XIX Congresso Brasileiro de Agrometeorologia 23 a 28 de agosto de 2015 Lavras MG Brasil Agrometeorologia no século 21: O desafio do uso sustentável dos biomas brasileiros Sistema de informações geográficas e geoestatística aplicados à caracterização espaço-temporal da evapotranspiração potencial em Minas Gerais estimada por Penman-Monteith-FAO e Thornthwaite 1 Luiz Gonsaga de Carvalho 2 ; Marcelo de Carvalho Alves 3 ; Marcelo Silva de Oliveira 4 ; Rubens Leite Vianello 5 ; Gilberto C. Sediyama 6 ; Pedro Castro Neto 7 ; Antonio Augusto Aguilar Dantas 8 1 Trabalho modelo apresentado no XIV Congresso Brasileiro de Meteorologia, 27 nov. a 1 dez. 2006 2 Eng. Agrícola, Prof. Associado, Depto. de Engenharia, UFLA, Lavras MG, Fone: (35)3829-1678, lgonsaga@deg.ufla.br 3 Agrônomo, Prof. Adjunto, Depto. de Engenharia, UFLA, Lavras MG, marcelocarvalhoalves@gmail.com 4 Eng. Agrícola, Prof. Associado, Depto. de Ciências Exatas, UFLA, Lavras MG, marcelo.oliveira@dex.ufla.br 5 Meteorologista, Pesquisador, Chefe de Distrito, INMET, Belo Horizonte MG, rubens.vianello@inmet.gov.br 6 Agrônomo, Prof. Titular, Depto. Engenharia Agrícola, UFV, Viçosa MG, g.sediyama@ufv.br 7 Agrônomo, Prof. Titular, Depto. Engenharia, UFLA, Lavras MG, pedrocn@deg.ufla.br 8 Agronomia, Prof. Associado, Depto. Engenharia, UFLA, Lavras MG, auau@deg.ufla.br RESUMO: Objetivou-se com o presente trabalho utilizar a geoestatística para mapear a evapotranspiração potencial (ETp) mensal e anual, estimada pelos métodos de Penman-Monteith-FAO (PM) e de Thornthwaite (TW). O método PM foi tratado neste trabalho como estimador da ETp, embora esta seja conceitualmente denominada evapotranspiração de referência (ETo). Os dados utilizados foram referentes às estações climatológicas do INMET e pluviométricas da ANA. No caso das estações da ANA, regressões múltiplas foram utilizadas para estimar a temperatura média mensal. A ETp foi estimada pelo método PM com base em dados de estações climatológicas localizadas em Minas Gerais e correlacionada com a ETp estimada pelo método TW, para se estimar a ETp nas demais estações por PM. Em seguida procedeu-se à espacialização da ETp por krigagem ordinária (KO). Pôde-se observar nos mapas, para todos os meses do ano, menores valores de ETp, principalmente nas regiões Sul, Metalúrgica, Zona da Mata e parte do Alto São Francisco e Triângulo. Com o uso de Sistema de Informações Geográficas foi possível comparar as áreas de subdivisões climáticas classificadas com base nas ETp s anuais. Observou-se para o método PM, áreas classificadas como megatérmico (A ), mesotérmico (B 4) e menor ocorrência do mesotérmico (B 3). Entretanto, para o método TW, além de áreas nas classes A e B 4, observou-se maior ocorrência da subdivisão climática B 3 e ainda o mesotérmico (B 2). PALAVRAS-CHAVE: índice térmico, zoneamento climático, climatologia Geographic information system and applied to geostatistics characterization of space-time potential evapotranspiration of Minas Gerais State, Brazil, estimated by FAO-Penman-Monteith and Thornthwaite ABSTRACT: In the present work geoestatistics was used to map the potential evapotranspiration (ETo) calculated by Penman-Monteith-FAO method (PM) and the potential evapotranspiration rates calculated by Thornthwaite method (TW), on monthly and annual basis. PM method is used as reference to calculate the ETo, but in this work was used to calculate the potential evapotranspiration (ETp). The climatological data basis were obtained from INMET and the rainfall data from ANA stations. In the case of ANA's stations, the monthly average temperatures were estimated by multiple regressions. The ETo was calculated by PM using climatological stations at Minas Gerais and correlated with the ETp calculated by TW method for the other stations. Then, the ordinary kriging (OK) interpolation method was used to map the ETp or ETo. It could be observed in the maps, for all of the months of the year, smaller values of ETp, mainly in the regions, Sul, Metalúrgica, Zona da Mata and part of Alto São Francisco and Triângulo. Using Geographical Information Systems it was
possible to compare the areas of the climatic types classified based on the annual ETp s. It was observed for the PM method, areas classified as megathermic (A ), mesothermic (B 4) and less occurrence of the mesothermic (B 3). However, for the method TW, besides areas in the classes A and B'4, it was observed higher occurrence of the climatic type B 3 and further the mesothermic (B 2). KEY WORDS: heat index, climatic zoning, climatology INTRODUÇÃO Com o balanço hídrico climatológico proposto por Thornthwaite e Mather (1955) pode-se obter informações sobre a disponibilidade hídrica local ou regional, contabilizando-se as entradas e saídas de água no sistema solo-planta de acordo com a capacidade de armazenamento de água pelo solo. Para isso, pode-se utilizar a temperatura para calcular a evapotranspiração potencial (ETp) pelo método de Thornthwaite (1948) e assim, representar o processo de transferência de água do sistema solo-planta para a atmosfera. Apesar disso, a Comissão Internacional de Irrigação e Drenagem (ICID) e a Organização das Nações Unidas para Agricultura e Alimentação (FAO), consideram o método de Penman-Monteith-FAO (Allen et al., 1998) como padrão de estimativas da evapotranspiração, com base em dados meteorológicos, sendo utilizado também para avaliar outros métodos (Smith et al., 1990). Nesse método, as melhores estimativas da ETp são obtidas em função de sua formulação físicomatemática do processo evapotranspirativo e pelo maior número de variáveis consideradas, aumentando a acurácia das estimativas (Allen et al., 1998). Por outro lado, sua utilização prática é restrita pela demanda de maior número de elementos climáticos (Jacomazzi, 2004). Assim, objetivou-se com o presente trabalho, comparar estimativas da evapotranspiração potencial (ETp) para o estado de Minas Gerais, com base nos métodos de Penman-Monteith-FAO (PM) e Thornthwaite (TW). MATERIAIS E MÉTODOS Os dados utilizados foram oriundos das Normais Climatológicas (1961-1990), (BRASIL, 1992), e dados de estações pluviométricas da Agência Nacional de Águas (ANA), disponíveis na internet (www.ana.gov.br), (Figura 1). Utilizaram-se equações de regressão múltipla para estimar a variável primária, temperatura, nas estações da ANA (Sediyama e Mello Jr., 1998) e regressão linear para relacionar a evapotranspiração de PM com a de TW (Tabela 1). Ressalta-se que, a evapotranspiração de referência estimada por PM ficou denominada, para os propósitos deste trabalho, de evapotranspiração potencial por se tratar de um estudo climatológico. Os resultados foram espacializados pela técnica de krigagem ordinária, a fim de caracterizar a estrutura e magnitude de dependência espacial da ETp em Minas Gerais. Utilizou-se de Sistema de Informações Geográficas para calcular áreas geográficas no estado de forma a comparar os métodos de cálculo da ETp por PM e TW.
Figura 1. Localização das estações climatológicas do INMET e estações pluviométricas da ANA utilizadas para estimar a evapotranspiração potencial no estado de Minas Gerais. RESULTADOS E DISCUSSÃO Com base no resumo das regressões lineares efetuadas entre as ETp s estimadas, observou-se tendência de subestimação da ETp estimada por TW quando comparada à ETp por PM, com correlação positiva entre elas (Tabela 1). Com a análise descritiva das variáveis e ajuste de modelos de regressão linear aos dados, pôdese constatar menores valores de ETp e maior amplitude do índice térmico quando a ETp foi estimada por TW do que pelo método PM. Nesse caso, houve provavelmente maior valor da ETp nas estimativas pelo método PM em função da melhor formulação físico-matemática do processo evapotranspirativo e maior número de variáveis consideradas (Smith, 1991). Assim, em virtude da maior acurácia do método PM e da disponibilidade de equipamentos necessários para sua determinação, Vescove e Turco (2005) também consideraram importante comparar estimativas de diferentes métodos de cálculo da evapotranspiração com o método PM, a fim de estabelecer equações de correção para minimizar os erros de cálculo de metodologias menos restritivas. Nos resultados das ETp s submetidos ao ajuste de modelos de semivariograma, constatou-se dependência espacial para todas as variáveis, em todas as épocas avaliadas, bem como a estrutura e magnitude dessa dependência. Posteriormente a krigagem ordinária foi utilizada para interpolar as variáveis em Minas Gerais e caracterizar o padrão espaço-temporal da ETp no estado, para as estações climáticas verão, outono, inverno e primavera, representadas pelos meses de janeiro, abril, julho e outubro, respectivamente (Figura 2).
Tabela 1. Modelos de regressão utilizados para correlacionar a evapotranspiração (ETp) pelo método de Penman-Monteith-FAO (Allen et al., 1998) com a ETp estimada por Thornthwaite (1948), nos meses de janeiro a dezembro, com base nas Normais Climatológicas (1961-1990) para todo o estado de Minas Gerais Mês Modelo r 2 Janeiro Y = 2,19034481232 + 0,43457448776x 0,48 Fevereiro Y = 2,13866518349 + 0,46204377078x 0,48 Março Y = 1,63884274360 + 0,52310152672x 0,55 Abril Y = 1,17614168142 + 0,59671031004x 0,53 Maio Y = 0,78794217748 + 0,66746283155x 0,58 Junho Y = 0,49692134083 + 0,82602017909x 0,50 Julho Y = 0,65122114680 + 0,89406141525x 0,49 Agosto Y = 0,60674801344 + 1,03918236412x 0,60 Setembro Y = 0,70200921062 + 0,98319617340x 0,63 Outubro Y = 1,14746183269 + 0,75954590303x 0,63 Novembro Y = 1,80158533909 + 0,53539022422x 0,51 Dezembro Y = 1,85985055902 + 0,46954570291x 0,52 Observou-se também, de forma geral, para os demais meses do ano, para ambos os métodos de estimativa da ETp, maiores valores principalmente em parte das regiões Noroeste, Jequitinhonha, Leste (Rio Doce), extremo leste da Zona da Mata e sul do Triângulo. Menores valores de ETp foram observados nas regiões Sul, Metalúrgica, Zona da Mata, parte do Alto São Francisco, norte e leste do Triângulo. Lemos Filho (2005) também obteve resultados semelhantes ao do presente estudo ao caracterizar a variabilidade espaço-temporal da ETo para o estado de Minas Gerais com o método de PM. Nesse caso, ao espacializar os dados por meio do método do inverso da potência da distância, o autor observou menores valores de ETo nas regiões Sul, Alto São Francisco e Zona da Mata, sendo que nas regiões Noroeste e Norte houve maiores valores de ETo. De posse dos valores de ETp mensal, pôde-se calcular a ETp anual, de forma a caracterizar diferentes subdivisões climáticas de acordo com o índice térmico da classificação climática de Thornthwaite (1948) (Vianello e Alves, 1991) (Figura 3). Assim, observou-se com o método de PM, a predominância de subdivisões dos tipos megatérmico A e mesotérmico (B 4). Já para o método de TW, verificou-se além dos tipos climáticos A e B 4, o tipo mesotérmico (B 3). Com o uso de Sistema de Informações Geográficas (SIG) foi possível calcular as áreas e comparar as subdivisões climáticas classificadas com base na ETp anual estimada por PM e TW (Figura 4). Assim, observou-se para o método PM, áreas classificadas como A, B 4 e pouca ocorrência do B 3. Já para o método TW, além de áreas nas classes A e B 4, observou-se maior ocorrência na classe B 3, além da ocorrência do mesotérmico (B 2). Pretende-se em pesquisas futuras utilizar diferentes metodologias de Sistema de Informações Geográficas, Geoestatística e Estatística, a fim de aprimorar e comparar os resultados obtidos no presente estudo.
Figura 2. Representação da evapotranspiração potencial de janeiro, abril, julho e outubro, estimada pelos métodos de Penman-Monteith-FAO (PM) (a-d) e Thornthwaite (TW) (e-h), com base nas Normais Climatológicas (1961-1990), no estado de Minas Gerais, espacializadas por krigagem ordinária, nos meses de janeiro (a, e), abril (b, f), julho (c, g) e outubro (d, h). Figura 3. Representação da evapotranspiração potencial anual em classes conforme o índice térmico anual da classificação climática de Thornthwaite, estimada pelo método de Penman-Monteith-FAO (PM) (a) e de Thornthwaite (TW) (b) no estado de Minas Gerais, espacializadas por krigagem ordinária. Figura 4. Áreas das subdivisões climáticas estabelecidas segundo o índice térmico anual de Thornthwaite, com a evapotranspiração potencial estimada pelo método de Penman-Monteith-FAO (PM) e de Thornthwaite (TW) no estado de Minas Gerais, espacializadas por krigagem ordinária. CONCLUSÕES Com o uso de Sistema de Informações Geográficas e Geoestatística foi possível caracterizar a variabilidade espaço-temporal da evapotranspiração potencial (ETp) de Minas Gerais, com base nos métodos de Penman-Monteith-FAO (PM) e de Thornthwaite (TW). Observaram-se maiores valores de evapotranspiração potencial com o uso do método de PM do que o de TW.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALLEN, R.G. et al. Crop evapotranspiration - guidelines for computing crop water requirements. Rome: FAO, 1998. 297 p. (Irrigation and Drainage Paper, 56). BRASIL. Ministério da Agricultura e Reforma Agrária. Secretaria Nacional de Irrigação. Departamento Nacional de Meteorologia. Normais climatológicas (1961-1990). Brasília: 1992. 84 p. JACOMAZZI, M. A. Programa para estimativa do rendimento das culturas pela simulação da irrigação por balanço hídrico seqüencial. 2004. 101 p. Dissertação (Mestrado em Agronomia) - Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz, Piracicaba, SP, 2004. LEMOS FILHO, L. C. A. Análise espaço-temporal da evapotranspiração de referência para o estado de Minas Gerais. 2005. 76p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Agrícola) Universidade Federal de Lavras, Lavras, MG, 2005. SEDIYAMA, G.; MELLO Jr., J. C. Modelos para estimativas das temperaturas normais mensais médias, máximas, mínimas e anual no estado de Minas Gerais. Revista Engenharia na Agricultura. Viçosa, v. 6, n. 1, p. 57-61, 1998. SMITH, M. et al. Expert consultation on revision of FAO methodologies for crop water requirements. Rome: FAO, 1990. 59 p. THORNTHWAITE, C. W. An approach towards a rational classification of climate. Geographycal Review, London, n. 38, p. 55-94, 1948. VESCOVE, H. V.; TURCO, J. E. P. Comparação de três métodos de estimativa da evapotranspiração de referência para a região de Araraquara SP. Engenharia Agrícola, Jaboticabal, v. 25, n. 3, p. 713-721, set./dez. 2005. VIANELLO, R.L.; ALVES, A.R. Meteorologia básica e aplicações. Universitária/UFV, 1991. 449 p. Viçosa: Imprensa