Revista de Teledeteccin. 1999

Evapotranspiracin estimada a partir de la temperatura radiativa: 2. Aplicacin a imgenes AVHRR- NOAA M. Ibez* y V. Caselles** *Dept. Medi Ambient i Ciencies del Sol, Universitat de Lleida, Av. Rovira Roure 177, 25198 Lleida (Spain) E-mail: m.ibanez@macs.udl.es **Dept. Termodinamica, Universitat de Valencia, Doctor Moliner 50,46100 Burjassot-Valencia (Spain)

RESUMEN El mtodo razn de Bowen radiativa-balance de energa es aplicado para estimar la evapotranspira- cin a escala regional incorporando la informacin aportada por las imgenes de satlite. Los datos del sensor AVHRR-NOAA permiten determinar el albedo y la temperatura radiativa de superficie. La metodologa desarrollada se aplica en un ejemplo concreto de un da de verano y se comparan los resultados con el flujo de calor latente estimado mediante la metodologa tradicionalmente utilizada en superficie FAO-24. PALABRAS CLAVE: Evapotranspiracin, razn de Bowen radiativa, A VHRR.

ABSTRACT The radiative Bowen ratio - Energy balance meth- od is applied for estimating evapotranspiration at regional scale using the information obtained from satellite images. Albedo and surface radiative temperature are determined from AVHRR-NOAA data. The methodology developed is applicated for a given summer day and the results are compared with the latent heat flux estimationes given by fue surface traditional methodology FAO-24. KEY WORDS: Evapotranspiration, radiative Bowen ratio, AVHRR.

INTRODUCCION

El progreso en la determinacin de la evapo-transpiracin a partir de la temperatura radiativa en superficie ha sido prcticamente simultneo con el desarrollo de algoritmos aplicables a imgenes captadas desde satlites. Un bloque importante de los trabajos dedicados al tema se basan en la for-mulacin aerodinmica. Estos expresan el flujo de calor sensible directamente como una funcin de la diferencia entre la temperatura radiativa de la su-perficie y la temperatura del aire junto con una resistencia aerodinmica que depende entre otros factores de la velocidad del viento y la estructura de la cubierta. Evaluando la radiacin neta y el flujo de calor en el suelo, la evapotranspiracin se determina como trmino residual en la ecuacin de balance de energa (Moran et al., 1989, Caselles y Hurtado, 1992, Choudhury, 1994, Kustas et al., 1994).

Las limitaciones de este mtodo han sido ex-puestas proponindose una aproximacin alternati-va, el mtodo razn de Bowen radiativa-balance de energa, que con datos tomados en superficie da mejores resultados en cubiertas completas sin estrs hdrico (Ibez y Caselles, en este mismo nmero).

La aplicacin de los modelos desarrollados en superficie a imgenes de satlite presenta enormes dificultades tericas y prcticas. Junto con los cuestionamientos hechos a cualquier mtodo de

superficie que incorpore la temperatura radiativa hay que aadir por lo menos dos dificultades im-portantes: el problema de la escala y la realizacin de las medidas a distancia.

El problema de la escala es debido a la resolu-cin espacial de los sensores operativos en la ac-tualidad. El sensor AVHRR-NOAA, el nico con dos bandas adecuadas en el infrarrojo trmico para tener una estimacin aceptable de la temperatura de superficie, obliga a trabajar con datos que son valores promedio de un rea mayor de 1 km2. La utilizacin de la formulacin aerodinmica no es posible pues sta incorpora parmetros que no son estimables a una escala en la que la heterogeneidad del pxel es segura (Zhang et al. 1995).

Al realizar las medidas de temperatura y reflec-tividad de la superficie desde satlite incorporamos nuevas imprecisiones en las estimaciones de la evapotranspiracin. Las principales fuentes de error son el efecto atmosfrico y la emisividad de la superficie. Cuando la diferencia de temperaturas entre la cubierta y el aire es pequea induce a un gran error en el flujo de calor sensible, incluso de un 50% (Choudhury 1991). La correccin de la temperatura radiativa debida al efecto atmosfrico y la emisividad de superficie ya han sido bien resueltos (Coll et al., 1994 y Valor y Caselles, 1996).

En la segunda parte de este trabajo se presenta una metodologa para aplicar el mtodo razn de

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Bowen radiativa-balance de energa a escala regio-nal que, tal y como se ha expuesto en la primera parte de este estudio, ha dado buenos resultados en superficie. Esta aproximacin evita la incorpora-cin de parmetros como la velocidad del viento y la altura del cultivo difcilmente evaluables a esca-la regional. Los resultados obtenidos con la meto-dologa desarrollada se comparan con los obteni-dos a partir de la metodologa FAO-24 que es la ms extensamente aplicada en estimaciones de la evapotranspiracin en superficie a escala regional para planificacin, diseo y gestin de zonas rega-das.

METODOLOGIA En esta seccin se exponen dos mtodos de es-

timacin de la evapotranspiracin a escala regio-nal. El primero nicamente utiliza medidas de superficie mientras que el segundo incorpora la informacin aportada por los satlites.

Mtodo de superficie FAO-24

El mtodo ms extendido para estimar la evapo-transpiracin en zonas de intensa explotacin agrcola consiste en multiplicar la evapotranspiracin de referencia por un factor que refleja el estado de la vegetacin. Este factor naturalmente es una funcin del tiempo a lo largo del periodo de desarrollo del cultivo (Doorenbos and Pruitt 1977). Para determinar la evapotranspiracin de referencia se han propuesto diferentes alternativas pero actualmente se recomienda cuando sea factible su aplicacin el mtodo de Penman-Monteith (Smith 1991). Esta expresin da muy buenos resultados debido a que tanto la resistencia aerodinmica como la de la cubierta son bien conocidas para el cultivo de referencia (Allen et al. 1994a, b). La evapotranspiracin se estima segn la ecua-cin de Penman-Monteith, a partir de la siguiente expresin:

(1) 0.34u)(1

)e-(eu T

900 G)-(Rn 0.408E

daa

PM ++++= 273

donde (EPM es evapotranspiracin del cultivo de

referencia (mm d-1), (es la pendiente de la curva de presin de vapor saturante (kPaoC-I), (es la cons-tante psicromtrica (kPaC-1), Rn es la radiacin neta (MJ m-2 d-1), G es el flujo de calor en el suelo (MJ m-2 d-1), Ta es la temperatura media del aire (C), (ea-ed) es el dficit de presin de vapor (kPa), u es la velocidad media del viento (ms-1), 900 es un coeficiente para el cultivo de referencia (kJ-1 kg K d-l) y 0.34 es un coeficiente del viento para el cultivo de referencia (s m-1).

La evapotranspiracin de referencia se estima en estaciones meteorolgicas automticas de la zona y mediante interpolacin se obtiene una mapa para el

rea estudiada. Un coeficiente de cultivo medio nos permite aplicar la metodologa FAO-24 en la regin de inters. Mtodo Razn de Bowen radiativa-Balance de energa

Un paso importante en la determinacin de la

evapotranspiracin a escala regional es la obten-cin de la mxima informacin posible de la super-ficie a partir de las imgenes de satlite. La infor-macin que proporciona el satlite corregida ade-cuadamente tiene una mayor representatividad espacial que las dadas por las estaciones meteoro-lgicas automticas en superficie. En este trabajo se determinaron el albedo y la temperatura radiati-va de superficie a partir de imgenes del sensor AVHRR a bordo de los satlites NOAA. Junto con esta informacin la aplicacin del mtodo razn de Bowen radiativa -balance de energa, descrito en la primera parte de este trabajo, requiere informacin meteorolgica en cada pxel de la imagen: tempe-ratura (Ta), presin de vapor del aire (e) y radia-cin solar (Rs). Estos tres parmetros se estiman interpolando mediante el mtodo del gradiente y el inverso de la distancia al cuadrado (Nalder and Wein, 1998) medidas adquiridas en las estaciones meteorolgicas.

La formulacin necesita de la determinacin de la energa utilizable, Rn-G, para su aplicacin. El clculo de la radiacin neta a escala regional in-corporando la temperatura radiativa de la superf-cie ha sido adecuadamente resuelto por Jackson et al. (1985) sobre cultivos agrcolas y Goodin (1995) en un paisaje sernirido. La relacin entre Rn y G para cultivos desarrollados es aproximadamente constante valiendo 0.10 para la alfalfa (Clothier et al., 1986) y 0.07 para el trigo (Denmead, 1969) y maz (Uchijima, 1976). Pero para el clculo de G en cubiertas incompletas a partir de datos de satli-te es fundamental la relacin entre el flujo de calor en el suelo, la radiacin neta y algn parmetro de la vegetacin (Kustas y Daughtry, 1990).

El siguiente paso es determinar los parmetros que relacionan la razn de Bowen radiativa (r) y aerodinmica () estas dependen del cultivo que predomina en cada pixel. Conocida la energa utilizable y la razn de Bowen aerodinrnica es inmediato el cculo de la evapotranspiracin en el instante de paso del satlite.

Finalmente, el algoritmo propuesto por Jackson et al. (1983) determina el flujo de calor latente diario a partir del valor instantneo calculado hacia el medioda. En la Figura 1 se presentan esquem-ticamente los pasos seguidos para la obtencin de la evapotranspiracin diaria, Ed, mediante imge-nes de satlite.

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Figura 3. Imagen de temperatura radiativa de superficie en lazona estudiada del Pla d'Urgell. 23 de Julio de 1995.

Figura 1. Esquema de la metodologa propuesta para la determi-nacin de la evapotranspiracin a escala regional (Ver el texto para la definicin de los smbolos)

EJEMPLO DE APLICACION Mtodo Razn de Bowen radiativa-Balance de energa

La metodologa expuesta en este trabajo se apli-

c a una zona de 30 km x 40 km centrada en el Pla d'Urgell (Lleida). En esta zona los cultivos ms extendidos son con notable diferencia el maz y la alfalfa. Para el estudio se emple una imagen de la zona captada por el sensor A VHRR a bordo del NOAA12 a las 13.05h T.M.G. del 23 de Julio de 1995.

Para calcular la radiacin neta y la razn de Bo-wen radiativa se requieren el albedo y la tempera-tura radiativa de la superficie. El primero se de-termin partiendo de la seales captadas por los canales 1 y 2 del sensor AVHRR. Las reflectivida-des en la cima de la atmsfera se corrigieron utili-zando el programa SMAC (Rahman and Dedieu, 1994) para obtener los valores en superficie. Estos permitieron determinar el albedo utilizando el algoritmo de Saunders (1990). Este es una primera aproximacin aplicada por su simplicidad aunque existen trabajos posteriores ms precisos y comple-jos (Li y Leighton, 1992). El resultado para la zona estudiada se presenta en la Figura 2.

La determinacin de la temperatura de superficie a partir de las temperaturas de brillo de las bandas 4 y 5 del sensor AVHRR se realiz empleando el mtodo propuesto por con et al. (1994) conside-rando que la ernisividad de la superficie es 0.99

dado que estamos en cultivos con cubierta comple ta. El resultado es el mapa mostrado en la Figura 3.

El Departament d' Agricultura, Ramaderia i Pes-ca (Generalitat de Catalunya) dispone de esta red de estaciones meteorolgicas que es especialmente densa en la comarca del Pla d'Urgell prxima a Lleida. Los datos instantneos adquiridos en estas estaciones, debidamente interpolados (Nalder and Wein, 1998), dieron estimaciones de temperatura del aire, radiacin solar y presin de vapor del aire en cada pxel de una imagen de satlite. Estos tres parmetros, el albedo y la temperatura radiativa de cada pxel junto con el mtodo de la razn de Bo-wen radiativa-Balance de energa a escala regional cuando el cultivo es conocido permitieron estimar la evapotranspiracin en el instante de paso del satlite.

Al no disponerse de una clasificacin adecuada a partir de imgenes de satlite de los diferentes cultivos se recurri a las estadsticas agrarias del ao anterior para tener una estimacin del porcen-taje de suelo cubierto por cada cultivo. El mapa de evapotranspiracin diaria obtenido con la metodo-loga desarrollada se muestra en la Figura 4.

Figura 2. Mapa de albedo en la zona estudiada del Pla d'Urgell.23 de Julio de 1995.

Figura 4. Mapa de evapotranspiracin diaria a partir del mtodorazn de Bowen radiativa-balance de energa en el Pla d'Urgell.

Comparacin con el mtodo de superficie A partir de los datos meteorolgicos de superficie

haciendo uso de la velocidad del viento es posible esti-mar utilizando la ecuacin (1) la evapotranspiracin de referencia en las diferentes estaciones. La interpolacin de estos valores permiti obtener un mapa de evapo-

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CONCLUSIONES transpiracin de referencia para la zona estudiada. Este flujo de calor latente multiplicado por el coeficiente de cultivo adecuado a los cultivos que cubren la zona di la evapotranspiracin diaria estimada segn esta metodo-loga tradicional. El resultado para el da 23 de Julio de 1995 se presenta en la Figura 5.

La metodologa razn de Bowen radiativa-Balan ce de energa validada con anterioridad en superfi cie es aplicable a escala regional incorporando la informacin aportada por las imgenes de satlite. El desarrollo de la teledeteccin permite utilizar el albedo, el NDVI y la temperatura radiativa de las cubiertas captadas por el sensor AVHRR-NOAA.

Figura 5. Mapa de evapotranspiracin diaria a partir del mtodoFAO-24 en la zona estudiada del Pla d'Urgell.

El mtodo propuesto evita la determinacin de la velocidad del viento en el rea estudiada. Magni-tud que dada su gran variabilidad puede introducir importantes errores en la determinacin de la eva potranspiracin diaria a escala regional.

La comparacin con el mtodo propuesto por la FAO para la estimacin de las necesidades hdricas de los cultivos a partir de datos en superficie da resultados razonables. Una validacin ms comple ta del mtodo se est llevando a cabo en estos momentos, para ello se realiza un balance hdrico completo en el cual se incorporan imgenes de sat lite diarias para estimar la evapotranspiracin durante toda una temporada de riegos en la zona estudiada.

La evapotranspiracin diaria obtenida en cada

pxel de la imagen mediante la aplicacin del m-todo de la razn de Bowen radiativa, (Eb, se con-trast con la resultante de la aplicacin del mtodo FAO-24, (EFAO en los mismos puntos. Los resulta-dos se presentan de forma resumida en la Tabla 1.

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Datos A ESE (mm) r2 IMDA (rnm) RECM (rnm)

600 1.12 1.4 0.65 1.2 1.4 Tabla 1. Comparacin de la evapotranspiracin obtenida en los diferentes pxeles de la imagen estudiada mediante el mtodo razn de Bowen radiativa-Balance de energa frente al valor determinado con la metodologa FAO-24.

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Dado que el valor medio de la evapotranspiracin

dada por el mtodo FAO-24 en el rea estudiada fue de 6.4 mm y la RECM fue 1.4 mm se conside-ra que las estimaciones de ambos mtodos se aproximan razonablemente. El mtodo desarrolla-do tiende a subestimar las determinacions realiza-das utilizando nicamente datos de superficie. El bajo coeficiente de determinacin es aceptable dada la diferente fundamentacin fsica y las aproximaciones realizadas para la aplicacin de ambos mtodos. Hay que considerar que el mtodo basado en la teledeteccin no incorpora la veloci-dad del viento. Esta es una ventaja importante ya que esta magnitud vara considerablemente en unos pocos cientos de metros pues depende de factores como la topografa o la distribucin de diferentes cubiertas vegetales.

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