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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO
INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA
DEPARTAMENTO DE FÍSICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA E MEIO AMBIENTE
ESTIMATIVA DA f
APAR
UTILIZANDO TRÊS
MÉTODOS PARA UMA FLORESTA DE TRANSIÇÃO
AMAZÔNIA-CERRADO
MARICÉIA TATIANA VILANI
Orientadora: Prof
a
. Drª Luciana Sanches
Cuiabá - MT
Fevereiro de 2007
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO
INSTITUTO D CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA
DEPARTAMENTO DE FÍSICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA E MEIO AMBIENTE
ESTIMATIVA DA f
APAR
UTILIZANDO TRÊS
MÉTODOS PARA UMA FLORESTA DE TRANSIÇÃO
AMAZÔNIA-CERRADO
MARICÉIA TATIANA VILANI
Dissertação apresentada ao
Programa de Pós-Graduação em Física
e Meio Ambiente da Universidade
Federal de Mato Grosso, como parte dos
requisitos para obtenção do título de
Mestre em Física e Meio Ambiente.
Orientadora: Prof
a
. Drª Luciana Sanches
Cuiabá – MT
Fevereiro de 2007
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO
INSTITUTO D CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA
DEPARTAMENTO DE FÍSICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA E MEIO AMBIENTE
FOLHA DE APROVAÇÃO
ESTIMATIVA DA f
APAR
UTILIZANDO TRÊS MÉTODOS PARA
UMA FLORESTA DE TRANSIÇÃO AMAZÔNIA-CERRADO
AUTORA: MARICÉIA TATIANA VILANI
Dissertação defendida e aprovada em _________ de_______________de 2006, pela
comissão julgadora:
Profª. Dra. Luciana Sanches - Orientadora
Programa de Absorção Temporária de Doutores - ProDoc/CAPES
Prof. Dr. Marcos Heil Costa - Examinador Externo
Universidade Federal de Viçosa - UFV
Prof. Dr. Jorge Luiz Brito de Faria - Examinador Externo
Instituto de Ciências Exatas e da Terra - UFMT
Prof. Dr, José de Souza Nogueira – Examinador Interno
Instituto de Ciências Exatas e da Terra - UFMT
DEDICATÓRIA
- A Deus, pela vida, pela fé e força dada
em todos os momentos da minha vida;
- À LUCIANA SANCHES, orientadora,
por toda sabedoria, incentivo e amizade
dadas no decorrer deste trabalho;
- A minha irmã, VALDIRENE VILANI,
pelo incentivo, compreensão e paciência,
durante essa jornada;
- Aos meus pais, pelo apoio e confiança
que dedicaram em min;
- A todos os demais professores e colegas,
pelo apoio e amizade.
AGRADECIMENTOS
À Deus por estar sempre ao meu lado, me dando força e guiando meus
caminhos.
À minha irmã, Valdirene Vilani, por estar sempre me apoiando, e me
ajudando.
Aos meus pais, Vilmar Vilani e Dulce T. Vilani, por confiarem e acreditarem
em min.
A minha querida orientadora, Professora Drª Luciana Sanches pela excelente
orientação na realização deste trabalho de pesquisa, pelo carinho e amizade
que para sempre ficarão.
Ao Prof. Dr. José de Souza Nogueira (Paraná), pelos seus ensinamentos,
amizade, apoio e confiança.
Ao Prof. Denilton Carlos Gaio, pela grande ajuda, para a realização deste
trabalho.
À Camila Fraga, pela ajuda, colaboração e amizade, para a realização deste
trabalho.
A todos os demais professores do Mestrado, pelos ensinamentos.
À minha amiga Suelly Alegria, pela sua amizade e companheirismo.
Ao meu amigo, de muitas ajudas Osvaldo Borges.
A todos os demais amigos, que ficarão no meu coração para sempre.
À todos os que não foram mencionados, e que de alguma forma auxiliaram na
realização deste trabalho, meus sinceros agradecimentos.
Ao Departamento de Física, pela possibilidade de fazer este Mestrado.
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ......................................................................................................... i
LISTA DE TABELAS ....................................................................................................... iii
LISTA DE ABREVIATURAS ............................................................................................ iv
LISTA DE SÍMBOLOS ..................................................................................................... vi
1 I
NTRODUÇÃO......................................................................................................... 1
1.1
PROBLEMÁTICA ............................................................................................. 1
1.2 JUSTIFICATIVA .............................................................................................. 2
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...................................................................................... 4
2.1 FLORESTA AMAZÔNICA ................................................................................ 4
2.2 FLORESTA DE TRANSIÇÃO AMAZÔNIA-CERRADO ......................................... 6
2.3 RADIAÇÃO .................................................................................................... 6
2.3.1 Interação da radiação solar com a planta e o dossel vegetativo ........ 7
2.3.2 Radiação Fotossinteticamente Ativa.................................................... 9
2.3.2.1 Transmitância .................................................................................... 10
2.3.2.2 Refletância ......................................................................................... 10
2.3.2.3 Absortância ........................................................................................ 11
2.3.2.3.1 Estimativa da f
APAR
por modelagem ................................................... 12
2.3.2.3.2 Estimativa da f
APAR
pelo produto MODIS .......................................... 13
3 MATERIAL E MÉTODOS ....................................................................................... 17
3.1 Á
REA DE ESTUDO ........................................................................................ 17
3.2 I
NSTRUMENTAÇÃO ...................................................................................... 18
3.3 E
STIMATIVA DA TRANSMITÂNCIA ............................................................... 20
3.4
ESTIMATIVA DA REFLETÂNCIA.................................................................... 21
3.5 ESTIMATIVA DO ÂNGULO SOLAR ZENITAL ................................................. 21
3.6
ESTIMATIVA DA f
APAR
................................................................................. 22
3.6.1 Medições de Campo ........................................................................... 22
3.6.2 Modelagem......................................................................................... 22
3.6.3 Produto do MODIS ............................................................................ 24
3.7
TRATAMENTO DOS DADOS .......................................................................... 25
3.7.1 Dados de Campo................................................................................ 25
3.7.2 Dados da Modelagem ........................................................................ 26
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ............................................................................... 28
4.1 RESULTADOS OBTIDOS POR OBSERVAÇÕES DE C AMPO ............................... 28
4.1.1 Caracterização do Microclima da Área em Estudo........................... 28
4.1.1.1 Precipitação....................................................................................... 28
4.1.1.2 Sazonalidade da Umidade Relativa do Ar, Temperatura do Ar, PAR e
Radiação Solar Global....................................................................................... 30
4.1.1.3 Variação diária da Umidade Relativa do Ar, Temperatura do Ar, PAR e
Radiação Solar Global....................................................................................... 32
4.1.1.4 Perfil da Temperatura do Ar nas Diferentes Alturas do Dossel........... 34
4.1.1.5 Temperatura do Ar e do Solo................................................................. 35
4.1.1.6 Temperatura do Solo, Conteúdo de Água no Solo, Umidade relativa do
ar e precipitação ................................................................................................ 37
4.1.2 Transmitância .................................................................................... 41
4.1.3 Refletância ......................................................................................... 46
4.1.4 Absortância ........................................................................................ 49
4.2 ABSORTÂNCIA OBTIDA POR MODELAGEM .................................................. 51
4.3 ABSORTÂNCIA OBTIDA PELO PRODUTO MODIS ......................................... 52
4.4 COMPARAÇÃO ENTRE ESTIMATIVAS DA f
APAR
BASEADAS EM MEDIÇÕES DE
CAMPO, MODELAGEM E PRODUTO DO MODIS ....................................................... 54
5
CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ...................................................................... 58
5.1
RECOMENDAÇÕES PARA FUTUROS TRABALHOS ........................................... 59
6 BIBLIOGRAFIAS ................................................................................................... 60
6.1 BIBLIOGRAFIAS CITADAS ............................................................................ 60
6.2 BIBLIOGRAFIAS CONSULTADAS .................................................................. 70
i
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Produtos utilizados para a geração do MOD15. ........................................ 15
Figura 2 - Localização da área de estudo. .................................................................. 17
Figura 3 - Variação do dia médio da umidade relativa do ar, Radiação
Fotossinteticamente Ativa (PAR), Radiação Solar Global (Rsd) e temperatura do ar
nas estações. ............................................................................................................... 33
Figura 4 - Média da temperatura do ar nas diferentes alturas do dossel no (a) ciclo
diurno e (b) ciclo noturno para as diferentes estações. .............................................. 34
Figura 5 - Média diária da temperatura do ar e do solo na (a) estação úmida, (b)
úmida-seca, (c) seca e (d) seca-úm ida no ano de 2003. ............................................. 36
Figura 6 - Valores de umidade relativa do ar e o conteúdo de água no solo em dias
consecutivos na (a) estação úmida (28 a 32d), (b) úmida-seca (97 a 101d), (c) seca
(178 a 182d) e (d) seca-úmida (219 a 223d) no ano de 2003. .................................... 40
Figura 7 - Correlação entre transmitância entre as alturas de 42 e 20 m (t
topo-20
) e
transmitância entre as alturas de 42 e 0 m (t
topo-0
) para os anos de 2002 e 2003. ...... 43
Figura 8 - Transmitância entre as alturas de 42 e 0 m (t
topo-0
) em função do ângulo
solar zenital, nos anos (a) 2001, (b) 2002 e (c) 2003. O gráfico representa uma
distribuição assimétrica à direita, onde a distância do terceiro quartis à mediana é
maior que a distância da mediana ao primeiro quartis, mostrando com isto que 75%
dos dados da transmitância estão entre o terceiro quartis e o limite superior. ........... 45
Figura 9 - Refletância (r) para os anos de 2001, 2002 e 2003. .................................. 46
Figura 10 - Refletância do topo ao solo do dossel em função do ângulo zenital, nos
anos de (a) 2001, (b) 2002 e (c) 2003. O gráfico representa uma distribuição
assimétrica à direita, sendo a distância do terceiro quartis à mediana maior que a
distância da mediana ao primeiro quartis, com 75% dos dados da refletância entre o
terceiro quartis e o limite superior. ............................................................................ 48
Figura 11 - Correlação entre os valores mensais de transmitância entre as alturas de
42 e 0m (t
topo-0
) e absortância, para os anos de 2001, 2002 e 2003. ........................... 50
Figura 12 - Correlação entre os valores mensais de refletância entre as alturas de 42 e
0 m (t
topo-0
) e absortância, para os anos de 2001, 2002 e 2003................................... 50
Figura 13 – Valores mensais de f
APAR
estimada por modelagem para os anos de 2001,
2002 e 2003. ............................................................................................................... 52
ii
Figura 14 – Box-Plots dos métodos usados no período das 10h30min para a
estimativa da f
APAR
. O gráfico representa para os três métodos uma distribuição
assimétrica à esquerda, sendo a distância do terceiro quartis a mediana menor que a
distância da mediana ao primeiro quartis, representado com isto 75% da estimativa
da f
APAR
entre o primeiro quartis e o limite inferior. .................................................. 56
iii
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Precipitação mensal nos anos de 2001 a 2003, média dos anos 2001 a
2003 (dados obtidos pela Fazenda Continental a 17 km do sítio experimental) e
dados de precipitação de 2002 segundo PRIANTE FILHO et al. (2004), do sítio
experimental. .............................................................................................................. 29
Tabela 2 - Média estacional da precipitação acumulada nos anos de 2001 a 2003
(dados obtidos pela Fazenda Continental a 17 km do sítio experimental). ................ 30
Tabela 3 - Valores das médias estacionais dos anos de 2001 a 2003 da umidade
relativa do ar, temperatura, Radiação Fotossinteticamente Ativa (PAR) e Radiação
Solar Global (Rsd) (média ± DP). .............................................................................. 32
Tabela 4 - Temperatura do solo, conteúdo de água no solo, umidade relativa do ar e
precipitação acumulada estacional no ano de 2003. .................................................. 38
Tabela 5 – Média mensal da transmitância entre as alturas de 42 e 0 m (t
topo-0
),
transmitância entre as alturas de 42 e 20 m (t
topo-20
) e transmitância entre as alturas de
20 e 0 m (t
20-0
) nos anos de 2001, 2002 e 2003 .......................................................... 42
Tabela 6 - Média (±DP) da Fração da Radiação Fotossinteticamente Ativa (f
APAR
),
entre a altura de 42 e 0 m, para os anos de 2001, 2002 e 2003 e a média trienal
(±DP). ......................................................................................................................... 49
Tabela 7 - Valores das médias estacionais (média ± DP) dos anos de 2001 a 2003 da
Fração Absorvida da Radiação Fotossinteticamente Ativa (f
APAR
), sem fator de
correção (SFC) e com fator de correção (CFC). ........................................................ 51
Tabela 8 - Dados mensais da f
APAR
e Controle de Qualidade (QA), estimada pelo
MODIS, para os anos de 2001, 2002 e 2003. ............................................................ 53
Tabela 9 - Médias anuais da f
APAR
calculadas com valores mensais diurnos e com
valores mensais das 10h30min. .................................................................................. 54
Tabela 10 - Médias estacionais da f
APAR
, calculadas com valores mensais, diurnos
para Medições de Campo (SFC e CFC) e Modelagem
e das 10h30min para o
Produto do MODIS. ................................................................................................... 55
iv
LISTA DE ABREVIATURAS
APAR Radiação Fotossinteticamente Ativa Absorvida
APR-MT Associação de Proprietários Rurais de Mato Grossso
CFC Com Fator de Correção
CLM Common Land Model
CRESESB Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo
Brito
CPTEC Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos
IBAMA Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e dos Recursos Naturais
Renováveis.
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
IBIS Integrated Biosphere Simulator
INMET Instituto Nacional de Meteorologia
INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
LAI Índice de Área Foliar
LBA Experimento de Grande Escala da Biosfera Atmosfera na Amazônia
PAR Radiação Fotossinteticamente Ativa
MOD09 Produto de refletância da superfície do MODIS
MOD12 Produto de cobertura do solo do MODIS
MOD13 Produto de índice de vegetação
MOD15 Produto f
APAR
/LAI
MOD17d Produto de produção primária líquida/fotossíntese líquida.
MOD15A1 Produto f
APAR
/LAI diário do MODIS
MOD15A2 Produto f
APAR
/LAI composto num período de 8 dias do MODIS
MOD15_BU Produto f
APAR
/LAI composto num período de um mês do MODIS
MODIS Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer
NDVI Normalized Difference Vegetation Index
NPP Net Primary Production
v
QA Controle de qualidade (Quality Assessment)
SAI Índice de Área Foliar dos Galhos
SFC Sem Fator de Correção
vi
LISTA DE SÍMBOLOS
dif
a
1
Fração da Radiação Fotossinteticamente Ativa Difusa Absorvida
pelo dossel inferior
dir
a
1
Fração da Radiação Fotossinteticamente Ativa Direta Absorvida
pelo dossel inferior
APAR
t
Radiação Fotossinteticamente Ativa Total Absorvida
udif
a Fração da Radiação Fotossinteticamente Ativa Difusa Absorvida
pelo dossel superior
udir
a Fração da Radiação Fotossinteticamente Ativa Direta Absorvida
pelo dossel superior
β
Ângulo de elevação em relação ao horizonte
DP Desvio Padrão
δ
Declinação solar
φ
Latitude local
J Dia juliano
f
APAR
Fração da Radiação Fotossinteticamente Ativa Absorvida
dif
f
Fração de radiação solar incidente difusa
vis
f Fração da energia da radiação solar incidente na banda do visível
PAR
i
Radiação Fotossinteticamente Ativa incidente no topo do dossel
PAR
1dif
Radiação Fotossinteticamente Ativa difusa incidente no dossel
inferior
PAR
1dir
Radiação Fotossinteticamente Ativa direta incidente no dossel
inferior
PAR
udif
Radiação Fotossinteticamente Ativa difusa incidente no dossel
superior
vii
PAR
udir
Radiação Fotossinteticamente Ativa direta incidente no dossel
superior
PAR
20
Radiação Fotossinteticamente Ativa a 20 metros de altura do dossel
PAR
0
Radiação Fotossinteticamente Ativa incidente no solo
PAR
r
Radiação Fotossinteticamente Ativa refletida pelo dossel
PAR
ro
Radiação refletida pela parte inferior do dossel
r Refletância da Radiação Fotossinteticamente Ativa
R
sd
Radiação Solar Global
t Transmitância da Radiação Fotossinteticamente Ativa
t
z
Horário para o ângulo solar zenital
t
o
Hora do Sol ao entardecer
t
topo-20
Transmitância do topo a 20 m de altura do solo
t
topo-0
Transmitância do topo ao solo
i
X Valor da série de dados a ser preenchido
P
X
Antecessor da falha da série de dados
ifP
X
−−
Sucessor da falha da série de dados
Z Ângulo solar zenital
viii
RESUMO
VILANI, M. T. Estimativa da f
APAR
utilizando Três Métodos para uma Floresta de
Transição Amazônia - Cerrado. Cuiabá, 2006. Dissertação ( mestrado) – Física e Mei o
Ambiente. Universidade Federal de Mato Grosso.
A floresta Amazônica tem sido um foco de atenção mundial em virtude dos
possíveis efeitos que o desmatamento e queimadas em grande escala podem
provocar, ocasionando mudanças climáticas. Estudos detalhados de variáveis
micrometeorológicas são de suma importância para entender melhor a interação
biosfera-atmosfera nestes ecossistemas. Este trabalho avaliou o microclima e a
absortância da Radiação Fotossinteticamente Ativa por meio de observações de
campo, modelagem e produto do MODIS em uma floresta de Transição Amazônia
Cerrado, no período de 2001 a 2003. Equipamentos de medidas micrometeorológicos
foram instalados a 42 metros, situada a 50 km da cidade de Sinop, norte do Estado de
Mato Grosso. O microclima apresentou sazonalidade com estações seca e úmida
definidas. A f
APAR
modelada foi estimada usando o Integrated Biosphere Simulator
(IBIS) que simula os fluxos no sistema solo-vegetação-atmosfera. A
f
APAR
estimada
por sensoriamento remoto utilizou o produto mensal da
f
APAR
com o Moderate
Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS). Os valores médio trienais da f
APAR
foram 0,92, 0,71 e 0,82, para observações de campo, modelagem e produto do
MODIS, respectivamente. A análise de médias dos escores entre os três métodos
aplicados para a estimativa da f
APAR
detectou diferença altamente significativa.
Palavras-chave: Microclima, modelagem, produto MODIS.
ix
ABSTRACT
VILANI, M. T. Estimate f
APAR
using three methods for Cerrado-Amazon Transition
Forest. Cuiabá, 2006. Dissertation (magister) - Physical and Environment. Federal
University of Mato Grosso.
The Amazonian forest has been a focus of world attention due possible effect
produced by the large-scale deforestation and forest fires, occurring climatic
changes. Detailed studies of micrometeorological variables are of maximum
importance to better understand of the biosphere-atmosphere interaction in these
ecosystems. This work evaluated the microclimate and the absortance of
Photosynthetically Active Radiation estimated based on field measurements,
modeling and MODIS f
APAR
product in the Cerrado Amazon Transitional Forest,
during the period from 2001 to 2003. Micrometeorological instruments were
installed above 42 meters in a tower, situated at 50 km of the city of Sinop, northern
of Mato Grosso. The microclimate is seasonal, with wet and dry seasons defined.
The f
APAR
was modeled using Integrated Biosphere Simulater (IBIS) which simulates
the fluxes in the soil-vegetation-atmosphere system. The f
APAR
estimated by remote
sensing used the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) monthly
f
APAR
product. The 3-year average values the of f
APAR
were 0.92, 0.71 and 0.82, for
field measurements, modeling and MODIS product, respectively. The analysis of
score averages between three methods applied for the estimate of f
APAR
, detected
significant difference highly.
keywords: microclimate, modeling, MODIS product.
1
1 INTRODUÇÃO
1.1 PROBLEMÁTICA
A floresta Amazônica tem sido um foco de atenção mundial em virtude dos
possíveis efeitos que o desmatamento e queimadas em grande escala podem
provocar, ocasionando mudanças climáticas. Ela é uma região de grande diversidade
de vegetação, onde se estende por outros ecossistemas, cerrado, pantanal, floresta
tropical úmida e floresta de transição (Amazônia-Cerrado), devido a isto muitos
projetos de pesquisa estão sendo desenvolvidos nesta área. As florestas de transição
possuem importantes biomas a serem estudados principalmente no norte do Mato
Grosso, onde estão inseridas no arco do desmatamento; região que sofre
constantemente as ações antrópicas, em que podem alterar sua composição e
estrutura florestal e consequentemente alterar o microclima regional.
Das variáveis micrometeorológicas, a radiação solar incidente ou insolação é
primordial, pois determina os processos físicos e biológicos num ecossistema, onde
os níveis de radiação solar são um dos principais fatores que determinam a
distribuição espacial das espécies e a dinâmica das florestas.
Existem fatores que definem a eficiência do uso da radiação por um
ecossistema, como a produção de matéria seca, assim como a quantidade de
Radiação Fotossinteticamente Ativa (PAR) absorvida ou interceptada pelo dossel.
As variáveis mais significativas na determinação da Fração da Radiação
Fotossinteticamente Ativa Absorvida (f
APAR
) são a cobertura do solo, a área foliar, o
ângulo solar, a proporção da radiação difusa e a refletância do solo.
Para uma estimativa mais precisa da
f
APAR
é necessário um monitoramento
detalhado para poder verificar a produtividade de uma superfície vegetada. Sendo o
dossel um dos fatores que influenciam na radiação, o seu aspecto na floresta pode
trazer variações na refletância, transmitância e absortância.
2
Técnicas de modelagem são uma ferramenta importante para o entendimento
do sistema climático, assim como de variáveis como f
APAR
, complementando as
técnicas observacionais. Modelos acoplados que estudam a interação atmosfera-
biosfera estão se tornando cada vez mais sofisticados, incorporando a circulação da
atmosfera, o funcionamento dos ecossistemas terrestres, incluindo seus processos
biofísicos e biogeoquímicos. Como desvantagem, estes modelos exigem grandes
quantidades de dados de entrada e parâmetros para a sua operação, e esses dados são
coletados por pesquisas de campo, ou via sensoriamento remoto. O modelo Integrado
de Simulação da Biosfera – IBIS é denominado um modelo dinâmico da vegetação
global. Este modelo compreende diversos processos, incluindo as interações entre a
superfície e a atmosfera, ciclos de carbono e nutrientes e dinâmica da vegetação. Os
processos do IBIS estão organizados hierarquicamente e operam em diferentes
intervalos de integração, variando de 60 minutos a 1 ano, permitindo um
acoplamento de processos ecológicos, biofísicos e fisiológicos que ocorrem em
escalas de tempo distintas.
O MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) é um sensor a
bordo do satélite Terra, lançado em dezembro de 1999. Ele observa a terra a cada 1 a
2 dias, obtendo dados em 36 bandas espectrais em resoluções espaciais que variam
de 250 a 1000 m, cobrindo o espectro de 0,4 μm a 14,4 μm. O MODIS fornece
estimativas de cobertura do solo, IAF,
f
APAR
, GPP (Gross Primary Productivity) e
NPP (
Net Primary Production), o que o torna extremamente conveniente para ser
usado em conjunto com modelos de simulação e validação de ecossistemas.
1.2 JUSTIFICATIVA
A caracterização do microclima de uma floresta possibilita um
monitoramento ambiental, favorecendo a proteção dos recursos naturais e o
desenvolvimento regional. O monitoramento da Biosfera Terrestre é importante para
detectar os impactos que a floresta recebe e que podem alterar sua dinâmica, como o
balanço de energia e o vapor d’água. Uma das principais fontes de energia para o
crescimento e a produtividade das espécies vegetais é a Fração da Radiação
Fotossinteticamente Ativa Absorvida (
f
APAR
) responsável pelo processo da
fotossíntese. A estimativa da
f
APAR
pode também ser usada para propor e projetar um
3
índice da vegetação que pode descrever o estado do sistema em estudo. Dessa forma,
o objetivo geral deste trabalho foi caracterizar o microclima de uma floresta de
transição Amazônica-Cerrado e estimar a f
APAR
baseada em dados de campo,
modelagem e sensoriamento remoto.
Dentro deste contexto, este trabalho teve como objetivos específicos:
avaliar a sazonalidade da precipitação, Radiação Fotossinteticamente Ativa
Incidente, Radiação Solar Global, temperatura do ar e do solo, umidade
relativa do ar, conteúdo de água do solo;
avaliar a variação do ciclo diurno e noturno da temperatura do ar nas
diferentes alturas do dossel;
estimar a f
APAR
por meio de observações de campo;
estimar a f
APAR
por meio de modelagem utilizando software Integrated
Biosphere Simulator (IBIS), versão 0-D;
estimar a f
APAR
, por meio do produto do MODIS (Moderate Resolution
Imaging Spectroradiometer);
Comparar as estimativas de f
APAR
baseadas em medições de campo,
modelagem e sensoriamento remoto.
4
2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 F
LORESTA AMAZÔNICA
Globalmente, a Amazônia contempla a maior floresta tropical permanente do
mundo (FUJISAKA et al., 1998), no seu interior, podem surgir vários outros tipos de
florestas como: matas de várzea, aluviões fluviais, mata de terra firme, igapó,
caatingas do rio Negro, e algumas savanas esparsas, podendo ser denominadas de
Cerradão, que se encontra em boa parte em zonas de transição ou denominadas
também de zona ecotonal (CECCON & MIRAMONTES, 1999). O número de
espécies de vegetais é muito grande, onde existem mais espécies de árvores em
poucos hectares do que em toda flora da Europa (RICKLEFS, 1996). Sendo a região
Amazônica uma importante fonte de calor e vapor de água para a atmosfera global,
possuindo um papel fundamental na circulação atmosférica global, vista como o
maior reservatório de diversidade biológica do planeta.
A Amazônia Legal é compreendida em uma área que corresponde a 59% do
território brasileiro, com aproximadamente 5,5 milhões de km
2
, formado pelos
estados do Pará, Amazonas, Rondônia, Acre e Amapá e parte dos estados do
Maranhão e Mato Grosso (CECCON & MIRAMONTES, 1999). A maior parte
(64%) da cobertura vegetal da Amazônia Legal é floresta. Os cerrados e campos
representam 24%, enquanto cerca de 12% da Amazônia está alterada pela ação
antrópica (a maioria, área desmatada) (LENTINI
et al., 2003).
Segundo estimativas do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE,
2006), cerca de 25.500 km
2
da Amazônia Legal foram desmatados, no período entre
agosto de 2001 e agosto de 2002. Um aumento de 40% em relação ao período
anterior e uma área maior do que o estado de Alagoas. Este índice é o segundo maior
5
da história, inferior apenas ao de 1995, quando foram derrubadas 29.059 km
2
. De
acordo com esta projeção, a área cumulativa desmatada na Amazônia Legal chegou a
631.369 km
2
em 2002, correspondente a 15,7% de toda floresta Amazônica
brasileira. O desmatamento além de provocar alterações no solo, água e atmosfera,
age direta e indiretamente na biosfera, ocasionando mudanças em todo o clima, como
por exemplo, o efeito estufa, que provoca o aquecimento global (PEREIRA et al.,
2002a).
Dentro da Amazônia Legal, a larga faixa climática ocupada pelo Cerrado
(savana tropical mais seca) que separa a floresta de terra firme úmida da bacia central
Amazônica, recebe especial atenção em função das trocas de massa e energia deste
ecossistema e por ser em parte pouco conhecidas e quantificadas. A savana brasileira
(Cerrado) inclui várias formações campestres, com vegetação gramínea, que
mostram uma grande variabilidade estrutural e grandes diferenças em porte e
densidade, no que influi na intensidade da ação antrópica. Essas formações ocorrem
em vários tipos de clima, tanto sob climas estacionais tropicais com período de seca
variando entre 3 e 7 meses, como sob climas ombrófilos sem período biologicamente
seco. Representada por quatro subgrupos de formação: florestada, arborizada, parque
e gramíneo-lenhosa (IBGE, 2004).
Os biomas terrestres não apresentam uma separação nítida entre si, apresentam
em sua interface uma zona transicional denominada ecótono. A zona de transição
entre o Bioma Amazônico e o Bioma Cerrado ocorre ao longo de toda interface da
distribuição entre os dois biomas. Nesta zona de transição as duas vegetações
coexistem, sobre as mesmas condições climáticas, dentro de um intenso regime de
competição, formando um gradiente entre os biomas. Ao longo do tempo esta zona
de transição se moveu, tendo tanto a floresta quanto o cerrado expandido e contraído
os seus domínios em função das condições ambientais. A compreensão do
funcionamento das áreas de ecótono entre a Floresta Amazônica e o Cerrado são
fundamentais para compreender os mecanismos de deslocamento dos biomas e o
destino destes perante as mudanças ambientais (TANNUS, 2004).
6
2.2 FLORESTA DE TRANSIÇÃO AMAZÔNIA-CERRADO
As florestas de transição cobrem cerca de 129 mil km
2
, onde grande parte desta
extensão territorial esta na bacia Amazônica, predominada pela floresta ombrófila
aberta, com transição entre a floresta Amazônica e o Cerrado (IBGE, 1997), sendo o
território Mato-Grossense formado por 42% de floresta de transição e Cerrado, cerca
de 379.410.321,36 ha (APR-MT, 2006).
A floresta de transição foi conceituada, como tendo uma fisionomia florestal
composta de árvores mais espaçadas, com estrato arbustivo pouco denso e
caracterizado pelas fanerófitas rosuladas, e pelas lianas lenhosas, com árvores
perenes, de pálio alto (28-30 m, aproximadamente) e dossel fechado (VOURLITIS et
al
., 2001). As áreas de transição são também conhecidas pela sua grande diversidade
de espécies vegetais, sendo representada por três grupos de formação: aluvial, de
terras baixas e submontana (IBGE, 2004).
Estudos em florestas de transição possibilitam conhecer o ecossistema melhor,
compreendendo sua influência e sua contribuição nas interações entre o clima e nas
mudanças da cobertura vegetal.
2.3 RADIAÇÃO
A radiação solar é a fonte primária de todos os fenômenos atmosféricos e de
processos físicos, químicos e biológicos observados em ecossistemas agrícolas,
podendo ser aproveitada sob várias formas, tais como a captura pela biomassa, o
aquecimento de ar e água para fins domésticos e industriais, fotoeletricidade para
pequenos potenciais e fontes para ciclos termodinâmicos variados (PEREIRA,
et al.,
2002b).
O sistema Terra-Atmosfera absorve aproximadamente, 70% da energia
emitida pelo Sol. Os restantes, 30% são refletidos de volta ao espaço, sem serem
absorvidos. O sistema energético global Terra-Atmosfera é, portanto, positivo: o
percentual de energia absorvida é superior ao de energia refletida. A atmosfera
apresenta balanço negativo (absorve 17% e reflete 30%), enquanto a Terra apresenta
7
balanço positivo (absorve 47% e reflete 6%). Isso demonstra que a Terra é uma fonte
de calor para a atmosfera. Assim, a irradiação do calor da Terra aquece a troposfera
(baixa atmosfera) mais do que a radiação direta do Sol (CPTEC, 2006).
Segundo MÕTTUS et al. (2001) quando a radiação solar se propaga por meio
da atmosfera terrestre, ela é atenuada pela dispersão (devido às moléculas e
aerossóis) e pela absorção do ozônio, vapor d’água, oxigênio e dióxido do carbono.
Particularmente a alta variabilidade no tempo e espaço é devido a parte de vapor
d’água assim como pelo conteúdo e propriedades das partículas ópticas dos
aerossóis.
A quantidade de radiação solar que atinge a superfície da terra em dado local,
tempo e época do ano são fundamentais para a produtividade de uma cultura, devido
a sua proporcionalidade com relação à quantidade e distribuição durante o ano. A
planta responderá a quantidades instantâneas da radiação solar e, valores máximos
durante o dia são críticos para determinados processos da planta, por exemplo,
crescimento, fotossíntese, aumento de peso úmido, reserva de açúcar, absorção de
água, etc. A temperatura da planta, que governa a taxa de processos biológicos,
depende da radiação solar global ou total incidente sobre a mesma (ASSIS, 2005),
onde a radiação solar global é constituída pela radiação solar direta e a radiação
difusa. Para ANHUF & WINKLER (1999),
8
refletida pelas folhas, fenômeno denominado de reflexão. Finalmente, uma terceira
parte sofre o processo de transmissão, através das camadas de folhas que compõem a
copa e através das camadas que constituem a folha, como a cutícula, o parênquima
lacunoso e o paliçádico, entre outros (MOREIRA, 2001). As quantidades de energia
absorvida, transmitida ou refletida pelas folhas das plantas podem diferir de uma
espécie para outra ou até mesmo dentro da própria espécie, porque existem, dentre
outros, os fatores ambientais que influenciam direta e indiretamente nesta interação.
Um dossel vegetativo pode ser composto por comunidades quase homogêneas,
como áreas agrícolas ou comunidades bastante heterogêneas, como no caso de uma
área ocupada por uma floresta natural. Sendo assim, um dossel vegetativo compõe as
copas de uma comunidade de plantas, sendo caracterizado pelos seus componentes,
sua organização e sua estrutura. Estudos recentes mostraram que a diferenciação
estrutural nos dosséis de florestas tropicais é o maior responsável por variações nas
propriedades da água e no balanço de energia (SHUTTLEWORTH, 1989; ANHUF
et al., 1999; SZARZYNSKI, 2000). O dossel representa uma parte distinta da
floresta, funciona como uma superfície para a troca entre a vegetação e o ambiente
abiótico. No que diz respeito às mudanças climáticas, o dossel da floresta tem o
papel central no orçamento local e regional da água (SZARZYNSKI, 2000).
A interação da radiação solar com dosséis vegetativos se dá, principalmente,
através dos pigmentos contidos nas folhas, portanto, os processos mencionados
acima são válidos para a interação da radiação solar com dosséis.
Existem fatores que definem a eficiência do uso da radiação por um
ecossistema, como a produção de matéria seca, assim como a quantidade de
Radiação Fotossinteticamente Ativa (PAR) absorvida ou interceptada pelo dossel,
(RADIN, 2003). Para os modelos de simulações de produção de biomassa, a radiação
fotossinteticamente ativa é uma das informações essenciais, uma vez que constitui
aproximadamente a metade da radiação solar (GOUDRIAAN, 1988).
9
2.3.2 Radiação Fotossinteticamente Ativa
A Radiação Fotossinteticamente Ativa ou Photosynthetically Active Radiation
(PAR) é utilizada para medição da densidade de fluxo de fótons fotossintéticos. Essa
medição representa o número de fótons incidente entre 400 e 700 nanômetros por
metro quadrado por segundo. Esses fótons podem ser usados pelas plantas verdes
para o processo de fotossíntese, portanto a medida da PAR é um fator essencial para
ser usado para verificar as interações da radiação com o ecossistema.
Um dossel é constituído por vários elementos, como folhas, galhos, frutos,
flores e outros. As propriedades espectrais das folhas e de reflexões múltiplas entre
elas fazem os dosséis vegetativos serem altamente absorventes de Radiação
Fotossinteticamente Ativa (PAR), no intervalo do espectro visível (0,4 a 0,72
μ
m), e
possuirem uma reflexão moderada na região próximo do infravermelho (0,72 a 4,0
μ
m). Quando a terra está sem cobertura vegetal, exibe geralmente um aumento
gradual na reflexão com comprimento de ondas entre 0,4 e 4,0
μ
m (SELLERS et
al
., 1997).
O regime da radiação e mais especialmente a PAR dentro dos dosséis de
floresta tem um papel importante com relação às mudanças da arquitetura e as trocas
de massa e energia da floresta com a atmosfera. A PAR fornece a entrada da energia
para os ciclos de carbono, do nitrogênio e da água das florestas: a disponibilidade do
nitrogênio modera a capacidade fotossintética, a fotossíntese e a condutância
estomática estão relacionadas, a condutância estomática regula a partição da energia
solar em fluxos sensível e latente, entre outros. A PAR em um dado momento é
dependente principalmente de dois fatores, posição do Sol e transmissividade da
atmosfera. A posição do Sol segue um padrão regular, que pode ser usado para
estimativa da PAR potencial de um dado momento e locação das condições de céu
limpo (NÖJD & HARI, 2001).
Alguns modelos que descrevem a produção de fotossíntese usam dados
instantâneos da PAR como uma importante variável de entrada. Esses modelos são
mais úteis ao testar as produções das plantas por períodos longos. Entretanto, longos
registros de medições da PAR instantâneas raramente estão disponíveis (NÖJD &
10
HARI, 2001). Conseqüentemente, há uma necessidade de séries de tempo longo de
medições da PAR.
Contudo, para que se análise a interação entre a radiação eletromagnética e a
superfície terrestre se faz necessária a obtenção de medidas radiométricas, e as
medidas que descrevem o campo de radiação, resultante da interação das diferentes
superfícies em estudos, são a transmitância, refletância e absortância.
2.3.2.1 Transmitância
A transmitância (t) é a fração de energia radiante que entra em uma camada
de faces paralelas de um meio e consegue atravessá-la. Também pode ser definida
como a razão entre a Radiação Fotossinteticamente Ativa Incidente transmitida para
o interior de um dossel (PAR
0
) e a Radiação Fotossinteticamente Ativa Incidente
(PAR
i
).
A transmitância da luz no dossel e a disponibilidade da PAR na superfície da
floresta tem uma variação pronunciada entre as espécies das árvores (TURTON,
1985), e está relacionada com a fração de abertura do dossel, sendo influenciada pelo
ângulo zenital e quantidade de radiação difusa (canopy clumping) (GOWER et al.,
1999). Abaixo de um dossel de floresta ocorre uma redução na quantidade da PAR
(WHITMORE, 1998).
2.3.2.2 Refletância
A refletância é um parâmetro importante no estudo da interação da radiação
solar com a Terra, e trata-se da relação entre o fluxo luminoso refletido por uma
superfície e o que incide sobre ela, ou seja, é a razão entre a Radiação
Fotossinteticamente Ativa Refletida (PAR
r
) por uma superfície pela Radiação
Fotossinteticamente Ativa Incidente (PAR
i
).
A refletância de uma superfície vegetada varia com o ângulo de elevação do
Sol, tipo de vegetação, condições de umidade do ar e da superfície, umidade e tipo de
solo, além da quantidade e do tipo de nuvens (AZEVEDO
et al., 1990; LEITÃO et
al., 2002). Para o c aso de vegetação de floresta, como a folhagem é agrupada na
11
copa, com picos e depressões organizados nas superfícies dos dosséis, uma
quantidade de radiação solar incidente penetra antes de ser refletida
(SHUTTLEWORTH et al., 1984a).
O albedo é a capacidade de reflexão da radiação solar de uma determinada
superfície, pois é a razão entre a radiação eletromagnética refletida e a quantidade
incidente, ele varia de 1 (reflexão total de corpo refletor perfeito) a 0 (absorção total
de um corpo negro), que são extremos teóricos inexistentes na natureza. Mudanças
antrópicas na cobertura da superfície e seu albedo afetam a fração de radiação solar
refletida de volta ao espaço e, portanto constituem uma importante variável radiativa
do clima (KAUFMAN et al., 1998).
2.3.2.3 Absortância
A Fração da Radiação Fotossinteticamente Ativa Absorvida (f
APAR
) é a
proporção da radiação solar fotossintética disponível que um dossel absorve, na
região visível do espectro solar (aproximadamente 400 a 700 nm). É definida pela
razão APAR/PAR
i
, em que PAR
i
(
μ
mol m
-2
s
– 1
ou W m
– 2
d
-1
) é a radiação incidente
no topo do dossel e APAR (
μ
mol m
-2
s
-1
ou W m
-2
d
-1
)
é a radiação absorvida pelos
tecidos fotossintetizantes do dossel. Esta fração varia de zero em terras sem cobertura
vegetal e próximo de um para vegetação muito densa.
A evolução de ecossistemas terrestres é caracterizada por variáveis físicas,
bioquímicas e fisiológicas, podendo, algumas delas, serem extraídas a partir de dados
de sensoriamento remoto recolhidos no espaço com ótimo índice de aceitação,
fazendo da Fração da Radiação Fotossinteticamente Ativa Absorvida (f
APAR
) um
ótimo indicador de status do dossel (GOBRON et al., 2000). Com isso a f
APAR
é uma
variável que pode ser usada para quantificar a presença da vegetação com uma ótima
confiabilidade em uma escala global.
Geralmente a f
APAR
é medida diretamente com um método que utilize dados
da APAR medidos a longo prazo. Entretanto, as medidas diretas de APAR em locais
experimentais podem ser desafiadores, especialmente em dosséis heterogêneos como
as florestas (GOWER et al., 1999), onde as medidas instantâneas freqüentemente
podem sofrer interferências. A determinação da
f
APAR
depende da estrutura do
12
dossel, quantidade de folhagem, ângulo solar zenital, proporção de radiação difusa e
a refletância do solo (MARISCAL et al., 2000; NOUVELLON et al., 2000). Em
florestas, amostragens espaciais adequadas são extremamente difíceis de serem
obtidas. Algumas vezes o Índice de Área Foliar (LAI) é estimado e a f
APAR
calculada,
assumindo um modelo do dossel padrão apropriado (GOWER et al ., 1999).
Para uma estimativa precisa da f
APAR
é necessário um monitoramento
detalhado, para verificar a produtividade de uma superfície vegetada. Sendo o dossel
um dos fatores que influenciam na radiação, o seu aspecto na floresta pode trazer
variações na refletância, transmitância e absortância. A PAR absorvida pelas folhas
verdes é suficiente para se estimar a fixação do carbono do dossel (GALLO et al.,
1993). Afortunadamente, os índices remotos de vegetação são mais bem relacionados
com f
APAR
(HALL et al., 1990).
2.3.2.3.1 Estimativa da f
APAR
por modelagem
As alterações da cobertura vegetal têm incentivado a elaboração de vários
estudos, incluindo o desenvolvimento de uma variedade de modelos numéricos para
simular o comportamento dos fluxos de carbono, água e energia nos ecossistemas
(KUCHARIK et al., 2000). O desenvolvimento destes modelos permitiu que diversos
autores discutissem os prováveis efeitos da alteração da cobertura vegetal sobre os
processos climáticos regionais e globais, concentrando-se na evolução dinâmica dos
processos ecológicos, biofísicos, biogeoquímicos e biogeográficos que ocorrem em
diferentes escalas de tempo (HURTT
et al., 1998).
Os modelos são as principais ferramentas para extrapolar as medições locais,
para uma escala maior as medições locais, como por exemplo, a versão 2.6 pontual
(0-D) do
Integrated Biosphere Simulator (IBIS), que é um sofisticado modelo da
interação atmosfera-biosfera, que incorpora os processos de transferência de calor e
massa, alocação de carbono, crescimento de vegetação, ciclo do carbono terrestre
completo, e competição entre biomas, sendo escrito em Fortran 77, com
aproximadamente 30000 linhas de código. Uma das versões disponíveis
gratuitamente é a versão 2-D do IBIS que está disponível em www.sage.wisc.edu.
Modelos integrados como o IBIS, permitem estudar com mais profundidade as
13
interações entre a biosfera e a atmosfera, principalmente os diversos mecanismos de
retroalimentação envolvidos. O módulo da superfície terrestre do IBIS simula as
trocas de energia, água, CO
2
e momentum
no sistema solo-vegetação-atmosfera. O
modelo representa duas camadas de vegetação (árvores e gramíneas), oito camadas
de solo e três de neve. Para capturar no ciclo diurno dos processos biofísicos e
fisiológicos, o módulo da superfície terrestre usa um intervalo de integração
relativamente curto, de 60 minutos.
Os dados de entrada para a estimativa da f
APAR
no IBIS (versão 2-D), incluem
seis variáveis de entrada (dados micrometeorológicos) obtidos por observações em
campo ou estimados a partir de observações em campo como: velocidade do vento,
temperatura do ar, umidade relativa do ar, saldo de ra diação, precipitação e
nebulosidade pelo dossel, e diversos fatores ecofisiológicos do dossel.
2.3.2.3.2 Estimativa da f
APAR
pelo produto MODIS
O sensoriamento remoto, tido como uma fonte contínua e regular para a
obtenção de dados da superfície terrestre, pode prover um monitoramento sistemático
desse bioma, como o que vem sendo realizado pelos projetos LBA (“Experimento de
Grande Escala da Biosfera Atmosfera na Amazônia”), PRODES Digital (Projeto de
Estimativa do Desflorestamento Bruto da Amazônia - Versão digital) (DUARTE
et
al
., 2003), e SIAD (Sistema Integrado de Alerta de Desmatamento) na região da
Amazônia Legal, entre outros. Entre os sensores orbitais com dados disponibilizados
para a comunidade científica destaca-se o MODIS (
Moderate Resolution Imaging
Spectroradiometer
), um dos principais sensores de mapeamento global a bordo do
satélite Terra, o EOS AM-1 Spacecraft, lançado em 18 de dezembro de 1999,
começando a coletar dados em dezembro de 2000, com o horário de passagem as
10h30min da manhã.
O satélite EOS-AM possui órbita polar, sol-síncrona e carrega a bordo vários
sensores: CERES, MOPITT, MISR, MODIS e o ASTER. Segundo BARKER et al.
(1992), o MODIS apresenta inúmeras características, entre elas:
• Ampla cobertura espacial e espectral;
14
• Continuidade nas tomadas de medidas nas regiões espectrais, que já
estão sendo estimadas por outros satélites, vindo a complementar as
informações, já adquiridas por estes. Como exemplo, o conjunto de
dados adquiridos pelo sensor AVHRR, usado para a meteorologia e
monitoramento da temperatura da superfície do mar, gelo e vegetação; e
pelo Coastal Zone Color Scanner (CZSC), usado para monitorar a
biomassa oceânica e os seus padrões de circulação;
• É a primeira ferramenta dos satélites EOS na condução das pesquisas de
mudanças globais.
O MODIS é um sensor de varredura muito versátil, com um espelho
escaneador de movimento cruzado, coletor ótico e um conjunto e arranjos lineares
com filtros de interferência espectral localizados em quatro planos focais. Adquire
dados em 36 bandas espectrais distintas, com resoluções espaciais de 250 m (2
bandas), 500 m (5 bandas) e 1 km (29 bandas) (COHEN & JUSTICE, 1999), o qual
efetivamente e sistematicamente pode auxiliar no monitoramento de todo o bioma
Cerrado, provendo mapas de cobertura e uso do solo (FERREIRA et al., 2005).
Os produtos MODIS relacionados ao estudo da vegetação são basicamente três:
MOD13 – Vegetation Índices, MOD15 – Leaf Area Index / f
APAR
e MOD17 – Net
Primary Production / Net Photosynthesis.
Por meio dos produtos do MOD15, como os produtos que estimam a f
APAR
,
assim como outras estimativas de cobertura do solo, pode-se fazer a análise da
vegetação natural, pastagem e agricultura, que passam a ser realizadas numa escala
multitemporal, que melhora o entendimento deste bioma, quanto a sua estrutura,
funcionamento e papel ecológico.
O produto
f
APAR
do MODIS é produzido com uma resolução espacial de 1 km,
podendo ser diário (MOD15A1), composto num período de oito dias (MOD15A2)
baseado no valor máximo da f
APAR
ou composto num período de um mês
(MOD15_BU). O algoritmo para estimativa da f
APAR
é baseado numa rigorosa teoria
de transferência radiativa tridimensional que é otimizada por inversão usando tabelas
de referência e aproximações sofisticadas para resolver a equação de transporte
radiativo (PRIVETTE et al., 2002; MYNENI et al., 2002). Possui interfaces com os
produtos de refletância da superfície (MOD09), cobertura do solo (MOD12) e
15
nuvens (MOD09). Um fluxograma dos algoritmos utilizados para a geração dos
produtos do MOD15 é apresentado na Figura 1.
Figura 1 - Produtos utilizados para a geração do MOD15.
Fonte: INPE (2006).
Quando esse método falha ao localizar uma solução, um algoritmo reserva é
utilizado baseado nas relações entre o Normalized Difference Vegetation Index
(NDVI) e a
f
APAR
(MYNENI et al., 2002; KNYAZIKHIN et al., 1999).
As imagens de sensoriamento remoto são resultados de uma varredura dos
sensores sobre a área imageada. Esta varredura varia de acordo com a resolução
espacial do sensor, ângulo de visada ou com o Campo de Visada Instantânea do
Sensor (IFOV), porém, não isola objetos com resposta diferentes. Uma imagem
qualquer é composta por diversos alvos diferenciados e estes se encontram
distribuídos de forma “aleatória”, reproduzindo a superfície imageada. Assim, na
imagem, sob a grade de
pixels verticais e horizontais, os alvos se distribuem de
forma disforme (disforme em relação à área dos pixels), de maneira que se deve
considerar a presença de pixels misturados, em que a resposta de vários alvos está
sendo refletida, e de pixels puros, em que a resposta de um único alvo está sendo
refletida (FERREIRA et al., 2005).
Refletância (MOD09)
Cobertura
(MOD12)
Nuvens
(MOD09)
MODIS IAF/f
APAR
IAF, f
APAR
, QA
(MOD15)
16
O desempenho do MODIS foi avaliado por XIONG et al. (2003) por mais de
três anos de operação em órbita, junto com dados de pré-lançamento, os autores
propuseram melhorias nas escolhas dos projetos, práticas e procedimentos que
podem ser úteis no desenvolvimento de radiômetros multiespectrais lançados no
espaço futuramente.
17
3 M
ATERIAL E MÉTODOS
3.1 ÁREA DE ESTUDO
A área em estudo está situada na Fazenda Maracaí, localizada a
aproximadamente 50 km NE de Sinop, Mato Grosso, Brasil (11º24,75’S;
55º19,50’O), a 423 m acima do nível do mar, representando cerca de 20 km
2
da
Amazônia Legal (Figura 2). Esta área é constituída por uma floresta tropical de
transição, que ocupa o ecótono entre a floresta Amazônica e o Cerrado.
Figura 2 - Localização da área de estudo. (Imagem Landsat 7ETM+)
Fonte: PINTO-JR, 2007.
18
Segundo o RADAN Brasil, numa escala de 1:1.000.000 esta floresta é
classificada como uma transição da ombrófila para a estacional. A vegetação é
constituída por espécies arbóreas cuja altura média das árvores varia de 28-30 m. As
principais espécies identificadas no local são Tovomita sp, Brosimum sp, Qualea sp,
Vochysia sp, Ocotea spixiana, Dinizia Excelsa, Quina pteridophilla, Mezilaurus
itauba
(VOURLITIS et al., 2001; VOURLITIS et al., 2002).
De acordo com a classificação feita pelo laboratório de solos da UFMT, o solo
é classificado como um neossolo quartzarênico órtico típico A moderado álico, sendo
um solo extremamente arenoso, que apresenta na profundidade de 50 cm uma textura
com 84% de areia, 4% de silte e 12% de argila (PRIANTE FILHO et al., 2004). Este
solo tem elevada porosidade e drenam rapidamente a água após a precipitação (i.e.,
dentro de 4-7 dias) (VOURLITIS et al., 2002).
3.2
INSTRUMENTAÇÃO
Essa área tem uma torre micrometeorológica de 42 m de altura que participa do
projeto LBA, onde estão instalados equipamentos que monitoram constantemente o
microclima deste local.
Foram realizadas medidas de Radiação Fotossinteticamente Ativa (PAR) por
meio de 4 sensores (LI-190SB, LI-COR) instalados em diferentes alturas e posições.
Três sensores foram dispostos com a face sensível apontada para cima, na altura de
42 m, denominada com PAR
i
registrando os valores de PAR incidente total; outros
dois sensores dispostos nas alturas de 20 m e 1 m, denominados respectivamente
como PAR
20
e PAR
0,
que registraram os valores de PAR incidente parciais, filtrados
pela ação do dossel. O quarto sensor também a 42 m, estava disposto com a sua face
sensível apontada para baixo medindo a Radiação Fotossinteticamente Ativa
Refletida (PAR
r
).
O sensor PAR
i
e PAR
0
(LI-190SB, LI-COR) foram instalados no ano de 1999
quando foi nivelado e calibrado, anualmente foi realizada calibração do sensor por
meio de comparação de valores obtidos por outros sensores PAR (LI-190SB, LI-
19
COR) e calibrado por um pelo piranômetro (LI-200SA Pyranometer Sensor)
instalado para medição da radiação solar global, no período de 2001 e 2003. O sensor
PAR
20
(LI-190SB, LI-COR) foi instalado em setembro de 2002.
As medidas de temperatura e umidade do ar foram realizadas por um
psicrômetro (HMP-35, Vaisala, Inc., Helsinki, Finland) instalado na altura de 42 m
no período de 2001 a 2003.
A temperatura do ar nas diferentes alturas foi medida por meio de um
analisador de gás (CO
2
e H
2
O) de circuito fechado (Modelo LI-820/LI-COR, Inc.
Lincoln, NE, USA) instalado na altura de 10 m em que recebia o gás bombeado por
meio de uma válvula solenóide, que sugava o ar dos canos instalados nas alturas de
1, 4, 12, 20 e 28 m da torre no período de 2001 a 2003.
A temperatura do solo foi medida por meio de quatro termopares (tipo
Cobre/Constantan) instalados nas profundidades de 0,01; 0,03; 0,05 e 0,07 m abaixo
da superfície do solo a partir de 2002.
O conteúdo de água no solo foi medido por meio de um sensor de
reflectometria no domínio do tempo (Time Domain Reflectometry, TDR) com
orientação vertical (0 a 30 cm) (CS615, Campbell Scientific, Inc., Ogden, UT, USA),
adjacente à torre micrometeorológica no período de 2001 a julho de 2003. Em agosto
de 2003, devido a um acidente com um TDR foram instalados três sensores TDR
com orientação horizontal nas profundidades de 5, 25 e 70 cm. Os sensores TDR
foram calibrados em laboratório por meio de comparação de dados de umidade
gravimétrica do solo do sítio exper imental e rea lizados em laboratório.
Os dados micrometeorológicos obtidos na torre foram armazenados por um
sistema de aquisição de dados, um Datalogger (CR10-X, Campbell Scientific, Inc.,
UT, USA), programado para fazer leituras das medidas a cada 30 segundos e
armazenar uma média a cada 30 minutos.
Devido a problemas técnicos com o pluviômetro instalado na torre
micrometeorológica na área experimental, optou-se por utilizar os dados de
precipitação fornecidos pela estação meteorológica da Fazenda Continental, para o
ano de 2001-2003, localizada a aproximadamente 17 km do local do experimento,
que utiliza um pluviômetro tipo “tupy” e faz medições diárias. O pluviômetro na
Fazenda Continental estava instalado em área de manejo florestal. Também foram
20
utilizados dados de precipitação de 2002 da presente área de estudo apresentado por
PRIANTE FILHO et al. (2004) que utilizou para medições um pluviômetro tipo
“monjolo” (Mod. 2501 Sierra-Misco Inc. Berkeley, CA, EUA). Os autores estimaram
a precipitação mensal em função da umidade do solo devido às falhas nos meses de
janeiro, outubro, novembro e dezembro.
3.3 E
STIMATIVA DA TRANSMITÂNCIA
Estimou-se a transmitância entre as alturas de 42 e 0 m (t
topo-0
), a transmitância
entre as alturas 42 e 20 m (t
topo-20
) e transmitância entre as alturas de 20 e 0 m (t
20-0
).
Para a estimativa da transmitância (t
topo-0
) foram utilizados dados de observação
de campo, utilizando a equação 1.
i
0
0-topo
PAR
PAR
t =
(1)
onde, PAR
0
é a Radiação Fotossinteticamente Ativa incidente na altura de 1m e a
PAR
i
a Radiação Fotossinteticamente Ativa incidente na altura de 42 m.
Para a estimativa da transmitância (t
topo-20
) foram utilizados dados de
observação de campo, utilizando a equação 2.
i
20
20-topo
PAR
PAR
t =
(2)
onde, PAR
20
é a Radiação Fotossinteticamente Ativa incidente na altura de 20 m. E
t
20-0
é calculado pela equação3.
20
0
0-20
PAR
PAR
t =
(3)
21
3.4 ESTIMATIVA DA REFLETÂNCIA
A refletância (r) foi estimada com dados de observação de campo, utilizando a
equação 4.
i
r
PAR
PAR
r =
(4)
onde, PAR
r
é a Radiação Fotossinteticamente Ativa refletida pelo dossel.
3.5 ESTIMATIVA DO ÂNGULO SOLAR ZENITAL
Para a análise dos resultados de transmitância e refletância usou-se a estimativa
do ângulo solar zenital. A localização do Sol no céu é descrita pela sua altitude (β,
ângulo de elevação em relação ao horizonte) ou ângulo zenital (Z, ângulo medido na
vertical) e seu ângulo azimutal (AZ, ângulo do norte verdadeiro ou sul medido no
plano horizontal). O ângulo zenital Z é relatado por β = 90 – Z (graus) que depende
da hora do dia, da latitude local e do período do ano, segundo a equação 5.
(
)
[
]
0
15coscoscos ttsensensenZ
z
−
+
==
22
sendo J é o dia juliano. A posição angular do Sol, ao meio dia solar, em relação ao
plano do Equador (Norte positivo) é chamada de Declinação Solar (δ). Este ângulo
varia de acordo com o dia do ano, dentro dos seguintes limites: -23,45° ≤ δ ≤ 23,45°.
A soma da declinação com a latitude local determina a trajetória do movimento
aparente do Sol para um determinado dia em uma dada localidade na Terra.
3.6 ESTIMATIVA DA f
APAR
3.6.1 Medições de Campo
Para estimar a f
APAR
por observações de campo, utilizou-se a equação 7,
definida como a Fração da Radiação Fotossinteticamente Ativa (PAR) que é
absorvida pelo dossel (GOWER et al., 1999),
f
APAR
= [ (PAR
i
- PAR
r
) - ( PAR
0
- PAR
ro
)] / PAR
i
(7)
Onde PAR
i
é a PAR incidente no topo do dossel, PAR
r
é a PAR refletida pelo dossel,
PAR
0
é a PAR incidente na parte inferior do dossel e PAR
ro
é a PAR refletida na
parte inferior do dossel, sendo desprezível. Logo a equação 7 pode ser reescrita como
a equação 8.
f
APAR
= 1-r-t (8)
Onde r significa refletância do dossel e t, a trans mitância do dossel.
3.6.2 Modelagem
Para a estimativa da
f
APAR
pelo software Integrated Biosphere Simulator
(IBIS), utilizou-se seis variáveis de entrada: velocidade do vento, temperatura do ar,
precipitação, saldo de radiação, radiação infravermelha incidente e umidade relativa
23
do ar. Dos quais, a velocidade do vento, temperatura do ar, umidade relativa do ar e
saldo de radiação foram observados com os dados do sítio experimental a
aproximadamente 50 km da cidade de Sinop. A radiação infravermelha incidente foi
estimada por um código, utilizando o saldo de radiação e o fluxo de radiação
infravermelha emitida pelo dossel.
Para o cálculo do fluxo de radiação infravermelha emitida pelo dossel utilizou-
se um código de leitura que é composto de alguns parâmetros, tais como: constante
de Stephan-boltzmann (σ = 5,67 x 10
-8
W m
-2
K
-4
) e emissividade do dossel (em =
0,997521), encontrado pela equação 9.
em = 1- e
-LAI
(9)
onde LAI é o Índice de Área Foliar.
No IBIS a radiação solar é calculada para cada nível de vegetação com
cálculos separados para a radiação direta e difusa em duas bandas de comprimento de
onda (visível e infravermelho próximo). O cálculo da f
APAR
foi estimado para cada
30min, por meio da equação 10.
i
t
APAR
PAR
APAR
=
f (10)
Onde, APAR
t
é a Radiação Fotossinteticamente Ativa Total Absorvida e PAR
i
é a
Radiação Fotossinteticamente Ativa incidente no topo do dossel. No IBIS, a
PAR
i
é
calculada em função da radiação solar incidente por meio da equação 11.
udifudiri
PARPARPAR +=
()
[]
[
]
difvissddifvissdi
..59,4.R1..59,4.RPAR ffff
+
−
=
(11)
Onde, PAR
udir
é a PAR direta incidente no dossel superior, PAR
udif
é a PAR difusa
incidente no dossel superior, R
sd
é a radiação solar global, f
vis
é a fração de energia na
banda do visível (0,427),
f
dif
é a fração da radiação difusa definida segundo
NIKOLOV & ZELLER (1992) e FRIEND (1998) pela equação 12.
24
()
(
)
(
)
32
dif
.509,076,0.6313,2.509,076,0.5227,3.509,076,0.0435,00045,1 cccf −+−−−+=
(12)
166,0
dif
=f
se c < 0,02
em que c é a nebulosidade e varia de 0 a 1.
A APAR
t
é calculada como a soma da APAR do dossel superior e inferior,
definida pela equação 13.
(
)
(
)
ldifldifldirldirudifudifudirudirt
.aPAR.aPAR.aPAR.aPARAPAR +++=
(13)
onde, a
udir
é a fração da PAR direta absorvida pelo dossel superior, a
udif
é a fração da
PAR difusa absorvida pelo dossel superior. PAR
ldir
é a PAR direta incidente no
dossel inferior e a
ldir
é a fração dessa radiação absorvida pelo dossel inferior. PAR
ldif
e
a
ldif
têm o mesmo significado, porém para a PAR difusa.
Para a simulação da f
APAR
, o modelo utilizou alguns parâmetros relativos às
características biofísicas da vegetação, tais como: altura do dossel (28 m), altura
onde os instrumentos foram instalados (42 m), tipo de vegetação predominante
(floresta tropical semi-decídua), textura do solo (% areia e argila), para 6 camadas e
Índice de Área Foliar (LAI). O LAI adotado como dado de entrada foi 5 m
2
m
-2
(SULI, 2004).
3.6.3 Produto do MODIS
Para a estimativa da
f
APAR
através do MODIS, sensor abordo do satélite Terra,
foi utilizado o produto mensal do MOD15_BU - coleção 4 (C 4.1), que é produzido e
distribuído pela Universidade de Boston, disponível no endereço:
http://cybele.bu.edu/modisnisc/index.html. O período estudado foi de janeiro de 2001
a dezembro de 2003. A média mensal da f
APAR
foi obtida através da média aritmética
de 20 pontos da grade, com 1 km
2
cada célula, região que inclui a torre
micrometeorológica, com monitoramento local do satélite MODIS às 10h30min. Dos
dados da f
APAR
fez-se análise de codificação: (0-1) “escala de dados válidos”, (2)
“valores fora da projeção”.
25
Dos mesmos pontos da grade também foram obtidos os valores de controle de
qualidade (QA) que informa o tipo de algoritmo utilizado ou a inexistência de dados.
Para os valores de QA também se analisou a codificação: (1-4) “nível de qualidade
elevada”, definido como o número do pixel gerado pelo algoritmo principal sem
saturação. De (5-8) “nível de qualidade baixa”, definido como 4 números a mais de
pixels gerados pelo algoritmo principal, com saturação. Se for (255), pixel não
computados, ou pixels faltantes. Quanto mais próxima de (1) for o QA melhor é a
qualidade da f
APAR
estimada.
3.7 TRATAMENTO DOS DADOS
3.7.1 Dados de Campo
Devido à falhas na estrutura ou em equipamentos, foi realizada uma análise
criteriosa dos dados obtidos de Radiação Fotossinteticamente Ativa Absorvida
incidente nas alturas de 42, 20 e 1 m e Radiação Fotossinteticamente Ativa Refletida
a 42 m, com todos os dados pareados e não pareados, para a verificação da influência
das falhas no produto final. Depois da rejeição dos dados errôneos por meio de limite
máximo e mínimo permitido para cada variável foi calculada a média mensal dos
parâmetros PAR
i
, PAR
20
, PAR
0
e PAR
r
. Fazendo a análise das perdas dos dados,
escolheu-se os dados pareados para serem trabalhados, pela menor variação
percentual existente entre eles, com perda média de 44% dos dados da PAR
i
, PAR
0
e
PAR
r
para os anos de 2001, 2002 e 2003 e 30% dos dados da PAR
20
, para os anos de
2002 e 2003.
Para a análise sazonal, estacional e por ciclos (noturna e diurna), de variáveis
micrometeorológicas como: temperatura do ar, umidade relativa do ar, PAR,
conteúdo de água no solo e temperatura do solo, também se optou ao não
preenchimento de falhas e sim a rejeição de dados considerados errôneos dentro de
um limite máximo e mínimo adotado para cada variável estudada. Foram rejeitados
devido às falhas e/ou dados errôneos 3% dos dados de temperatura do ar medido a 42
m, 40% dos dados de temperatura do ar medidos nas alturas de 1, 4, 12, 20 e 28 m,
26
16% dos dados de umidade relativa do ar, 16% dos dados de PAR, 38% dos dados de
saldo de radiação, 48% dos dados de conteúdo de água no solo, 61% dos dados de
temperatura do solo. Para cada variável analisada foram realizados cálculos de um
dia médio a cada 30 minutos com todos os dados. A partir do dia médio foram
calculadas as médias das estações. No presente trabalho considerou-se 3 meses de
estação seca (junho-agosto), 3 meses de estação úmida (dezembro-fevereiro) e 3
meses de transição seca-úmida (setembro-novembro) e 3 meses de transição úmida-
seca (março-maio).
3.7.2 Dados da Modelagem
Para a estimativa de f
APAR
por modelagem utilizou-se como dados de entrada
pelo IBIS dados micrometeorológicos obtidos por medições em campo. Os dados
tiveram todas as suas falhas corrigidas empregando-se o tratamento por interpolação,
de acordo com as seguintes condições:
• Se a falha (f) for menor ou igual a 3 horas (equação 14).
(
)
()
Pi
f
XX
XX
PifP
Pi
−
+
−
+=
−−
.
1
(14)
Onde X
i
é o valor a ser preenchido, X
P
é o antecessor da falha e X
P-f-i
é o
sucessor da falha.
• Se a falha (f) for maior que 3 horas e menor que 24 horas (equação 15).
(
)
[
]
()
(
)
(
)
24112424
.
1
.
1
1
−−−−−−−
−
+
−
+−
+
−++
+=
fPfPPPii
XX
f
Pi
XX
f
ifP
XX
(15)
• Se a falha (f) for maior ou igual a 24 horas (equação 16).
(
)
[
]
()
(
)
(
)
mfPfPmPPmii
XX
f
Pi
XX
f
ifP
XX
24112424
.
1
.
1
1
−−−−−−−
−
+
−
+−
+
−++
+=
(16)
27
onde m é a parte inteira de (f/24 +1). Essas equações de interpolação fazem com que
o período sem dados siga o mesmo comportamento de um período similar com
dados, preenchendo as falhas de forma mais realística do que uma interpolação linear
(SENNA et al., 2004).
28
4
RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 RESULTADOS OBTIDOS POR OBSERVAÇÕES DE CAMPO
4.1.1 Caracterização do Microclima da Área em Estudo
4.1.1.1 Precipitação
A média de precipitação para a bacia Amazônica é de 5,9 mm dia
-1
(MARENGO, 2004), ou aproximadamente 2154 mm ano
-1
. A Tabela 1 apresenta
dados de precipitação nos anos de 2001 a 2003 obtidos pela Fazenda Continental e
dados de 2002 mencionados por PRIANTE FILHO (2004). Considerando os dados
da Fazenda Continental, tem-se que a média de precipitação anual de 2001 a 2003 foi
de 2171 mm. A precipitação na estação úmida (dezembro-fevereiro) representou
aproximadamente 50% da precipitação total anual. Na estação seca (junho-agosto)
praticamente não houve a incidência de precipitação (Tabela 2).
Segundo LIEBMANN & MARENGO (2001) a média anual de precipitação
na Amazônia Brasileira varia de menos de 2000 mm na parte sul e na parte leste e
extremo norte para precipitações superiores a 3000 mm. Estes valores estão de
acordo com valores de precipitação média anual em uma floresta Amazônica
localizada a 90 km Norte da cidade de Manaus (60º11’O; 02º58’S) em que a
precipitação média entre os anos de 1961 e 1990 foi de 2285 mm; em uma floresta
Amazônica localizada a 23 km da cidade de Rio Branco (67º62’O; 10º07’S), com
uma precipitação medida entre 1969 a 1990 iguais a 1940 mm; e Floresta Nacional
Tapajós localizada próximo a cidade de Santarém (54º95’O; 02º85’S) com uma
29
precipitação medida entre 1967 a 1990 de 1909 mm (VIEIRA et al., 2004; NURMA,
2002; INMET, 2001). Na floresta Amazônica de Caxiuanã (51º31’O; 01º42’S) a
precipitação média anual foi de 2000 mm (LISBOA & FERRAZ, 1999). E são
menores que os valores apresentados em uma região de cerrado nativo
aproximadamente a 16 km de Brasília (47º53’O; 15º26’S) a precipitação média anual
foi de 1550 mm (ADUAN, 2003). As características climatológicas da floresta de
transição são similares à precipitação de floresta tropical e cerrado, entretanto, nesta
região a floresta recebe aproximadamente 200 mm menos de precipitação anual que
a floresta úmida e 500 mm mais precipitação que o cerrado (VOURLITIS
et al.,
2002).
Tabela 1 - Precipitação mensal nos anos de 2001 a 2003, média dos anos 2001 a 2003
(dados obtidos pela Fazenda Continental a 17 km do sítio experimental) e dados de
precipitação de 2002 segundo PRIANTE FILHO et al. (2004), do sítio experimental.
Mês 2001
*
2002
*
2003
*
Média 2001-2003
*
2002
#
Jan 366 388 600 451 360
Fev 165 334 271 257 407
Mar 255 326 382 321 255
Abr 0 23 276 100 116
Mai 0 0 70 23 5
Jun 0 0 0 0 0
Jul 0 0 0 0 18
Ago 5 0 0 2 0
Set 177 62 25 88 13
Out 189 172 273 211 54
Nov 365 218 383 322 183
Dez 484 338 365 396 235
Total 2006 1861 2645 2171 1646
* Dados da Fazenda Con tinental,
#
Dados obtidos e/ou estimados por PRIANTE FILHO et
al. (2004).
30
Tabela 2 - Média estacional da precipitação acu mulada nos anos de 2001 a 2003 (dados
obtidos pela Fazenda Continental a 17 km do sítio experimental).
Estação Precipitação (mm)
Úmida 1103,7
Úmida-seca 444,0
Seca 1,7
Seca-úmida 621,3
Total 2170,7
O clima das regiões de floresta tropical úmida exibe claramente uma variação
considerável nos padrões de precipitação concordante com o mencionado por
MALHI
et al. (2004) em que a média de precipitação da floresta tropical tem um
valor anual de 2180 mm, uma estação seca de 3 a 4 meses, correspondendo a uma
temperatura média anual de 25,2 ºC com uma variação sazonal de 3,2 ºC.
4.1.1.2
Sazonalidade da Umidade Relativa do Ar, Temperatura do Ar, PAR e
Radiação Solar Global
Em decorrência da elevada precipitação na estação úmida, a média estacional
da umidade relativa do ar foi mais elevada, 85,8% sendo menor na estação seca,
70,3% (Tabela 3), tais valores foram próximos aos observados em uma floresta
tropical de Manaus cuja média mensal da umidade relativa durante a estação seca
esteve entre 72% e 88%, aumentando para 80% e 90% durante a estação úmida
(MAITELLI & WRIGHT, 1996).
A média estacional da temperatura do ar variou de 25,6 a 27,8 ºC (Tabela 3),
com uma temperatura média anual na floresta de transição de 26,4 ºC (anos 2001 a
2003). Estes valores foram maiores que a temperatura média na floresta tropical em
Manaus e Marabá que apresentaram valores variando entre 24,5 e 26,6 ºC e em Ji-
Paraná com temperaturas médias variando entre 22,1 e 25,7 ºC (CULF
et al., 1996).
Geralmente a temperatura e as condições de umidade dentro e acima de uma floresta
são resultados da reflexão, transmissão e absorção da energia solar na superfície do
dossel, a sua conversão em calor sensível e latente e a alocação da luz e calor dentro
de uma floresta (MOTZER, 2005).
31
Como a energia solar é extremamente importante, principalmente no que se
refere aos processos de aquecimento do ar e do solo, evapotranspiração e fotossíntese
exercendo uma forte influência nas variações climáticas que ocorrem em todo o
globo, tem-se que as maiores incidências de PAR foram observadas nas estações seca
e seca-úmida (Tabela 3; Figura 3), possivelmente porque nestas estações não houve a
influência da cobertura de nuvens na área, presenciada nas estações úmida e úmida-
seca. Esse comportamento concorda com maiores incidência de PAR observados na
estação seca numa floresta Amazônica, em Ji-Paraná (AGUIAR, 2005) e em uma
floresta Amazônica, em Santarém-PA (SENNA, 2004). Mudanças sazonais na
cobertura das nuvens são os principais fatores que determinam a variação da radiação
solar incidente, (ROCHA et al., 2004).
O mesmo padrão pode ser observado com a radiação solar global que
apresentou um maior valor médio na estação seca-úmida de 168 ± 193 Wm
-2
(Tabela
3). SOUZA FILHO et al. 2002 verificaram na Floresta em Caixuanã menor valor de
Radiação Solar Global (Rsd) no período chuvoso (14,8 MJ m
-2
dia
-1
) e maior valor no
período menos chuvoso (19,3 MJ m
-2
dia
-1
) e CULF et al. (1996) observaram
radiação solar em três florestas, na Reserva Ducke o máximo (18,52 MJ m
-2
dia
-1
) no
mês de setembro e mínimo (13,75 MJ m
-2
dia
-1
) em abril, na Fazenda Dimona em
Manaus o máximo (11,30 MJ m
-2
dia
-1
) foi em setembro e o mínimo (14,54 MJ m
-2
dia
-1
) em janeiro, na Reserva Vale do Rio Doce em Marabá o máximo (19,33 MJ m
-2
dia
-1
) em junho e mínimo (14,41 MJ m
-2
dia
-1
) em dezembro.
Entre as estações seca-úmida e úmida-seca houve um aumento de 16% na Rsd,
e a sua variabilidade pode ser observada na Figura 3. No período da estação seca e
úmida não houve variação na média diária da radiação solar global (Tabela 3),
possivelmente devido ao fato que no período da seca os dias apresentaram maiores
mudanças na cobertura de nuvens do que nas estações seca-úmida e úmida-seca.
32
Tabela 3 - Valores das médias estacionais dos anos de 2001 a 2003 da u midade relativa do
ar, temperatura, Radiação Fotossinteticamente Ativa (PAR) e Radiação Solar Global (Rsd)
(média ± DP).
Estação
Temperatura do ar
(ºC)
Umidade relativa do ar
(%)
PAR
(µ mol m
-2
s
-1
)
Rsd
(W m
-2
)
Úmida
26,0 ± 2,7 85,8 ± 11,0 767 ± 377
149 ± 175
Úmida-seca
25,8 ± 2,5 83,4 ± 13,2 803 ± 384
141 ± 158
Seca
25,6 ± 5,0 70,3 ± 20,6 816 ± 469
149 ± 179
Seca-úmida
27,8 ± 4,0 76,4 ± 15,5 834 ± 473
168 ± 193
4.1.1.3 Variação diária da Umidade Relativa do Ar, Temperatura do Ar, PAR e
Radiação Solar Global
A maior amplitude térmica diária foi na estação seca e seca-úmida,
possivelmente em conseqüência de uma maior radiação solar e radiação
fotossinteticamente ativa e menor disponibilidade hídrica. Na estação seca houve
uma diferença entre os ciclos diurno e noturno de aproximadamente 5,6 ºC (Figura
3). Nas estações úmida e seca a temperatura no ciclo diurno foi maior 14,5 e 25,4%
que no ciclo noturno, respectivamente. Esse comportamento é concordante com a
menor taxa de cobertura de nuvens na estação seca, que propicia maior incidência de
radiação solar durante o dia e maior perda de energia radiativa da superfície durante
a noite.
As variações no ciclo diurno da umidade relativa do ar estão interligadas às
variações no ciclo diurno da temperatura do ar. A diferença da umidade relativa do ar
entre a estação seca e úmida foi em média de aproximadamente 23,6% no ciclo
diurno. Na estação seca, a umidade relativa do ar foi maior no ciclo noturno que no
ciclo diurno apresentando uma diferença entre os ciclos de 32,8% (Figura 3).
Os maiores valores de PAR e Rsd no ciclo diurno foram observados nas
estações seca, e seca-úmida (Figura 3), com valores máximos entre as 12 e 13 horas
de 1342 µ mol m
-2
s
-1
,
45 W m
-2
e 1385 µ mol m
-2
s
-1
, 56 W m
-2
, respectivamente.
33
Figura 3 - Variação do dia médio da umidade relativa do ar, Radiação Fotossinteticamente
Ativa (PAR), Radiação Solar Global (Rsd) e temperatura do ar nas estações.
15
20
25
30
35
40
45
0 400 800 1200 1600 2000 2400
Hora
Temperatura do Ar (ºC)
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Radiação Fotossinteticamente Ativ
a
( mol m
-2
s
-1
)
-10
190
390
590
Radiação Global (W m¨²
)
0
20
40
60
80
100
Umidade Relativa do Ar (%
)
Úmida Úmida-seca Seca Seca-úmida
34
4.1.1.4 Perfil da Temperatura do Ar nas Diferentes Alturas do Dossel
A variação da rugosidade (ou da temperatura da superfície ou da umidade) em
cada campo afeta a camada de ar que passa acima da superfície. Mudanças abruptas
na rugosidade da superfície fazem com que os fluxos sejam modificados por essas
novas condições da superfície (VERMA, 1990).
A Figura 4 mostra os resultados da temperatura do ar nos ciclos diurno e
noturno nas diferentes alturas do dossel (1, 4, 12, 20 e 28 m) para cada estação. Nas
estações de transição seca-úmida e úmida-seca, a temperatura do ar no ciclo diurno a
altura de 28 metros foi superior a temperatura nas demais alturas. GALLON et al.
(2006) verificaram nas estações úmida e seca acentuada concentração de CO
2
nesta
mesma altura (28 m) que nas demais alturas do dossel, devido a maior atividade
ecofisiológica com condições hídricas favoráveis.
Figura 4 - Média da temperatura do ar nas diferentes alturas do dossel no (a) ciclo diurno e
(b) ciclo noturno para as diferentes estações.
Em média a temperatura do ar na altura do dossel apresentou uma variação
entre o ciclo diurno e noturno de 4,2 ºC (estação úmida) a 5,6 ºC (estação seca). A
20 21 22 23 24
Temperatura (ºC)
0
5
10
15
20
25
30
24 25 26 27 28 29 30 31
Temperatura (ºC)
Altura do dossel (m)
Úmida Úmida-seca
Seca Seca-úmida
(a)
(b)
35
diferença de temperatura média do ar no ciclo diurno na altura de 1-28 metros foi de
2,0 ºC (estação úmida) e 3,4 ºC (estação seca-úmida). No ciclo noturno, a
temperatura do ar próxima ao solo foi superior à temperatura do ar na altura média
do dossel (28 m); na estação úmida e seca, a temperatura do ar no estrato superior foi
em média 1,2 ºC e 0,6 ºC, maior que a temperatura próxima ao solo, respectivamente.
ARAIN et al. (2000) verificaram o perfil da temperatura do ar na floresta
Amazônica na Reserva de Jaru, Rondônia. A floresta nesta região possui uma altura
média do dossel de 35 m, e a torre estava instalada a 52 m. Os autores constaram que
entre 10 e 15 m ocorreram as maiores mudanças na temperatura do ar. Até os 10 m
acima do solo a temperatura do ar foi razoavelmente constante com relação à altura e
a variação diurna. Acima de 15 m de altura, a temperatura foi razoavelmente
constante durante a tarde, caindo rapidamente por processos radiativos refringentes
ao anoitecer. Assim, durante o dia e ao começar a noite, houve um gradiente positivo
muito forte de temperatura do ar em conseqüência de uma atmosfera estável apenas
acima do dossel da floresta. Entre as alturas de 20 e 26 m houve maiores
temperaturas de ar nos horários de 10 e 12h da manhã. Os autores não fizeram
medições de temperatura do ar até a altura média do dossel.
4.1.1.5 Temperatura do Ar e do Solo
O comportamento diário das médias estacionais da temperatura do ar e do solo
para o ano de 2003, ano que apresentou menor porcentagem de falhas e dados
errôneos, está apresentado na Figura 5. Em todas as estações as médias horárias da
temperatura do solo apresentaram um comportamento análogo, com valores maiores
no ciclo diurno. Com relação à temperatura do ar houve uma diferença entre a
máxima temperatura da superfície do solo e a do ar. No ciclo diurno o solo atua
como um reservatório de calor devido à incidência da radiação solar tendendo a uma
diminuição ao anoitecer. Em virtude da perda de radiação pela superfície do solo
para a atmosfera o solo esfria-se rapidamente, tornando-se mais frio que o ar
atmosférico como um sumidouro de energia, provocando a inversão do gradiente
térmico. Na estação úmida os valores da temperatura do solo foram os mais elevados
que nas demais estações, tal fato evidencia que, na estação úmida houve maior
36
freqüência de molhamento do dossel e maior disponibilidade hídrica para a floresta.
A presença de água depositada sobre o dossel, ou internamente nas folhas (abundante
suprimento de água pelo solo nesse período), gera menores índices de reflexão da
radiação solar incidente, uma vez que a água apresenta coeficiente de transmissão de
ondas curtas relativamente altas.
Em média, a temperatura do ar foi superior à temperatura do solo em
aproximadamente 10 e 22% nas estações úmida e seca, respectivamente.
Figura 5 - Média diária da temperatura do ar e do solo na (a) estação ú mida, (b) úmida-seca,
(c) seca e (d) seca-úmida no ano de 2003.
A temperatura máxima do ar durante o dia é atingida as 13 e 14h ocorrendo
depois do horário da máxima entrada de radiação solar incidente no dossel, entre 11 e
13h, (SPOLADOR et al., 2006). Esse tipo de atraso é típico em sistemas em que a
energia solar de entrada é significativa.
18
21
24
27
30
33
36
Temperatura (ºC)
temperatura do solo temperatura do a
r
0 400 800 1200 1600 2000 2400
Hora
18
21
24
27
30
33
36
0 400 800 1200 1600 2000 2400
Hora
Temperatura (ºC)
(a)
(b)
(c)
(d)
37
4.1.1.6 Temperatura do Solo, Conteúdo de Água no Solo, Umidade relativa do ar e
precipitação
A temperatura do solo afeta também o crescimento das plantas diretamente
(com seu efeito na atividade fisiológica) e indiretamente (com seu efeito na
disponibilidade de nutrientes do solo) (PAUL et al., 2003). As flutuações diárias e
anuais na temperatura do solo influenciam nos processos biológicos e químicos do
solo, nas taxas de decomposição e de mineração da matéria orgânica do solo e na
liberação de CO
2
.
Na estação seca teve-se uma menor temperatura do solo (21,8 ±
1,0 °C), apresentando uma diminuição de aproximadamente 3 °C com relação as
demais estações (Tabela 4). Uma consideração a ser feita no regime térmico do solo
da floresta é com relação à variação da radiação global na superfície, nesse caso
pode-se mencionar que houve um atraso na sua resposta térmica com relação a fonte
de calor. Esse atraso na resposta térmica do solo pode ser explicado devido ao
conteúdo de água armazenado durante os meses precedentes a estação seca. Durante
esse período, houve água para evaporação e o solo pôde permanecer com
temperatura mais baixa.
A média estacional do conteúdo de água do solo foi de 0,142 ± 0,0016 e 0,075
± 0,0006 m
3
m
-3
, nas estações úmida e seca, respectivamente. As estações úmida e
úmida-seca devido a ocorrência de precipitação, apresentaram maiores índices de
umidade relativa do ar e conteúdo de água no solo que as demais estações (Figura 6a;
Tabela 4).
Os valores de conteúdo de água do solo nas estações apresentado pelo presente
estudo foram menores do que os reportados por ROCHA
et al. (2004) que
verificaram o conteúdo de água no solo numa floresta tropical Amazônica com
valores variando entre 0,47 m
3
m
-3
(estação úmida) e 0,30 m
3
m
-3
(estação seca) a
uma profundidade do solo de 5 cm.
Enquanto que em uma floresta Amazônica em Marabá no Pará com solo de
franco a franco-siltosa o conteúdo de água no solo a uma profundidade de 0 a 0,6 m
foi máximo nos meses março/abril com valores de aproximadamente 0,23 m
3
m
-3
(estimado por gráfico) e valores mínimos nos meses de julho/agosto com valores de
aproximadamente 0,18 m
3
m
-3
(estimado por gráfico) (SOUZA et al., 1996). Neste
38
mesmo trabalho, os autores verificaram que durante todo o ano valores máximos de
conteúdo de água do solo na profundidade do solo 0,6 a 1,2 m.
Uma resposta rápida a variação no conteúdo do solo é o efeito de mudanças na
fisiologia vegetal. Estudos realizados nesta área (SILVA et al., 2006, SANCHES et
al
., 2006) têm demonstrado uma característica sazonal na produção de liteira (queda
de matéria seca sobre o solo) com aumento das produções nas estações seca e seca-
úmida e decréscimo nas estações úmida e úmida-seca e isso pode ser atribuído a uma
estratégia adotada por algumas espécies para sua sobrevivência em condições de
déficit hídrico. Pode ser também que a estratégia da “liberação” de seus componentes
vegetais seja adotada por espécies tropicais que utilizam a estação seca que é a mais
desvantajosa para renovar seu tecido fotossintético. Em último caso, pode-se
considerar que a estação seca tenha pouco impacto na produção de liteira, mas esteja
relacionado com o sincronismo do início do brotamento de espécies provocado por
um melhor foto período que pela precipitação, o que seria uma estratégia que pode
reduzir o brotamento durante a estação úmida quando há maior força física da chuva.
Tabela 4 - Temperatura do solo, conteúdo de água no solo, umidade relativa do ar e
precipitação acumulada estacional no ano de 2003.
Com a redução da precipitação o conteúdo de água do solo diminui
principalmente nas camadas superiores do solo. As florestas Amazônicas apresentam
altas taxas de evapotranspiração, mesmo na estação seca (ARAÚJO
et al., 2002;
MALHI et al., 2002), inclusive na floresta de transição Amazônica Cerrado do
presente estudo segundo PRIANTE FILHO et al. (2004). Isso ocorre porque as
árvores da floresta Amazônica, na sua maioria, têm raízes profundas atingindo o
lençol freático nas camadas inferiores do solo.
A Figura 6 apresenta as variações de 20 dias, 5 dias selecionados que
representassem a estação em estudo. Observou-se que a menor variação da umidade
relativa do ar entre o ciclo diurno e noturno ocorreu na estação úmida (Figura 6a)
Estação
Temperatura do
solo (ºC)
Conteúdo de água
no solo (m
3
m
-3
)
Umidade relativa
do ar (%)
Precipitação (mm)
Úmida
24,5 ± 0,5 0,142 ± 0,0016 85,6 ± 11,1
1236
Úmida-seca
24,1 ± 0,6 0,130 ± 0,0014 82,7 ± 8,1
728
Seca
21,8 ± 1,0 0,075 ± 0,0006 70,1 ± 17,6
0
Seca-úmida
24,0 ± 0,6 0,122 ± 0,0005 75,8 ± 14,5
681
39
quando houve um aumento na umidade do ar no ciclo diurno. Na estação úmida
ocorrem picos de aumento do conteúdo de água no solo (dias 28 e 31; Figura 6a) em
conseqüência das precipitações. Na estação úmida-seca (Figura 6b) observou-se que
os picos no conteúdo de água do solo foram menores devido o decréscimo da
precipitação nesta estação. A estação seca na Figura 6c está representada pelos dias
julianos 178 a 182, observou-se que os valores de conteúdo de solo se mantém
constante e representam aproximadamente 52% (Tabela 4).
A menor variação diária da umidade relativa do ar ocorreu na estação úmida.
Na estação úmida ocorrem picos de aumento do conteúdo de água no solo devido às
precipitações diárias (Figura 6a) enquanto que na estação seca, os valores de
conteúdo de água se apresentam constantes (Figura 6d). Segundo SOUZA FILHO et.
al.
(2002) em uma floresta Amazônica de Caxiuanã os períodos chuvosos e menos
chuvosos são fatores que determinam as trocas de vapor d’água nessas florestas, em
razão da variação na quantidade de energia disponível e na disponibilidade de água
no solo .
40
Figura 6 - Valores de umidade relativa do ar e o conteúdo de água no solo em dias
consecutivos na (a) estação úmida (28 a 32d), (b) úmida-seca (97 a 101d), (c) seca (178 a
182d) e (d) seca-úmida (219 a 223d) no ano de 2003.
0
20
40
60
80
100
Umidade Relativa do A
r
(%)
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
Conteúdo de Água no Solo
(m
3
m
-3
)
Umidade Relativa do Ar Conteúdo de Água no Solo
0
20
40
60
80
100
Umidade Relativa do A
r
(%)
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
Conteúdo de Água no Solo
(m
3
m
-3
)
0
20
40
60
80
100
Umidade Relativa do A
r
(%)
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
Conteúdo de Água no Solo
(m
3
m
-3
)
0
20
40
60
80
100
Dia Juliano
Umidade Relativa do A
r
(%)
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
Conteúdo de Água no Solo
(m
3
m
-3
)
28 29
30
31
32
97 98
99
100
101
178 179
180
181
182
219 220 221
222
223
(a)
(b)
(c)
(d)
41
Na estação seca (Figura 6c), houve uma correlação mais significativa (r=83%) entre
o conteúdo de água no solo e a umidade do ar, já na estação de transição úmida-seca
(Figura 6b) houve uma relação extremamente fraca (r=26%). Na estação seca houve
menor variação nas variáveis devido ao déficit hídrico, já na estação de transição
úmida-seca possivelmente houve uma menor correlação devido a que os processos
nesta estação sejam mais intensos e vários fatores estão interagindo entre si.
4.1.2 Transmitância
Analisando a média trienal mensal da t
topo-0
foi possível observar que o menor
valor foi de 0,018 ± 0,004 para o mês de agosto, mês pertencente a estação seca, e o
maior valor médio trienal no mês de março, 0,037 ± 0,035, estação úmida-seca.
A média anual da t
topo-0
, de 2001, 2002 e 2003, foi de 0,034 ± 0,008, 0,027 ±
0,013 e 0,017 ± 0,011, respectivamente.
A Tabela 5 apresenta os valores da média mensal da transmitância entre as
alturas 42 e 0 m (t
topo-0
), transmitância entre as alturas 42 e 20 m (t
topo-20
) e
transmitância entre as alturas de 20 e 0 m (t
20-0
).
Para o ano de 2001, a t
topo-0
atingiu o menor valor médio na estação seca, no
mês de agosto, aumentado ao atingir a estação úmida (dezembro-fevereiro). Um dos
fatores que contribuem para o menor valor da transmitância
é o ângulo de declinação
solar, que na estação seca está mais distante da latitude local.
Para t
topo-20
foi observado um valor máximo (23%) em junho de 2003 e valor
mínimo (11,6%) em dezembro de 2002. Possivelmente no mês de junho, o dossel
apresenta-se maior presença de clareiras na estrutura do dossel, que pode ter
permitido uma maior passagem de radiação incidente em determinadas horas do dia.
Para 2002 e 2003, a t
topo-0
apresentou menores valores nos meses de outubro a
dezembro, considerados como meses da estação seca-úmida e úmida.
42
Tabela 5 – Média mensal da transmitância entre as alturas de 42 e 0 m (t
topo-0
), transmitância
entre as alturas de 42 e 20 m (t
topo-20
) e transmitância entre as alturas de 20 e 0 m (t
20-0
) nos
anos de 2001, 2002 e 2003.
2001 2002 2003
Meses t
topo-0
t
topo-0
t
topo-20
t
20-0
t
topo-0
t
topo-20
t
20-0
Janeiro 0,037 0,040 - - 0,018 0,139 0,1192
Fevereiro 0,034 - - - 0,021 0,184 0,0950
Março 0,042 0,053 - - 0,016 0,151 0,1058
Abril 0,026 - - - 0,044 0,128 0,1471
Maio 0,024 - - - 0,023 0,144 0,1270
Junho 0,041 0,031 - - 0,014 0,221 0,0438
Julho 0,030 0,023 - - 0,016 0,207 0,0351
Agosto 0,021 - - - 0,015 0,169 0,0621
Setembro 0,047 0,020 0,137 0,123 0,012 0,122 0,0959
Outubro 0,035 0,019 0,158 0,118 - - -
Novembro 0,035 0,016 0,137 0,109 0,007 0,110 0,064
Dezembro 0,039 0,017 0,113 0,112 0,007 0,052 0,105
Total 0,034 0,027 0,144 0,116 0,017 0,148 0,091
HERNANDEZ et al. (2004) mencionam estudos na Amazônia, em floresta
tropical úmida, com medições de transmissão de radiação realizadas ao nível do solo,
em que foram verificadas variações de 1,2%, em Manaus, mencionam outro
estudo.em Tucuruí com variações de 4,7%, ANHUF & ROLLEMBECK (2001)
obtiveram uma transmitância de 4,7% no Rio Surumoni, floresta Amazônica
(Venezuela). PEREIRA (1997) analisando o regime radiativo desse tipo de floresta
citou que menos de 10% da radiação solar que atinge o topo das florestas atinge a
vegetação de sub-bosque.
A Figura 7 apresenta a correlação existente entre a
t
topo-0
e do t
topo-20
, para os anos
de 2002 e 2003, mostrando um coeficiente de determinação baixo entre as variáveis
(R
2
=0,035), onde a média anual da t
topo-0
e do t
topo-20
foi de 1,5 e 16%, respectivamente.
43
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,00 0,01 0,01 0,02 0,02 0,03
t
topo-0
t
topo_20
Figura 7 - Correlação entre transmitância entre as alturas de 42 e 20 m (t
topo-20
) e
transmitância entre as alturas de 42 e 0 m (t
topo-0
) para os anos de 2002 e 2003.
A transmitância está relacionada com a fração de abertura do dossel, e é
influenciada pelo ângulo solar zenital e quantidade de radiação difusa (canopy
clumping) (GOWER et al., 1999).
Segundo SENNA (2004), os menores valores da transmitância ocorrem
geralmente nos maiores valores do ângulo solar zenital porque quanto maior o
ângulo zenital, maior será o caminho percorrido pela radiação dentro do dossel,
portanto a chance de ocorrer uma absorção por folhas e galhos aumenta. A Figura 8
ilustra a variação da t
topo-0
correspondente ao intervalo do ângulo solar zenital, para os
três anos de estudo.
A
t
topo-0
apresentou uma oscilação nos valores médios com o ângulo zenital.
Isso ocorre devido à radiação, que ao penetrar no dossel, sofre influência da
arquitetura do dossel onde as falhas podem contribuir para uma incidência direta da
radiação sobre o sensor. À medida que o intervalo do ângulo zenital aumenta, as
oscilações entre os valores da transmitância aumentaram. Também se pode observar
que à medida que ocorre aumento do ângulo zenital, a transmitância tende a
diminuir, concordando com a pesquisa de SENNA (2004).
Na sua pesquisa realizada na Floresta Nacional de Tapajós, SENNA (2004)
concluiu que para ângulos zenitais pequenos menores que 5° os valores da
44
transmitância são maiores que os demais, pois permitem que maiores profundidades
sejam atingidas pela luz no interior do dossel de uma floresta.
45
Figura 8 - Transmitância entre as alturas de 42 e 0 m (t
topo-0
) em função do ângulo solar
zenital, nos anos (a) 2001, (b) 2002 e (c) 2003. O gráfico representa uma distribuição
assimétrica à direita, onde a distância do terceiro quartis à mediana é maior q ue a distância
da mediana ao primeiro quartis, mostrando com isto que 75% dos dados da transmitância
estão entre o terceiro quartis e o limite superior.
0-05 05-1010-1515-2020-2525-3030-3535-9040-4545-5050-5555-6060-6565-7070-7575-8080-8585-90
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
Transmitância (topo-0)
0-05 05-10 10-1515-2020-2525-3030-3535-4040-4545-5050-5555-6060-6565-7070-7575-8080-8585-90
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
Transmitância (topo-0)
0-05 05-1010-1515-2020-2525-3030-3535-4040-4545-5050-5555-6060-6565-7070-7575-8080-8585-90
Intervalo do ângulo solar zenital (graus)
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
Transmitância (topo-0)
(a)
(b)
(c)
46
4.1.3 Refletância
Segundo GOWER et al., (1999) os valores de refletância são frequentemente
pequenos e não variam significativamente entre dosséis florestais. A média anual da
refletância foi de 0,041 ± 0,0026 no ano 2001, 0,047 ± 0,003 para 2002 e 0,049 ±
0,0024 no ano de 2003.
A refletância apresentou maiores valores médios de 0,046 e 0,054 em junho de
2001 e 2003, respectivamente, mês da estação seca e valor máximo 0,052 em
dezembro de 2002, mês da estação úmida. Em 2001 os valores máximos foram na
estação seca, compreendido entre os meses de junho a agosto, com uma média
estacional de 0,044 e menor valor na estação úmida, com média de 0,040 (Figura 9).
Possivelmente a diferença entre os valores da refletância de um ano para o outro seja
a perda de calibração dos sensores.
0,035
0,037
0,039
0,041
0,043
0,045
0,047
0,049
0,051
0,053
0,055
jan fev mar abr mai jun jul ago set out nov dez
meses
Refletância (r)
2001 2002 2003
Figura 9 - Refletância (r) para os anos de 2001, 2002 e 2003.
A Figura 10 apresenta a variação da refletância (r) em função de intervalo do
ângulo solar zenital nos anos de 2001, 2002 e 2003. Observou-se que o
47
comportamento da refletância foi o inverso da transmitância (Figura 8 e Figura 10),
onde a refletância aumentou com o aumento do ângulo zenital.
48
Figura 10 - Refletância do topo ao solo do dossel em função do ângulo zenital, nos anos de
(a) 2001, (b) 2002 e (c) 2003. O gráfico representa uma distribuição assimétrica à direita,
sendo a distância do terceiro quartis à mediana maior que a distância da mediana ao primeiro
quartis, com 75% dos dados da refletância entre o terceiro quartis e o limite superior.
0-05 05-10 10-1515-2020-2525-30 30-3535-4040-4545-50 50-5555-60 60-6565-70 70-7575-80 80-8585-90
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
Refletância (r)
0-05 05-10 10-1515-2020-2525-3030-3535-4040-4545-5050-5555-6060-6565-7070-7575-8080-8585-90
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
Refletância (r)
49
4.1.4 Absortância
As médias mensais da f
APAR
para o anos de 2001 a 2003, assim como a média
trienal estão apresentadas na Tabela 6. Considerando a média trienal observou-se que
os valores da f
APAR
apresentaram pouca variação e menor valor no mês de março
0,920 ± 0,018, período da estação úmida-seca, e maior valor no mês de agosto 0,937
± 0,001, mês da estação seca. As médias da f
APAR
entre os anos de 2001 a 2003 foram
de 0,924 ± 0,008, 0,925 ± 0,011 e 0,934 ± 0,009, respectivamente.
Tabela 6 - Média (±DP) da Fração da Radiação Fotossinteticamente Ativa (f
APAR
), entre a
altura de 42 e 0, para os anos de 2001, 2002 e 2003 e a média trienal (±DP).
Meses 2001
2002
2003 média trienal
Janeiro 0,922 ± 0,032
0,917 ± 0,020
0,933 ± 0,014 0,924 ± 0,008
Fevereiro 0,926 ± 0,027
-
0,928 ± 0,046 0,927 ± 0,002
Março 0,918 ± 0,044
0,903 ± 0,59
0,938 ± 0,0143 0,920 ± 0,018
Abril 0,932 ± 0,032
-
0,910 ± 0,053 0,921 ± 0,015
Maio 0,931 ± 0,036
-
0,928 ± 0,018 0,930 ± 0,027
Junho 0,912 ± 0,055
0,924 ± 0,032
0,932 ± 0,026 0,923 ± 0,010
Julho 0,924 ± 0,093
0,929 ± 0,029
0,933 ± 0,030 0,929 ± 0,004
Agosto 0,937 ± 0,017
-
0,935 ± 0,019 0,937 ± 0,001
Setembro 0,913 ± 0,055
0,931 ± 0,044
0,938 ± 0,024 0,927 ± 0,013
Outubro 0,926 ± 0,026
0,933 ± 0,037
- 0,930 ± 0,005
Novembro 0,925 ± 0,016
0,934 ± 0,102
0,945 ± 0,008 0,935 ± 0,010
Dezembro 0,920 ± 0,021
0,930 ± 0,072
0,944 ± 0,011 0,932 ± 0,012
Total 0,924 ± 0,008
0,925 ± 0,011
0,934 ± 0,009 0,923 ± 0,016
Para uma floresta Amazônica em Santarém, SENNA (2004) obteve valores
médios mensais de
f
APAR
variando de 0,886 (agosto) a 0,935 (dezembro), com uma
média de 0,914 para o período de julho de 2000 a julho de 2001. Observou-se que a
f
APAR
apresentou pequenas variações entre seus valores médios mensais obtidos na
floresta de transição em estudo, com relação a variação dos valores médios mensais
apresentados por SENNA (2004). Considerou-se que os valores da
f
APAR
no presente
estudo estão de acordo com os da floresta Amazônica.
A Figura 11 mostra uma correlação entre a
f
APAR
com a t
topo-0
e a Figura 12 uma
correlação entre a f
APAR
e a refletância, onde a correlação linear com a transmitância
foi forte (R
2
=89%), e com a refletância foi extremamente fraca (R
2
=17%), mostrando
com isto que a
f
APAR
é mais dependente da transmitância.
50
0,900
0,905
0,910
0,915
0,920
0,925
0,930
0,935
0,940
0,945
0,950
0,000 0,010 0,020 0,030 0,040 0,050 0,060
Transmitância
Absortância
Figura 11 - Correlação entre os valores mensais de transmitância entre as alturas de 42 e 0m
(t
topo-0
) e absortância, para os anos de 2001, 2002 e 2003.
0,900
0,905
0,910
0,915
0,920
0,925
0,930
0,935
0,940
0,945
0,950
0,036 0,038 0,040 0,042 0,044 0,046 0,048 0,050 0,052 0,054 0,056
Refletância
Absortância
Figura 12 - Correlação entre os valores mensais de refletância entre as alturas de 42 e 0 m
(t
topo-0
) e absortância, para os anos de 2001, 2002 e 2003.
NOUVELLON
et al. (2000) estudaram o efeito da nebulosidade na absorção da
PAR para uma cobertura gramada no México, concluíram que para ângulos zenitais
pequenos a
f
APAR
difusa foi maior que a direta e para ângulos zenitais grandes
51
ocorreu o inverso. Entretanto, para altos valores da LAI a f
APAR
de dias nublados
pode ser levemente menor que para os dias claros.
A estimativa da f
APAR
por observações de campo considera a PAR absorvida
por folhas e galhos. Pode-se corrigir as medidas de campo com um fator de correção
(FC) que considera a f
APAR
das folhas, dado pela equação 17:
FC
()( )
(
)
(
)
[
]
LAISAILAI
ee
5,05,0
/951,0
−+−
= (17)
Assumindo, índice de área foliar da área em estudo (LAI = 4 m
2
m-
2
) e índice de área
foliar dos galhos (SAI = 0,1).
A Tabela 7 mostra os valores das médias estacionais dos anos de 2001 a 2003
da f
APAR,
sem fator de correção (SFC) e com fator de correção (CFC), onde verificou-
se que os maiores valores estão na estação seca e seca-úmida, possivelmente devido
a menor nebulosidade que ocorre nestas estações com relação as estações úmida e
úmida-seca.
Tabela 7 - Valores das médias estacionais (média ± DP) dos anos de 2001 a 2003 da Fração
Absorvida da Radiação Fotossinteticamente Ativa (f
APAR
), sem fator de correção (SFC) e
com fator de correção (CFC).
Estação f
APAR
(SFC)
f
APAR
(CFC)
Úmida
0,928 ± 0,007
0,899 ± 0,039
Úmida-seca
0,919 ± 0,032
0,898 ± 0,048
Seca
0,929 ± 0,005
0,904 ± 0,033
Seca-úmida
0,930 ± 0,009
0,902 ± 0,036
4.2 ABSORTÂNCIA OBTIDA POR MODELAGEM
A Figura 13 apresenta a estimativa mensal da f
APAR
estimada por modelagem,
para o ano de 2001, o período de simulação foi de janeiro a junho, para 2002, agosto
a outubro e 2003, janeiro a setembro. Verificou-se que a média, para o período de
cada ano simulado, foi de 0,714 ± 0,018, para 2001, 0,709 ± 0,011, 0,707 ± 0,010,
para 2002 e 2003, respectivamente.
52
0,64
0,65
0,66
0,67
0,68
0,69
0,70
0,71
0,72
0,73
0,74
jan fev mar abr mai jun jul ago set out nov dez
meses
f
APAR
2001 2002 2003
Figura 13 – Valores mensais de f
APAR
estimada por modelagem para os anos de 2001, 2002 e
2003.
Segundo SENNA (2004), para uma floresta Amazônica em Santarém a f
APAR
simulada pelo IBIS, para o ano de 2001, variou ligeiramente entre 0,755 e 0,763.
TIAN et al. (2004) si mul ara m a f
APAR
sobre a Amazônia usando o Common Land
Model
(CLM) e os valores variaram entre 0,80 e 0,85 para o ano de 2001,
considerando apenas o valor da
f
APAR
das 10h30min. Observou-se que a f
APAR
apresentou pequenas variações entre seus valores médios mensais simulados para a
floresta de transição em estudo, com relação a variação dos valores médios mensais
apresentados por SENNA (2004) em seu estudo.
4.3 ABSORTÂNCIA OBTIDA PELO PRODUTO MODIS
A f
APAR
mensal estimada pelo produto do MODIS para os anos de 2001, 2002 e
2003 estão apresentadas na Tabela 8. A média anual (±DP) para os anos de 2001,
2002 e 2003 foram, respectivamente, de 0,82 ± 0,034, 0,83 ± 0,02 e 0,82 ± 0,03.
53
Tabela 8 - Dados mensais da f
APAR
e Controle de Qualidade (QA), estimada pelo MODIS,
para os anos de 2001, 2002 e 2003.
2001 2002 2003
Meses
f
APAR
QA
f
APAR
QA
f
APAR
QA
Janeiro 0,77 4 0,82 4 0,83 5
Fevereiro 0,82 4 0,83 3 0,80 5
Março 0,82 4 0,85 5 0,84 5
Abril 0,82 2 0,80 3 0,78 3
Maio 0,82 4 0,82 3 0,74 4
Junho 0,80 4 0,83 5 0,86 4
Julho 0,86 3 0,86 5 0,86 3
Agosto 0,88 2 0,84 5 0,85 4
Setembro 0,85 5 0,84 4 0,82 5
Outubro 0,84 5 0,79 5 0,82 4
54
4.4 COMPARAÇÃO ENTRE ESTIMATIVAS DA f
APAR
BASEADAS EM
MEDIÇÕES DE CAMPO, MODELAGEM E PRODUTO DO MODIS
A Tabela 9 mostra a média anual da f
APAR
diária e a média anual das 10h30min,
para os três anos de estudo. Observou-se que os maiores valores são os estimados por
medições de campo, seguidos pelas estimativas do MODIS. Os valores simulados
pelo IBIS são inferiores às demais estimativas.
Tabela 9 - Médias anuais da f
APAR
calculadas com valores mensais diurnos e com valores
mensais das 10h30min.
f
APAR
Ano Método aplicado
Média Diurna Média das 10h30min
Medições de Campo (SFC)
0,924 ± 0,007 0,932 ± 0,010
Medições de Campo (CFC)
0,901 ± 0,037 0,909 ± 0,053
Modelagem
0,714 ± 0,018 0,792 ± 0,002
2001
Produto do MODIS
- 0,821 ± 0,034
Medições de Campo (SFC)
0,925 ± 0,049 0,922 ± 0,042
Medições de Campo (CFC)
0,893 ± 0,057 0,905 ± 0,036
Modelagem
0,712 ± 0,013 0,780 ± 0,025
2002
Produto do MODIS
- 0,830 ± 0,021
Medições de Campo (SFC)
0,934 ± 0,009 0,936 ± 0,010
Medições de Campo (CFC)
0,908 ± 0,0233 0,912 ± 0,031
Modelagem
0,707 ± 0,010 0,764 ± 0,030
2003
Produto do MODIS
- 0,821 ± 0,037
Segundo SENNA (2004), mudanças nas condições atmosféricas como
aerossóis e presença de nuvens afetam a f
APAR.
Outra razão que causa as diferenças
entre os resultados é que o algoritmo do MODIS determina a f
APAR
instantaneamente
e apenas pela contribuição das folhas, enquanto as observações de campo e as
simulações do IBIS incluem também a PAR absorvida pelos galhos e os valores são
horários.
Nas estimativas da f
APAR
em medições de campo com fator de correção pode-
se observar que tanto nas médias anuais diurnas como nas 10h30min para os três
55
anos, foram menores que as estimativas sem o fator de correção, onde os valores de
f
APAR
podem ser considerados mais próximos dos valores do MODIS, no entanto, não
se deve ignorar o fato de que as estimativas do MODIS estão afetadas por condições
atmosféricas, tais como presença de nuvens e aerossóis.
SENNA (2004) e TIAN et al. (2004), também encontraram valores menores da
f
APAR
para a modelagem. Para a média anual diária, do ano de 2001, SENNA (2004)
encontrou 0,91 para medições de campo e 0,76 para a modelagem (IBIS), na média
anual das 10h30min, obteve 0,93, 0,77 e 0,85, para medições de campo, modelagem
e MODIS, respectivamente. TIAN
et al. (2004), em seu estudo, também para o ano
de 2001, na média anual das 10h30min encontrou 0,83 para a modelagem (CLM) e
0,85 para o produto do MODIS. Os valores médios anuais da
f
APAR
encontrados as
10h30min, em ambos os estudos, foram maiores do que os diários.
A Tabela 10 mostra as médias estacionais da f
APAR
para os três anos de estudo,
para cada método aplicado. Para as medições de campo (SFC e CFC), houve
variação dos valores no decorrer das estações, enquanto que na modelagem, os
valores menores, foram nas estações seca e seca-úmida. Para o MODIS, as médias
foram menores nas estações úmida, úmida-seca.
Tabela 10 - Médias estacionais da f
APAR
, calculadas com valores mensais, diurnos para
Medições de Campo (SFC e CFC) e Modelagem
e das 10h30min para o Produto do MODIS.
f
APAR
Ano Estação
Medições
de
Campo
(SFC)
Medições
de
Campo
(CFC)
Modelagem
Produto do
MODIS
Úmida 0,923 0,901
0,696 0,780
Úmida-Seca 0,928 0,904
0,723 0,820
Seca 0,925 0,899
0,725 0,850
2001
Seca-Úmida 0,922 0,902
- 0,840
Úmida 0,924 0,891
0,712 0,830
Úmida-Seca 0,903 0,887
- 0,823
Seca 0,926 0,905
0,720 0,843
2002
Seca-Úmida 0,933 0,888
0,704 0,823
Úmida 0,935 0,908
0,706 0,813
Úmida-Seca 0,926 0,902
0,714 0,787
Seca 0,934 0,908
0,700 0,857
2003
Seca-Úmida 0,942 0,915
0,703 0,827
Média total
0,923 0,901
0,711 0,824
56
A Figura 14 mostra os box-plot dos três métodos usados na estimativa da f
APAR
,
onde apresenta-se a não superposição entre as medidas de tendência central,
indicando com isto suas diferenças significativas.
Medições de Campo
(SFC)
Medições de Campo
(CFC)
Produto do MODIS Modelagem
0,700
0,750
0,800
0,850
0,900
0,950
Figura 14 – Box-Plots dos métodos usados no período das 10h30min para a estimativa da
f
APAR
. O gráfico representa para os três métodos uma distribuição assimétrica à esquerda,
sendo a distância do terceiro quartis a mediana menor que a distância da mediana ao
primeiro quartis, representado com isto 75% da estimativa da f
APAR
entre o primeiro quartis e
o limite inferior.
Observou-se que as estimativas da f
APAR
por observações de campo
apresentaram menor oscilação que nos demais métodos aplicados, (Tabela 10 e
Figura 14). Ao analisar os três métodos de estimativa da f
APAR
, verificou-se que os
conjuntos de valores são não-paramétricos, e ao aplicar o teste de Kruskal-Wallis foi
f
APAR
Métodos
57
detectado diferença altamente significativa entre as médias dos escores (alfa<0,01),
onde a modelagem possui uma média de escores menores 14,10 em seguida pelo
produto do MODIS 36,50 e observações de campo (CFC) 73,45 e (SFC) 101,00.
58
5
CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
Das análises dos resultados obtidos da caracterização do microclima da área
em estudo por observações de campo, e das estimativas da
f
APAR
em uma Foresta de
Transição Cerrado-Amazônica com base em medições de campo, modelagem e
sensoriamento remoto, conclui-se que:
• Houve uma variação sazonal das variáveis micrometeorológicas e
conteúdo de água no solo.
• Aproximadamente 50% da precipitação ocorreu na estação úmida.
• A temperatura do solo foi superior à temperatura do ar em
aproximadamente 10 e 22% nas estações úmida e seca,
respectivamente. Nas estações seca e de transição seca-úmida, a
temperatura do solo e o conteúdo de água no solo foram menores que
nas estações úmida e úmida-seca.
• As maiores temperaturas do perfil da altura do dossel foram
apresentadas nas estações de transição seca-úmida e úmida-seca.
• A floresta de transição apresentou padrão de sazonalidade similar à
floresta Amazônica, entretanto, o presente trabalho apresentou alguns
valores diferentes de variáveis micrometeorológicas devido à diferença
da composição florística e estrutura do dossel.
• Os valores médios trienais diurna da
f
APAR
foram de 0,923 (SFC), 0,901
(CFC) para medições de campo e 0,71 para modelagem, enquanto a
média trienal das estimativas das 10h30min foram 0,930 (SFC), 0,909
(CFC) para medições de campo, 0,78 e 0,84, para modelagem e
sensoriamento remoto, respectivamente.
59
• Os valores da f
APAR
obtidos via modelagem (IBIS) foram inferiores aos
demais métodos de estimativa, mas concordam com os obtidos pelo
IBIS (SENNA, 2004) e pelo modelo CLM (TIAN et al., 2004) que
estimaram f
APAR
em floresta tropical Amazônica.
• Houve diferença altamente significativa entre as médias dos escores,
dos métodos utilizados na estimativa da f
APAR.
5.1 RECOMENDAÇÕES PARA FUTUROS TRABALHOS
De acordo com as conclusões, recomenda-se:
• Dar continuidade as observações de campo em anos decorrentes para
uma melhor análise de dados temporais das características do
microclima.
• A calibração do modelo IBIS com dados micrometeorológicos da área
em estudo para a estimativa da f
APAR
.
• Avaliar o produto do MODIS com índices vegetativos obtidos por
imagens de satélites com diferentes sensores.
60
6
BIBLIOGRAFIAS
6.1 BIBLIOGRAFIAS CITADAS
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