados do saldo de radiação dos alvos estudados são aproximadamente semelhantes aos valores calculados com dados de superfície encontrados na literatura. Apesar desta semelhança seria de suma importância à obtenção de valores da superfície em pontos georreferenciados e de fácil identificação na imagem, para uma análise comparativa mais eficiente, entretanto, o método de Idaho superestimou os valores do saldo de radiação. O algoritmo SEBAL/METRIC se apresenta como uma ferramenta importante no monitoramento de alterações ambientais em diferentes biomas terrestres, possuindo a capacidade de diferenciação dos diferentes elementos que constituem a área de estudo. AGRADECIMENTOS: À Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Alagoas (Fapeal) e a Universidade Federal de Alagoas (UFAL). REFERÊNCIAS: ALLEN, R. G.; TASUMI, M.; MORSE, A.; TREZZA, R. A landsat-based energy balance and evapotranspiration model in Western US water rights regulation and planning. Irrigation and Drainage Systems, v. 19, p., ALLEN, R. G.; TASUMI, M.; TREZZA, R. Satellite-Based Energy Balance for Mapping Evapotranspiration with Internalized Calibration (METRIC) Model. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, ASCE, p., 2007a. BASTIAANSSEN, W. G. M., MENENTI, M., FEDDES, R.A., HOLSLAG, A. A. M. A Remote Sensing Surface Energy Balance Algorithm for Land (SEBAL) Formulation. Journal of Hydrology, v , p , 1998a. SILVA, B. B.; BEZERRA, M. V. C. Determinação dos fluxos de calor sensível e latente na superfície utilizando imagens TM - Landsat 5. Revista Brasileira de Agrometeorologia, v. 14, p. 1-10, TASUMI, M.; ALLEN, R. G.; TREZZA, R.; WRIGHT, J. L. Satellite-Based Energy Balance to Assess Within-Population Variance of Crop Coefficient Curves. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, ASCE, p.,