BALANÇO HÍDRICO CLIMATOLÓGICO ESPACIALIZADO PARA O BRASIL. Minas Gerais

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1 BALANÇO HÍDRICO CLIMATOLÓGICO ESPACIALIZADO PARA O BRASIL Letícia Santos Lima 1, 2, Leydimere Janny Cota Oliveira 3, Britaldo Silveira Soares Filho 1, Hermann Oliveira Rodrigues 1 1 CSR/UFMG Belo Horizonte Minas Gerais, 2 leticialima@csr.ufmg.br, 3 DEA/UFV Viçosa Minas Gerais RESUMO: O Balanço Hídrico Climatológico (BHC), descrito por Thornthwaite e Mather (1955), foi implementado em uma plataforma de modelagem ambiental com o objetivo de oferecer uma versão espacializada do modelo. O BHC normal foi aplicado a toda extensão do Brasil, utilizando-se as normais climatológicas da temperatura do ar e da precipitação, provenientes do banco de dados WorldClim. ABSTRACT: A version of the soil water balance method proposed by Thornthwaite and Mather (1955) was developed in an environmental modeling platform, aiming to offer a spatialized version of this model. The model was applied to Brazil area using precipitation and mean air temperature climatologies, from the WorldClim dataset. 1- INTRODUÇÃO O balanço hídrico climatológico (THORNTHWAITE e MATHER, 1955) é um sistema contábil de monitoramento da água do solo e resulta da aplicação do princípio de conservação de massa para a água num volume de solo vegetado. A variação do armazenamento, num intervalo de tempo, representa o balanço entre entradas e saídas de água do volume de controle. A partir do suprimento de água no solo, representado pela precipitação (P), e da demanda atmosférica, simbolizada pela evapotranspiração potencial (ETP), e com uma capacidade de água disponível (CAD) referente ao armazenamento máximo de água no solo, o modelo de balanço hídrico fornece estimativas da evapotranspiração real (ER), da deficiência hídrica (DEF), do excedente hídrico (EXC) e do armazenamento (ARM) (PEREIRA et al., 1997; SENTELHAS et al., 1999). Entre as versões do BHC está o balanço hídrico climatológico normal, no qual se utilizam as normais climatológicas, em escala mensal, para caracterizar o regime hídrico de um ano médio em uma região (SENTELHAS et al., 1999). O BHC tem sido muito utilizado para estudar a aptidão agrícola considerando suas demandas hídricas e verificando a necessidade de irrigação ou drenagem. Em geral, O BHC normal está disponível por meio de aplicativos computacionais que executam o cálculo pontual (e.g. SENTELHAS et al., 1999). No entanto, até o momento, não se encontra, facilmente, um aplicativo que execute o balanço hídrico de uma forma distribuída no espaço. Com a crescente disponibilização de bancos de dados climáticos espacializados (e.g. CRU, WorldClim, 1

2 Climond) e de ferramentas computacionais para o processamento de mapas no formato raster (e.g. SIGs e correlatos), os modelos espacializados tornam-se cada vez mais viáveis. Considerando a utilidade do BHC, acredita-se que uma versão espacializada do modelo, que facilite a aplicação em amplas áreas, constitui um importante passo em direção à sua flexibilização e uso. Neste sentido, o objetivo do presente trabalho é apresentar uma versão espacializada do modelo BHC Normal e sua aplicação para o Brasil em resolução espacial de 5 minutos (~ 9 km no Equador). 2- DADOS E MÉTODOS A implementação do modelo BHC foi feita na plataforma de modelagem Dinamica EGO (SOARES- FILHO et al., 2002). Este software livre permite a construção de modelos espacializados, por meio de análises dinâmicas complexas, que podem envolver interações aninhadas, retroalimentações dinâmicas, abordagem multi-regional, manipulação e combinação algébrica de dados em vários formatos, tais como: mapas, tabelas, matrizes e constantes, e uma série de algoritmos para a análise e simulação de fenômenos espaço-temporais (SOARES-FILHO et al., 2002). Entre as suas vantagens está a interface gráfica que permite a manipulação e visualização de modelos representados como um diagrama de fluxo em blocos e conectores. Os blocos são operadores específicos para cálculos e alimentação de dados, enquanto os conectores representam a direção e sentido dos fluxos de dados e as etapas do modelo. O software também disponibiliza uma ferramenta de visualização de mapas, na qual o usuário pode ver os mapas de entrada ou resultados obtidos, ajustar o histograma e paleta de cores, e gravar uma animação de mapas sequenciais. O BHC normal inicia-se com o cálculo da ETP mensal por meio de equações empíricas desenvolvidas por Thornthwaite (1948), baseando-se em dados de temperatura média do ar e do fotoperíodo. A diferença P-ETP também é calculada. Portanto, os dados climáticos requeridos para executar o modelo são as normais mensais de temperatura média e precipitação. Além disso, é necessário identificar a latitude de cada ponto no mapa, com o objetivo de determinar o fotoperíodo local. Para esta aplicação, foram utilizadas as normais climatológicas fornecidas pelo banco de dados WorldClim (HIJMANS et al., 2005), calculadas para o período , com base na reunião e interpolação de várias fontes que utilizam dados de estações de campo. As latitudes de cada ponto foram calculadas com base em um algoritmo, também desenvolvido no Dinamica EGO, que utiliza as coordenadas de canto registradas do mapa e a resolução espacial. Na maioria das regiões, o mais comum é a ocorrência de uma estação chuvosa seguida de uma seca. Nos meses úmidos P-ETP são positivos, indicando chuva excessiva, enquanto que nos meses secos P-ETP é negativo, representando perda potencial de água. Como padrão na literatura, a inicialização do modelo é estabelecida no último mês da estação úmida (com P-ETP>0), com o objetivo de viabilizar o equilíbrio do modelo (DOURADO-NETO et al., 2010). Portanto, cada região tem seu 2

3 início em um mês diferente. Para viabilizar a identificação do último mês úmido, o modelo foi dividido em duas iterações temporais separadas. 1ª parte: efetua-se o cálculo da ETP e da diferença entre a P e ETP mensal. Concomitantemente, é gerado um mapa no qual é anotado o número do último mês da estação úmida. Alguns cálculos adicionais são efetuados (e.g. precipitação e P-ETP acumuladas). Em seguida, determina-se o ARM e o Negativo Acumlado (Nac) do mês de inicialização. 2ª parte: cada região tem o BHC iniciado em um mês diferente. Dessa forma, utiliza-se uma abordagem computacional apropriada, desenvolvida no software Dinamica EGO: o cálculo por regiões. Calcula-se, nesta etapa, o ARM e Nac mensal. De forma iterativa, é também calculada a alteração no armazenamento (ALT), como a diferença entre o armazenamento do passo corrente e o do passo anterior. Nesta etapa, calcula-se também a evapotranspiração real (ETR), o déficit hídrico (DEF) e o excedente (EXC). Em seguida, os mapas regionais gerados são combinados para compor os mapas mensais finais (Figura 1). 3- RESULTADOS Os resultados finais do modelo BHC espacializado são fornecidos na forma de mapas raster em resolução espacial igual à utilizada nos dados de entrada do modelo. São gerados mapas mensais de ETP, ARM, Nac, ALT, ETR, EXC e DEF, os quais podem ser manipulados para a geração de mapas de médias anuais ou valores acumulados, tais como o excedente hídrico anual ou o déficit hídrico anual (Figura 2). Com o uso de modelos auxiliares também desenvolvidos na plataforma do Dinamica EGO, é possível extrair qualquer conjunto de valores obtidos em um determinado ponto do mapa, bastando para isso, indicar a coordenada de linha e coluna do mapa raster na qual se encontra a célula de interesse. Utilizando os dados climáticos do banco WorldClim e estabelecendo um valor de CAD igual a 100 mm, calculou-se o balanço hídrico climatológico normal para todo o Brasil na resolução espacial de 5 minutos (~ 9 km no Equador). Os seguintes testes de verificação foram executados: (a) P = ETP + ( P ETP); (b) P = ETR + EXC; (c) ETP = ETR + DEF; (d) ALT = 0. Um valor residual inferior a 0,001 foi encontrado nos testes (a) e (c), o que corresponde meramente ao truncamento de valores nos cálculos computacionais, caracterizando um resíduo já esperado. Para avaliar os resultados obtidos nesta versão do BHC espacializado, foram selecionadas 6 cidades em diferentes pontos do país: (1) Cabrobó, PE; (2) Chapecó, SC; (3) Boa Vista, RR, (4) Belo Horizonte, MG, (5) Corumbá, MS e (6) Rio Branco, AC. Para cada ponto, foram extraídos os valores mensais de DEF e EXC e combinados em um único gráfico para o BHC. Os resultados obtidos foram comparados com o extrato do BHC normal disponibilizado no website do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) e com os resultados do projeto BHBRASIL realizado por SENTELHAS et al. (1999) (disponível em: a partir de dados do INMET. A 3

4 Figura 3 apresenta o extrato do BHC para as localidades de Chapecó, Belo Horizonte, Rio Branco e Corumbá. 4- CONCLUSÕES Neste artigo foi apresentada uma versão espacializada do BHC normal, o qual, acredita-se, contribuirá para a flexibilidade e ampliação de suas aplicações, uma vez que os resultados, apresentados como mapas no formato raster, podem ser utilizados para extração de dados em qualquer ponto representado, ou podem mesmo servir como dados de entrada em outros modelos que requeiram seu uso. Figura 1. Fluxograma apresentando os principais componentes do modelo. Figura 2. (a) Precipitação anual, (b) Temperatura média anual, (c) Déficit hídrico acumulado e, (d) Excedente hídrico acumulado. 4

5 Figura 3. Extrato do BHC normal espacializado, considerando CAD = 100 mm. AGRADECIMENTOS: Os autores agradecem à Fundação de Amparo à Pesquisa do estado de Minas Gerais FAPEMIG, pelo apoio financeiro. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS: PEREIRA, A. R.; VILLA NOVA, N. A.; SEDIYAMA, G. C Evapo(transpi)ração. Piracicaba: FEALQ. 183p. THORNTHWAITE, C. W.; MATTHER, J. R The water balance. Publications in Climatology. New Jersey: Drexel Institute of Techonology, 104p. SENTELHAS, P.C.; PEREIRA, A.R.; MARIN, F.R.; ANGELOCCI, L.R.; ALFONSI, R.R.; CARAMORI, P.H.; SWART, S. BHBRASIL - Balanços Hídricos Climatológicos de 500 Localidades Brasileiras. Piracicaba: Departamento de Ciências Exatas, ESALQ/USP. CD-ROM DOURADO-NETO, D.; Van Lier, Q. J.; METSELAAR, K.; REICHARDT, K.; NIELSEN, D.R. General procedure to initialize the cyclic soil water balance by the Thornwaite and Mather method. Sci. Agric., v. 67, n. 1, p , SOARES-FILHO, B. S.; PENNACHIN, C. L.; CERQUEIRA, G. DINAMICA: a stochastic cellular automata model designed to simulate the landscape dynamics in an Amazonian colonization frontier. Ecol. Model., v. 154 n. 3, p , HIJMANS, R.J.; CAMERON, S.E.; PARRA, J.L.; JONES, P.G.; JARVIS, A. Very high resolution interpolated climate surfaces for global land areas. Int. J. Climatol., n. 25, p ,