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Alternativas para utilização e otimização do método ASCE Penman-Monteith na ausência de dados em quantidade e qualidade

Authors
  • Rosa, Stefanie Lais Kreutz
Publication Date
Oct 03, 2023
Source
Repositório Digital Institucional da UFPR
Keywords
License
Unknown

Abstract

Orientador: Prof. Dr. Jorge Luiz Moretti de Souza / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Agrárias, Programa de Pós-Graduação em Ciência do Solo. Defesa : Curitiba, 03/03/2023 / Inclui referências / Resumo: A evapotranspiração de referência (ET0) é fundamental para o entendimento da demanda hídrica das culturas de interesse econômico. As dificuldades e limitações associadas à medição direta da ET0 torna necessário o uso de métodos de medição indireta. O método indireto comumente aceito, utilizado para estimar a ET0, é a equação de Penman-Monteith (ASCE-PM; ET0 PM). No entanto, o método pode levar a dificuldades quanto ao levantamento e obtenção dos dados de entrada necessários nas equações, devido à ausência e/ou falha de leitura das variáveis climáticas em estações de superfície. O método ASCE-PM, apesar de considerado padrão, exige diversos procedimentos metodológicos de cálculo, que podem levar a dúvidas quanto à precisão de algumas variáveis do modelo, como ocorre com o saldo de radiação ou radiação líquida (Rn), que é a força motriz de energia para o processo da evapotranspiração (ET), fotossíntese e aquecimento do solo e do ar. Teve-se por objetivo no presente estudo: verificar a grandeza, sazonalizade e associação entre as variáveis climáticas relacionadas à temperatura do ar (Tmáx, Tmín,Tméd), umidade relativa do ar (URmáx, URmín, URméd), velocidade do vento (U2) e radiação solar (Rs, Rns, Rnl e Rn) "medidas em estações meteorológicas de superfície vs estimadas com modelos ou disponibilizadas na plataforma NASA POWER"; analisar a sensibilidade da evapotranspiração de referência (ET0PM) em relação às variáveis de entrada (Tméd, u2, Rn e DPV) na metodologia ASCE-PM, para os principais tipos climáticos globais; bem como, quantificar a influência das variáveis de entrada e suas variações na estimativa da ET0PM, com as metodologias ASCE-PM padrão e simplificada. A presente tese encontra-se estruturada em quatro Capítulos: Capítulo I - Referencial teórico; Capítulo II - Determinação do saldo de radiação solar de forma alternativa e sua influência na estimativa da evapotranspiração de referência; Capítulo III - Consistência dos dados de satélite da NASA POWER em relação aos medidos em estações de superfície da Organização Meteorológica Mundial para os principais tipos climáticos globais, e; Capítulo IV - Análise de sensibilidade do modelo ASCE-PM para os climas globais e associação da evapotranspiração de referência estimada com metodologia padrão e simplificada. As análises indicaram que: i) As funções para a estimativa da radiação de onda longa (RnlA e RnlAAE) com os modelos de Allen e Allen / ASCE-EWRI, respectivamente, foram imprecisas e interferiram no cálculo dos saldos de radiação RnA e RnAAE. A estimativa do RnHS por meio da calibração e validação dos parâmetros alfa0 e alfa1 do modelo linear "RSHS vs Rn", que considera a radiação solar incidente (Rs) calculada com o modelo de Hargreaves e Samani (RSHS) e o Rn medido em estação meteorológica de superfície, permitiram melhores resultados e indicadores estatísticos. O RSHS calculado com os parâmetros alfa0 e alfa1 calibrados permitiram estimar evapotranspirações de referência (ET0RnHs) similares à evapotranspiração de referência estimada com o Rn medido (ET0Rn), confirmando a qualidade dos parâmetros para estimar o Rn no município de Piracicaba, Estado de São Paulo; ii) Com exceção da velocidade média do vento a dois metros de altura (u2), os demais dados estimados pela NASA POWER (Tmín, Tmáx , URméd, RS) foram muito similares às medidas obtidas em estações de superfície, nos diferentes climas globais. A ET0PM, calculada para as localidades situadas nos climas que apresentaram o pior e melhor indicador estatístico, indicou bons ajustes mesmo para a pior condição, confirmando a precisão dos dados estimados pela NASA POWER para o uso na agricultura; iii) A análise de sensibilidade do método ASCE-PM indicou que o Rn e déficit de pressão de vapor (DPV) foram mais atuantes na estimativa da ET0PM. Os cenários e testes com o método ASCE-PM indicaram que a ET0PM estimada com dados alternativos (ET0PM ,e,NASA e ET0PM,e, HS) superestimou a ET0PM calculada com dados medidos (ET0PM,m). A metodologia simplificada (ET0PM,e,simplificado) que considerou o RnHS (calculado com os parâmetros alfa0 e alfa1 calibrados no Capítulo II), associou-se muito bem à ET0PM,m, estimada com valores medidos, sendo uma alternativa promissora para estimar a ET0 no município de Piracicaba, Estado de São Paulo. / Abstract: Reference evapotranspiration (ET0) is crucial to understanding the water requirement of agricultural market crops. The difficulties and limitations associated with direct measurement of ET0 make it necessary to use indirect methods. The commonly accepted indirect method used to estimate ET0 is the Penman-Monteith equation (ASCE-PM; ET0PM). However, the method can lead to difficulties in surveying and obtaining the necessary input data in the equations due to the absence and/or failure of climate variables records in surface weather stations. Although considered standard, the ASCE-PM method requires several methodological calculation procedures that may lead to doubts regarding the accuracy of some model variables, such as the radiation balance or net radiation (Rn), which is the driving energy force for the process of evapotranspiration (ET), photosynthesis, soil and air heat flux. The aim of this study was: to verify the magnitude, seasonality, and association between the climatic variables related to air temperature (Tmax, Tmin, Tmean), relative humidity (RHmax, RHmin, RHmean), wind speed (u2), and solar radiation (RS, Rns, Rnl, Rn) "measured at surface weather stations vs estimated with models or provided by the NASA POWER database"; to analyze the sensitivity of the input variables (Tmean, u2, Rn, DPV) to estimate the ET0PM with the ASCE-PM methodology for the main global climate types; as well as, to quantify the influence of the input variables and their variations in the ET0PM estimation, with the standard and simplified ASCE-PM methodologies. This thesis is structured into four Chapters: Chapter I - Theoretical structure; Chapter II - Alternative procedure to determine the net radiation balance and its influence in the estimation of the reference evapotranspiration; Chapter III - Assessment of NASA POWER satellite data and surface weather stations of the World Meteorological Organization for the main climate types worldwide, and; Chapter IV - Sensitivity analysis of the ASCE-PM model for climates worldwide and association of estimated reference evapotranspiration with standard and simplified methodology. The analyzes showed that: i) The functions for estimating longwave radiation (RnlA and RnlA AE) with Allen and Allen / ASCE-EWRI models, respectively, were inaccurate and interfered in the calculation of the RnA and RnAAE radiation balances. The RnHS estimation through the calibration and validation of the parameters alfa0 and alfa1 of the linear model "RSHS vs Rn", which considers the incident solar radiation (Rs) calculated with the Hargreaves and Samani equation (RSHS) and the Rn measured at the surface weather station, allowed better results and statistical indicators. The RSHS calculated with calibrated alfa0 and alfa1 parameters allowed estimating reference evapotranspiration (ET0Rn,HS) similar to the reference evapotranspiration estimated with measured Rn (ET0Rn), confirming the quality of the parameters of estimating Rn in the location of Piracicaba, São Paulo State; ii) Except for the mean wind speed at two meters height (u2), the other data estimated by NASA POWER (Tmin, Tmax, RHmean, RS) were very similar to the measurements obtained from surface weather stations in different climates worldwide. The ET0PM, calculated for the sites located in climates that presented the worst and best statistical indicator, indicated satisfactory adjustments even for the worst condition, confirming the accuracy of estimated NASA POWER data for use in agriculture; iii) The sensitivity analysis of the ASCE-PM method indicated that the Rn and vapor pressure deficit (DPV) were more active in the ET0PM estimation. The scenarios and tests with the ASCE-PM method showed that the ET0PM estimated with alternative data (ET0PM,e,NASA and ET0PM,e,HS) overestimated the ET0PM calculated with measured data (ET0PM,m). The simplified methodology (ET0PM,e,simplified), which considered the RnHS (calculated with the parameters alfa0 and alfa1 calibrated in Chapter II), was associated very well with the ET0PM,m estimated with measured values, being a promising alternative to estimate the ET0 in the location of Piracicaba, São Paulo State.

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