Otimização do modelo metric para estimativas de evapotranspiração no cerrado brasileiro

• Ano de defesa: 2018
• Autor(a) principal: Bruno Silva Oliveira
• Orientador(a): Elisabete Caria Moraes
• Banca de defesa: Ieda Del'Arco Sanches, Luis Marcelo de Mattos Zeri, Gabriel de Oliveira
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Sensoriamento Remoto
• País: BR
• Resumo em Inglês: The Brazilian Cerrado has been the focus of world attention due to its great biological diversity and land cover/land use changes, caused by the expansion of agricultural activities. These changes cause impacts on water and energy balance, and, consequently, on evapotranspiration (ET), contributing to local and global climate change. The ET models that use remote sensing data as inputs are currently considered the best method to represent the spatial and temporal dynamic of this variable, however, its application is limited by the availability of surface meteorological data. In this study we evaluated the potential of METRIC (Mapping EvapoTranspiration at high Resolution with Internalized Calibration) model to estimate the energy balance fluxes and ET over four heterogeneous Cerrado regions. The estimates were evaluated by comparing them to flux tower data collected over sugarcane (USR site), woody cerrado (PDG site) and stricto-sensu cerrado (RECOR site) areas. The broadband albedo submodel was adjusted by applying solar radiation simulations with the SMARTS2 model and radiometry data collected during fieldworks. METRIC was initially applied in its standard form, with MODIS images and meteorological data observed at the experimental sites. In the second phase, in order to the model become independent of surface meteorological data, to improve the spatial resolution of the outputs, and to reduce processing time, the simulations were performed by applying only MODIS and reanalysis (GLDAS) data; spatial sharpening of MOD11 thermal band (1km to 250 meters) and automation of anchor pixels selection for the internal calibration. The surface albedo model adjustment led to deviations between 10-21% and maximum RMSE=0.03. The global algorithm for thermal disaggregation allowed to simulate the land surface temperature with R²>0.68 and RMSE<2.1°C. METRIC in its standard form presented consistent results for net radiation (Rn)(R²>0.94 and RMSE<75 W m- 2), however it underestimated this flux by 8 and 9% in sugarcane and woody cerrado, respectively. Latent heat flux (LE) was accurately estimated at PDG and RECOR sites but underestimated by 5% at USR site (R²=0.94 and RMSE=42.88 W m-2). METRICderived ET estimates showed agreement with ground data at USR and PDG sites, but at RECOR site ET was overestimated by 14% (R²=0.96 and RMSE=0.75 mm day-1). METRIC model adjusted and fed by GLDAS simulated obtained Rn results close to those obtained in the first simulation but overestimated this flux by 7% at USR and PDG sites (R²>0.93 and RMSE<80 W m-2). With this configuration, the model overestimated ET by 25% and 26% in sugarcane and stricto-sensu savanna, respectively. The zonal means extracted for different land cover types (TerraClass Cerrado map) showed that, among the four study areas evaluated, the surface energy fluxes and ET are similar in magnitude and seasonal variation, with direct dependence on available energy, precipitation, soil moisture and NDVI.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21c/2018/08.13.20.15

O bioma Cerrado tem sido foco da atenção mundial, devido à sua grande diversidade biológica e às mudanças de uso e cobertura da terra que sofre com a expansão da agricultura. Essas mudanças causam impactos no balanço hídrico e de energia e, consequentemente, na evapotranspiração (ET), contribuindo para as mudanças climáticas local e global. Os modelos de ET com dados de sensoriamento remoto são atualmente a forma mais adequada para representar a dinâmica espacial e temporal dessa variável, no entanto sua aplicação é limitada pela disponibilidade de dados meteorológicos de superfície. Neste estudo o modelo METRIC (Mapping EvapoTranspiration at high Resolution with Internalized Calibration) foi aplicado em quatro regiões heterogêneas no Cerrado brasileiro, avaliando-se sua performance em estimar o balanço de energia e a ET. As estimativas foram avaliadas por comparação com fluxos observados por sistemas eddy covariance instalados sobre áreas de cana-de-açúcar (sítio USR), Cerrado denso (sítio PDG) e Cerrado sensu-stricto (sítio RECOR). O submodelo de albedo da superfície foi ajustado utilizando simulações de irradiância solar do modelo SMARTS2 e dados de radiometria coletados em campo. O METRIC foi aplicado inicialmente em sua forma padrão, com imagens MODIS e dados meteorológicos observados nos sítios experimentais. No segundo momento, para tornar o modelo independente de dados meteorológicos de superfície, melhorar a resolução espacial dos resultados e reduzir o tempo de processamento, as simulações foram realizadas aplicando-se somente dados MODIS e dados meteorológicos de reanálise (GLDAS), desagregação da banda termal do MOD11 (de 1km para 250 metros) e automatização da seleção de pixels âncora para a calibração interna do modelo. O ajuste no submodelo de albedo levou a desvios entre 10- 21% e máximo RMSE=0,03. O algoritmo de desagregação da banda termal permitiu simular a temperatura da superfície com R²>0,68 e RMSE < 2,1°C. O METRIC em sua forma padrão obteve resultados consistentes para o saldo de radiação (Rn) (R²>0,94 e RMSE<75 W m-2), porém subestimou esse fluxo em 8 e 9% na cana-de-açúcar e no Cerrado denso, respectivamente. O fluxo de calor latente (LE) foi estimado com precisão nos sítios PDG e RECOR, porém subestimado em 5% no sítio USR (R²=0,94 e RMSE=42,88 W m-2). A ET real foi estimada com precisão nos sítios USR e PDG, porém foi superestimada em 14% no sítio RECOR (R²=0,96 e RMSE=0,75 mm dia-1). O modelo ajustado e alimentado por dados meteorológicos do GLDAS obteve estimativas de Rn similares às da primeira aplicação, porém o esse fluxo foi superestimado em 7% nos sítios USR e PDG (R²>0,93 e RMSE<80 W m-2). Com essa configuração o modelo superestimou a ET em 25% e 26% na cana-de-açúcar e no Cerrado sensu-stricto, respectivamente. As médias zonais extraídas para diferentes classes de cobertura da terra do mapa do TerraClass Cerrado mostraram que entre as quatro áreas de estudo avaliadas os fluxos de energia e a ET são similares quanto à magnitude e variação sazonal, mostrando-se fortemente influenciados pela energia disponível, precipitação, umidade no solo e NDVI.