ESTIMAÇÃO DO ALBEDO DE SUPERFÍCIE USANDO SENSORIAMENTO REMOTO: CONTRIBUIÇÕES PARA ESTUDOS SOBRE ILHAS DE CALOR URBANAS. Nancy Rios 1,3, Marcelo Corrêa1, Admir Targino 2, Simone Costa 3 1Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI), Instituto de Recursos Naturais, Itajubá, MG Brasil nalariga@gmail.com3 2Universidade Tecnológica Federal do Paraná, (UTFPR), Londrina, PR Brasil 3Divisão de Satélites Ambientais (das), Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) Cachoeira Paulista, -SP- Brasil RESUMO: Este trabalho realiza um estudo de albedo de superfície mediante o produto Albedo MCD43A1 do sensor MODIS BRDF/Terra+Aqua com resolução espacial de 500 m e 16 dias integrados, e estabelece relação deste com elementos urbanísticos da cidade de Londrina, PR. Londrina é considerada uma cidade de porte médio (aproximadamente 507 mil habitantes) onde as modificações do espaço deram lugar às edificações, redução de áreas verdes, impermeabilização do solo, provocando aumento da temperatura do ar e dos níveis de poluição atmosférica alterações tipicamente relacionadas com o fenômeno microclimático Ilha de Calor Urbana (ICU). Os resultados mostram que existem diferenças significativas de valores de albedo entre áreas com predominância vegetativa e aquelas onde existe maior quantidade de asfalto e telhado. Também observou-se que o albedo varia sazonalmente apresentando valores mais elevados no verão e diminuição na estação chuvosa do ano 2010. ABSTRACT: This study estimates surface albedo of an urban area using the MODIS BRDF/Terra+Aqua /albedo product (MCD43A1) with spatial resolution of 500 m and temporal resolution of 16 days. We classify different areas based on urban elements such as asphalt, vegetation, water and land and determine their relationship with surface albedo in Londrina (Paraná state), Brazil. The results show that there are significant differences in albedo values between green areas and areas with greater amount of asphalt and soil. It is also shown that the albedo varies seasonally, with higher values in the summer and a decrease during the rainy season in 2010. INTRODUÇÃO Albedo é a designação freqüentemente aplicada à refletância total de um dado sistema, expresso em porcentagem, considerando-se os quocientes entre o fluxo de radiação refletido e o fluxo incidente, ambos integrados sobre todo o espectro solar. Vários fatores influenciam a inferência do albedo da superfície, tais como a quantidade e os tipos de nuvens na atmosfera, a quantidade de material particulado na atmosfera, a quantidade de neve e corpos d'água na superfície, o tipo de cobertura vegetal, (por exemplo, tipo de culturas agrícolas), os tipos de cobertura artificial do solo nos meios urbanos, os tipos de solo nos terrenos arados, a quantidade de água retida pelas
partículas dos solos, entre outros. A determinação de valores de albedo pode ser difícil, devido às propriedades de refletância, absortância e espalhamento da radiação por parte das superfícies. Para levar em conta as propriedades direcionais das superfícies naturais, tem-se a função de distribuição da refletância bidirecional (BRDF), que proporciona a refletância medida em todas as possíveis direções fonte-alvo-sensor, descrevendo a contribuição de cada componente da irradiância incidente para a formação da radiância final do elemento de superfície na direção de reflexão. O uso de sensoriamento remoto possibilita obter valores aproximados e com certa acurácia, mediante o uso de satélites que medem refletividades em diferentes bandas para obter uma aproximação quase exata de valores de albedo de superfície em escala global, incluindo observações de freqüência temporal. Neste contexto, este estudo propõe a utilização do sensor Moderate Resolution Imaging Espectroradiometer (MODIS) do Sistema de Observação Terrestre (EOS) da National Aeronautics and Space Administration (NASA). O desenvolvimento desta ferramenta para inferência do albedo tem como objetivo contribuir para estudos de Ilha de Calor Urbana (ICU), uma vez que o albedo de materiais construtivos é calculado levando em consideração não somente a luz visível, mas também a radiação infravermelha e ultravioleta, dado que estas também influenciam o microclima urbano. A ICU é um fenômeno microclimático que afeta as grandes metrópoles, e é caracterizada pelo aumento de temperatura nas áreas centrais comparado com a temperatura nas áreas periféricas, dando origem a um campo espacial de temperatura semelhante à figura de uma ilha. Esse fenômeno é causado pela concentração de grandes edifícios e outras construções, ruas asfaltadas, população e veículos, elementos que absorvem radiação de onda curta em maior porcentagem e emitem radiação de onda longa que a sua vez é absorvido pelos gases atmosféricos provocando aumento da temperatura do ar (Souza e Baptista, 2005). OBJETIVOS O objetivo deste estudo é realizar uma avaliação quantitativa dos valores de albedo de superfície referentes aos diferentes elementos presentes na cidade de Londrina (23 19'S; 51 08'W; 608 m) em diferentes estações do ano (Fig. 1). Os objetivos específicos são: (a) classificar a cobertura espacial de diferentes áreas da cidade; b) estabelecer relações quantitativas entre os elementos urbanos e o uso do solo; c) desenvolver uma ferramenta para inferência do albedo de superfície usando o sensor MODIS: Produto Albedo MCD43A1, modelo paramétrico. MATERIAL E MÉTODOS Para este trabalho foram utilizados os produtos Albedo MCD43A1 do sensor MODIS/Terra+Aqua, com resulação espacial de 500m, resolução temporal de 16 dias e resolução radiométrica de 16 bits. As imagens foram adquiridas dos arquivos do Land Processes Distributed Active Archive Center (LP DAAC) da National Aeronautics and Space Administration (NASA). O albedo da superfície, chamado de Blue Sky Albedo (BLSA), é
calculado utilizando a equação 1 proposta por Schaaf (2004) e representa a soma do Black Sky Albedo (BSA) e o White Sky Albedo (WSA), correspondendo às componentes da radiação direta e difusa respectivamente, ponderados pela fração de irradiância difusa (FD): BLSA = (WSA FD) + BSA (1 FD) (1). A fração difusa (FD) necessária para a aplicação desta equação é obtida a través da tabela Skyl_lut table disponível no pacote computacional do produto MCD43A1. Essa tabela contém valores de FD em função do tipo de aerossóis (continentais ou marítimos), profundidade óptica (OD) (0 a 1, variando em passos de 0,02) e ângulo zenital solar (SZA) (0 a 89, variando em passos de 1 ) corrigidos dos efeitos atmosféricos (código 6S). O BLSA foi calculado no intervalo 0,250 4,000 µm que inclui os espectros ultravioleta, visível e infra-vermelho, utilizando a princípio o valor da profundidade óptica de 0,2 com a possibilidade de variá-lo. O SZA é função do horário, do dia do ano e da latitude, como pode ser observado na equação 2: cos(sza) = sen(lat) sen(d) + (cos(lat) cos(d) cos(h)).. (2) Onde: lat: latitude do ponto selecionado, d: declinação solar (0 a ±23,45) que pode ser calculada em graus mediante a seguinte equação: d = 23,45 sen [(360/365)*(DJ 80)], DJ: dia juliano (1 365), transcorridos desde o dia primeiro de Janeiro do ano que se deseja determinar a declinação solar (Bíscaro, 2007); h: ângulo horário = [(Hora local 12) *15]. Foram analisadas as passagens dos satélites Terra e Aqua sobre a América do Sul durante 2010. Em média, a passagem do Aqua sobre as regiões de estudo se dá entre às 5 e 17 UTC, e do Terra entre 1 e 14 UTC. Para calcular o ângulo horário foi utilizado 13 UTC como hora local, o que corresponde a um horário mais próximo ao meio dia solar e que está entre as passagens do Aqua e do Terra. Como a resolução temporal é de 16 dias, foram encontrados aproximadamente dois dados por mês.por exemplo, a primeira imagem de cada ano abarca o período 01de Janeiro até 16 de Janeiro; a segunda imagem, 17 de Janeiro até 01 de Fevereiro e assim por diante, para os quais foi adotado o dia do ano médio (DJ= 8 e DJ = 25) entre esses dois períodos. RESULTADOS E DISCUSSÃO A Fig. 2 ilustra os valores do BLSA em função dos 12 meses do ano 2010 para doze pontos da cidade de Londrina, estrategicamente escolhidos por apresentarem marcadas diferenças em porcentagem de elementos urbanísticos, tais como vegetação, asfalto, telhado, água e terra, previamente identificados mediante o uso do software SPRING. As lacunas na série temporal na Fig. 2 representam presença de nuvens e, portanto, não se tem registros de albedo. Em geral, o albedo foi um pouco mais elevado no verão, tendo um descenso no mês de março. Essa variação pode estar relacionada com a presença de água no solo. Segundo registro da climatologia de Londrina fornecido pelo Instituto Agropecuário do Paraná (IAPAR), março é um mês chuvoso o que significa que o solo está saturado de água existindo uma possibilidade de diminuição da refletância no espectro infravermelho solar e na faixa de onda curta devido ao escurecimento do solo, uma vez que as moléculas de água absorvem intensamente a radiação nestas faixas do espectro. A precipitação acumulada no mês de março de 2010 foi aproximadamente 330 mm,
superior à média climatológica de 150 mm. Entre todos os pontos, o que mostra maior albedo é o Campus da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, principalmente entre março e agosto. Este comportamento pode ser explicado pela existência de plantações nas imediações do campus, ocupada geralmente por soja e trigo.os valores observados poderiam corresponder ao estádio fenológico das mesmas onde os valores de albedo variam entre 15% e 24% (Souza, et. al., 2010). Entre maio e agosto o valor predominante é de 17% que corresponderia à fase vegetativa Figura 1- Área de estudo, ilustrando a localização da cidade de Londrina, e a posição dos pontos de monitoramento. Figura 2- Albedo em Londrina (PR) em função dos meses do ano 2010. A princípio, os cálculos do BLSA foram feitos para um valor fixo de OD = 0,2, através do qual foi possível estimar o valor da fração difusa mediante a tabela Skyl lut. A Fig. 3 mostra os valores de BLSA para variações de OD durante os meses de 2010 para o campus da UTFPR. Os picos mínimos ocorrem nos meses de março, setembro e outubro e podem estar relacionados às chuvas ocorridas na região. Segundo o site de monitoramento de focos de queimadas do CPTEC/INPE (http://sigma.cptec.inpe.br/queimadas/), em agosto de 2010 houve entre 20 e 50 focos de queimadas na região de Londrina o que poderia explicar esse aumento de albedo com o OD da Fig. 3, devido à presença de aerossóis na atmosfera ou ao transporte de fumaça de
queimadas de cana de açúcar no sul de São Paulo. Figura 3- Albedo da superfície em função dos meses do ano 2010 com diferentes profundidades ópticas (OD), para o Campus da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) CONCLUSÕES Sítios com predominância de asfalto é telhado apresentam geralmente valores menores de albedo em relação aos sítios com predominância de vegetação onde puderam observar-se os maiores valores. O albedo de superfície pode ser subestimado se não fosse considerado os efeitos do aerossol, este estudo mostra que na presença de um aerossol de OD = 0,5 (atmosfera poluída) pode acarretar um erro significativo (10%) do cálculo do albedo e erros de esta magnitude podem prejudicar as análises da relação entre albedo e as variáveis meteorológicas. AGRADECIMENTOS: À Divisão de Satélites Ambientais (DSA/CPTEC/INPE), onde parte desta pesquisa está sendo realizada (Dra. Simone SM Costa e Dr. Juan Ceballos). À Fundação de Amparo à Pesquisa de Minas Gerais (FAPEMIG) e à Organização Meteorológica Mundial (OMM) pela bolsa de estudos. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Bíscaro, G. A. 2007: Meteorologia Agrícola Básica. Primeira. ed. Cassilândia: Gráfica e Editora União Ltda - UNIGRAF, v. I. 87 p. Schaaf, C. 2004: MODIS Land Subsets. Oak Ridge National Laboratory DAAC, abril 2004. Disponivel em: <http://daac.ornl.gov/modis/modis-menu/mcd43.html>. Acesso em: 29 Março 2011. Souza, O.D., e Baptista, M. M.G, 2005: Análise da influência da resolução espacial na determinação das ilhas urbanas de calor em São Paulo, por meio dos sensores ASTER e MODIS. In: Anais... XII Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, Goiânia. 16-21 abril 2005, INPE, p. 4525-4530. Souza, P.J.O. et. al, 2010: Albedo da cultura da soja em área de avanço da fronteira agrícola na Amazônia. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, Campina Grande, PB, UAEA/UFCG, v.14, n. 1, p. 65 73, Maio 2010. ISSN 126.07.