TVDI spatiotemporal pattern of a soybean growing area in humid subtropical climate

The most southern Brazilian state, Rio Grande do Sul, is characterized by high crop yield and is, currently, the third leading soybean producer in the country. Therefore, agriculture is very important to the economy of the region. Because agriculture is highly dependent on variable weather parameters, the present study aimed to test the Temperature-Vegetation Dryness Index (TVDI) as a regional indicator of water status under the climate and soybean crop management conditions that predominate in northwestern Rio Grande do Sul. For this, soybean crop seasons with contrasting yields were selected: 2004 – 2005 (yield 0.5 t·ha–1) and 2009 – 2010 (2.7 t·ha–1). TVDI was obtained from the surface temperature (TS) and Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) images available from MODIS products, which were correlated to obtain a triangular scatter plot. Rainfall data from surface weather stations were also used. The results showed that the pattern of the TVDI is associated with rainfall variability. However, as the TVDI is based on normalization of the wet and dry edges of each image individually, the comparison of TVDI values across different images is challenging. This deficiency can be mitigated by analysis of the parameters used to derive the index. Therefore, both the TVDI and the “b” and TSmin parameters used to derive it can elucidate the patterns of crop response to water availability

Metodologia de espacialização dos componentes do balanço de energia usando dados MODIS e ERA Interim

This work aims at proposing a methodology to spatialize the Energy Balance (EB) components from the combined use of MODIS sensor products and ERA-Interim reanalysis data, and to evaluate the performance of the OSEB and METRIC models for estimating EB components in the predominantly humid subtropical climate of Rio Grande do Sul, Brazil. The research was conducted for 3 consecutive years from 2009 to 2011. The temporal variation patterns of the EB components were analyzed by comparing the values estimated by the models against the reference measurements of a micrometeorological tower (Sulflux network). For the spatial variability analysis, reference evapotranspiration (ETo) was calculated at a local scale (data from Weather stations of the National Institute of Meteorology) and a regional scale (ERA-Interim reanalysis data) while the consistency between these estimates was also verified. Afterward, using only the pixels in which the sensible heat flux represented more than 50% of the radiation balance, correlation maps between ETo ERA-Interim and latent heat fluxes were constructed. The estimated BE components are consistent regarding both, the order of magnitude and variation throughout the year, when compared to the reference measurements of the micrometeorological tower. The spatial variability analyses also reveal satisfactory results for both models, however, the METRIC model results showed greater coherence since it provided a greater number of dates with consistent results, thus being indicated as the most suitable model for building the time series.O objetivo deste trabalho foi propor uma metodologia para a espacialização dos componentes do Balanço de Energia (BE) a partir do uso conjugado de produtos do sensor MODIS e dados de reanálise ERA Interim e avaliar o desempenho das estimativas geradas pelos modelos OSEB e METRIC nas condições de clima subtropical úmido que predominam no Rio Grande do Sul, Brasil. O período de estudo foi de 3 anos consecutivos, de 2009 a 2011. Os padrões de variação temporal dos componentes do BE foram analisados comparando os valores estimados pelos modelos frente às medidas de referência de uma torre micrometeorológica (rede Sulflux). Para análise de variabilidade espacial foi calculada a evapotranspiração de referência (ETo) em escala local (dados de estações meteorológicas do Instituto Nacional de Meteorologia) e em escala regional (dados de reanálise ERA Interim) e verificada a coerência entre estas estimativas. Após, utilizando somente os pixels em que fluxo de calor sensível representava mais do que 50% do saldo de radiação, foram construídos mapas de correlação entre ETo ERA Interim e fluxo de calor latente. As estimativas dos componentes do BE apresentam coerência, tanto na ordem de magnitude, como na variação ao longo do ano quando comparadas às medidas de referência da torre micrometeorológica. As análises de variabilidade espacial também apresentaram resultados satisfatórios para ambos modelos, porém o modelo METRIC apresentou maior coerência e proporcionou um maior número de datas com resultados consistentes, sendo, assim, indicado como o modelo mais apto para a construção da série temporal

Evaluation of OSEB and SEBAL models for energy balance of a crop area in a humid subtropical climate

This study evaluated the adequacy of the One-Source Energy Balance (OSEB) and Surface Energy Balance Algorithm for Land (SEBAL) models to estimate evapotranspiration in grain growing areas with humid subtropical climate in Rio Grande do Sul, southern Brazil. The dataset was obtained from a micrometeorological station (Eddy Covariance) and MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) products during 84 observation days between 2009 and 2011. The OSEB and SEBAL models were used to estimate the partition of net radiation (Rn) into the components latent heat flux (LE), sensible heat flux (H), and ground heat flux (G) estimated from the MODIS images while the experimental data measured in situ were used to compare the results. Analyses indicated that the Energy Balance (EB) components were estimated from the MODIS images satisfactorily despite the spatial resolution limitations. Furthermore, the SEBAL model estimated the EB components satisfactorily only for summer crops. There are uncertainties associated with determining the hot and cold pixels due to the region humid subtropical climate and the spatial resolution of the sensor used in the other periods. The OSEB model has the lowest errors and the most adequate partitioning of the EB components throughout the year, and therefore, it is the most suitable for the climatic conditions of Rio Grande do Sul

Uso do índice TVDI e modelo HAND para caracterização de condição hídrica

O objetivo do trabalho foi avaliar a adequação do índice TVDI (Temperature Vegetation Dryness Index), obtido com sensores remotos orbitais, para caracterizar a condição hídrica de lavouras de soja no sul do Brasil. Para tanto, foram utilizadas imagens do satélite Landsat 8- OLI, obtidas da base de dados da USGS (United States Geological Survey), de três datas ao longo do ciclo da cultura da soja (5 de dezembro 2014 – implantação, 6 de janeiro 2015 - início de desenvolvimento e 7 de fevereiro de 2015 – pleno desenvolvimento vegetativo). A área de cultivo de soja foi mapeada utilizando classificação digital (máxima verossimilhança) e validada com dados de campo. A área total mapeada foi estratificada em duas classes: áreas de várzea e áreas altas, através do uso do modelo HAND (Height Above the Nearest Drainage). Para tornar possível a comparação entre datas, o TVDI foi determinado usando um triângulo único para as três datas em conjunto, estabelecido a partir dos dados do NDVI (Normalized Difference vegetation Index) e da temperatura de superfície (TS), a qual foi estimada usando o algoritmo split-window. O TVDI permitiu diferenciar as condições hídricas na cultura da soja ao longo do ciclo e entre as classes de altitude; as áreas mais altas apresentaram maiores déficits quando comparadas às áreas de várzea. Foi possível ainda visualizar a migração dos pixels de soja dentro do triângulo evaporativo como consequência da fase de desenvolvimento da cultura e das condições hídricas.This work aims to evaluate the suitability of the Temperature Vegetation Dryness Index (TVDI), achieved through an orbital remote sensing system used to describe the condition of the water to be used on soybean crops in the South Region of Brazil. The Landsat 8-OLI satellite images were gathered from the USGS (United States Geological Survey) database of three different dates during the soybean crop cycle (December 5 th , 2014 - implementation, January 6 th , 2015 - beginning of growth and February 7 th , 2015 - full vegetative growth). The soybean crop area was mapped using digital classification (maximum likelihood method) and validated with field data. The total mapped area was stratified into two classes: floodplain areas and high areas, using the HAND (Height Above the Nearest Drainage) model. To make the comparison between dates possible, TVDI was determined using a single triangle for all the three dates together, established using the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) and surface temperature (TS) data, which was estimated using Split-window algorithm. TVDI allowed us to differentiate the water conditions during the soybean crop cycle and between the two altitude classes; the higher areas presented larger deficits when compared to the floodplain areas. It was also possible to observe the migration of the soybean pixels within the evaporative triangle as a consequence of the crop’s development stage and the water conditions

Utilização de simulação computacional para o estudo das propriedades eletromagnéticas de um compósito magnético macio (smc) para futuras aplicações em motores de indução

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um método de simulação computacional para o estudo das propriedades eletromagnéticas de um material compósito para aplicação em motores de indução (rotor e estator), motivado pela possibilidade de aplicação dos materiais SMCs (Soft Magnetic Composites) como alternativa aos aços elétricos tradicionais (laminado de grão não orientado). Desta forma, objetivou-se o desenvolvimento de um ambiente de simulação computacional afim de facilitar o levantamento dos parâmetros elétricos e magnéticos de um motor de indução, sem a necessidade da construção de um modelo físico. Para esta tarefa, utilizou-se o software FEMM 4.2 para as simulações do modelo em 2D, bem como para validar os parâmetros coletados em comparação aos materiais comerciais de mesma composição. Uma relação entre a circulação de fluxo magnético nos materiais SMCs e nas chapas laminadas foi feita, na qual observou-se que a amostra de material compósito possuía propriedades compatíveis aos aços laminados, porém uma resistividade elétrica maior devido a camada isolante das partículas ser mais espessa. Como resultado final, pode-se levantar um método de simulação de forma a facilitar a pesquisa e desenvolvimento de diferentes ligas de pó de Fe, que poderão utilizadas em novas topologias de motores elétricos de indução, para as mais diferentes aplicações industriais

Instrumental de terreno para la validación de modelos locales y regionales

La variabilidad climática del planeta requiere poner énfasis en la adquisición de datos de diversa índole a escalas local y global para el entendimiento y predicción del comportamiento del sistema Tierra, y subsistemas regionales, mediante la elaboración y/o mejoramiento de modelos climáticos entre otras cuestiones de principal importancia. A escala regional es importante, desde el punto de vista hidrológico, tener un conocimiento detallado de las cuencas, del potencial de éstas y de qué manera se deben gestionar los excedentes o déficits hídricos que puedan presentarse en cada periodo de tiempo. A partir del estudio de una cuenca es posible desarrollar un manejo hidrológico adecuado, siendo necesario registrar información a partir de estaciones de modo de lograr medidas consistentes de las variables hidrológicas. Actualmente existe una disponibilidad de sensores que registran información hidrológica con errores inferiores al 10 %. En este sentido, el Instituto de Hidrología de Llanuras “Dr. Eduardo Usunoff” (IHLLA) ha invertido una elevada cantidad de recursos en instrumentar la cuenca del arroyo del Azul (www.bdh.org.ar/azul) con lafinalidad de lograr los conocimientos suficientes para una adecuada gestión de las crecidas. Además, se han llevado adelante importantes esfuerzos para conocer la evapotranspiración real, variable de difícil estimación, a partir de datos registrados por una estación de balance de energía (EBE). Sin embargo, la extensión de los datos puntuales a escala de cuenca no es sencilla y en general una simple extrapolación puede producir errores muy importantes. Una manera interesante de resolver estos problemas se obtiene asociando las medidas puntuales con datos captados por sensores a bordo de satélites, siendo el propósito principal poder extender los datos puntuales a una región logrando reproducir de forma adecuada las variaciones espaciales (uso del suelo, contenido de humedad, orografía, entre otras) existentes con una precisión aceptable. Es por ello que, en este trabajo, se describen las ecuaciones y el instrumental básico necesario para estimar, principalmente, la evapotranspiración a escalas local y regional resaltando la importancia de disponer de medidas reales de terreno. Se hace un detalle de cada sensor con el error asociado a la medida, la configuración de la EBE y además las formas de poder extender los datos puntuales a escala regional. Se presenta un registro de datos de radiación neta diaria del periodo 2006-2010 y se muestra la utilidad de la información registrada para la obtención de funciones de aplicación hidrológica. Se hace referencia a la utilidad de los datos para la validación de información a escala local y regional, siendo esto motivo de gran relevancia científica.Eje: Economía, producción y tecnología.Universidad Nacional de La Plat

Instrumental de terreno para la validación de modelos locales y regionales

La variabilidad climática del planeta requiere poner énfasis en la adquisición de datos de diversa índole a escalas local y global para el entendimiento y predicción del comportamiento del sistema Tierra, y subsistemas regionales, mediante la elaboración y/o mejoramiento de modelos climáticos entre otras cuestiones de principal importancia. A escala regional es importante, desde el punto de vista hidrológico, tener un conocimiento detallado de las cuencas, del potencial de éstas y de qué manera se deben gestionar los excedentes o déficits hídricos que puedan presentarse en cada periodo de tiempo. A partir del estudio de una cuenca es posible desarrollar un manejo hidrológico adecuado, siendo necesario registrar información a partir de estaciones de modo de lograr medidas consistentes de las variables hidrológicas. Actualmente existe una disponibilidad de sensores que registran información hidrológica con errores inferiores al 10 %. En este sentido, el Instituto de Hidrología de Llanuras “Dr. Eduardo Usunoff” (IHLLA) ha invertido una elevada cantidad de recursos en instrumentar la cuenca del arroyo del Azul (www.bdh.org.ar/azul) con lafinalidad de lograr los conocimientos suficientes para una adecuada gestión de las crecidas. Además, se han llevado adelante importantes esfuerzos para conocer la evapotranspiración real, variable de difícil estimación, a partir de datos registrados por una estación de balance de energía (EBE). Sin embargo, la extensión de los datos puntuales a escala de cuenca no es sencilla y en general una simple extrapolación puede producir errores muy importantes. Una manera interesante de resolver estos problemas se obtiene asociando las medidas puntuales con datos captados por sensores a bordo de satélites, siendo el propósito principal poder extender los datos puntuales a una región logrando reproducir de forma adecuada las variaciones espaciales (uso del suelo, contenido de humedad, orografía, entre otras) existentes con una precisión aceptable. Es por ello que, en este trabajo, se describen las ecuaciones y el instrumental básico necesario para estimar, principalmente, la evapotranspiración a escalas local y regional resaltando la importancia de disponer de medidas reales de terreno. Se hace un detalle de cada sensor con el error asociado a la medida, la configuración de la EBE y además las formas de poder extender los datos puntuales a escala regional. Se presenta un registro de datos de radiación neta diaria del periodo 2006-2010 y se muestra la utilidad de la información registrada para la obtención de funciones de aplicación hidrológica. Se hace referencia a la utilidad de los datos para la validación de información a escala local y regional, siendo esto motivo de gran relevancia científica.Eje: Economía, producción y tecnología.Universidad Nacional de La Plat

Padrão espaço temporal dos componentes do balanço de energia em clima subtropical úmido

Resumo: Considerando a importância da compreensão da dinâmica espaço temporal dos componentes do balanço de energia (BE) em escala regional para o gerenciamento de recursos hídrico e o manejo agrícola, o objetivo principal desta tese foi construir e analisar uma série temporal dos componentes do BE adequada às condições de clima subtropical úmido do Estado do Rio Grande do Sul. Para tanto, inicialmente foi avaliada a adequação de modelos de estimativa de BE para o Estado. Nesta etapa foram utilizados produtos MODIS e dados de referência medidos em uma torre micrometeorológica instalada em Cruz Alta – RS, usando valores instantâneos para um período de estudo de 2009 a 2011. Na sequência foi avaliada a adequação dos modelos em representar a variabilidade espacial dos componentes do BE. Nesta etapa foram usados produtos MODIS, dados de reanálise ERA Interim, dados de referência da torre micrometeorológica e dados de estações meteorológicas do INMET, para o mesmo período de estudo. Na última etapa do trabalho foi construída a série temporal dos componentes do BE usando o modelo METRIC, a qual abrangeu um período de 14 anos, de 2002 a 2016. Os resultados demonstraram que os três modelos analisados apresentam coerência com as medidas de referência, sendo as maiores limitações apresentadas pelo modelo SEBAL, as quais se atribui principalmente às condições ecoclimáticas do Estado e a baixa resolução espacial das imagens. Na análise da variabilidade espacial, o modelo METRIC apresentou maior consistência nos resultados e proporcionou maior número de dias com resultados válidos, sendo assim apontado como o mais apto para realização do restante do estudo. A série temporal construída possibilitou a compreensão dos padrões de distribuição espaço temporal dos componentes do BE no estado do Rio Grande do Sul. Há uma marcada sazonalidade nos componentes do BE, com maiores valores no verão e menores no inverno. G (fluxo de calor no solo) é o componente de menor magnitude e sua distribuição espacial e temporal é determinada pela distribuição de Rn (saldo de radiação). Já os componentes LE (fluxo de calor latente) e H (fluxo de calor sensível), são os que mostram magnitude maior e apresentam padrões de distribuição espacial e temporal coerentes com as condições climáticas e com os tipos de uso e cobertura na área de estudo. Observase um padrão inverso, com um gradiente de LE no sentido noroeste para sudeste e para o componente H, no sentido sudeste para noroeste. Sendo estas informações de grande importância para gerenciamento de recursos hídricos em escala regional, para estudos de zoneamento agrícola.Abstract: Given the importance of understanding the temporal and spatial dynamics of of the energy balance (EB) components in a regional scale for the management of water resources and agricultural, the main objective of this thesis was to construct and analyze a time series of the components of BE appropriate to the subtropical humid climate conditions of the State of Rio Grande do Sul. In order to reach the objective initially, the adequacy of the models for the humid climate conditions was evaluated, in this step we used MODIS data and reference data measured in a micrometeorological tower installed in Cruz Alta - RS. The analyzes performed with instantaneous values and the study period was from 2009 to 2011. The next step evaluate the spatial variability of the BE components, the data used were the MODIS products, ERA Interim reanalysis data, reference data of the micrometeorological tower and INMET meteorological stations, for the same study period. In the last stage the time series of the BE components was constructed from the METRIC model. The period series was 14 years from 2002 to 2016.The results showed that the three models analyzed were consistent with the reference measurements, with the greatest limitations presented by the SEBAL model, which are mainly attributed to the state's eco-climatic conditions and the low spatial resolution of the images In the analysis of the spatial variability, the METRIC model presented greater consistency in the results and provided greater number of days with valid results, this model thus indicated as the most suitable for the rest of the study. The time series constructed allowed us to understand the temporal distribution patterns of BE components in the state of Rio Grande do Sul. There is a marked seasonality in the BE components, with higher values in summer and lower in winter. G is the smallest magnitude component and its spatial and temporal distribution is determined by the Rn distribution. On the other hand, the LE and H components are those that show higher magnitude and present spatial and temporal distribution patterns consistent with the climatic conditions and the types of use and coverage in the study area. An inverse pattern is observed, with a LE gradient from north-west to south-east and for H-component, from southeast to northwest

Padrão espaço temporal dos componentes do balanço de energia em clima subtropical úmido

Resumo: Considerando a importância da compreensão da dinâmica espaço temporal dos componentes do balanço de energia (BE) em escala regional para o gerenciamento de recursos hídrico e o manejo agrícola, o objetivo principal desta tese foi construir e analisar uma série temporal dos componentes do BE adequada às condições de clima subtropical úmido do Estado do Rio Grande do Sul. Para tanto, inicialmente foi avaliada a adequação de modelos de estimativa de BE para o Estado. Nesta etapa foram utilizados produtos MODIS e dados de referência medidos em uma torre micrometeorológica instalada em Cruz Alta – RS, usando valores instantâneos para um período de estudo de 2009 a 2011. Na sequência foi avaliada a adequação dos modelos em representar a variabilidade espacial dos componentes do BE. Nesta etapa foram usados produtos MODIS, dados de reanálise ERA Interim, dados de referência da torre micrometeorológica e dados de estações meteorológicas do INMET, para o mesmo período de estudo. Na última etapa do trabalho foi construída a série temporal dos componentes do BE usando o modelo METRIC, a qual abrangeu um período de 14 anos, de 2002 a 2016. Os resultados demonstraram que os três modelos analisados apresentam coerência com as medidas de referência, sendo as maiores limitações apresentadas pelo modelo SEBAL, as quais se atribui principalmente às condições ecoclimáticas do Estado e a baixa resolução espacial das imagens. Na análise da variabilidade espacial, o modelo METRIC apresentou maior consistência nos resultados e proporcionou maior número de dias com resultados válidos, sendo assim apontado como o mais apto para realização do restante do estudo. A série temporal construída possibilitou a compreensão dos padrões de distribuição espaço temporal dos componentes do BE no estado do Rio Grande do Sul. Há uma marcada sazonalidade nos componentes do BE, com maiores valores no verão e menores no inverno. G (fluxo de calor no solo) é o componente de menor magnitude e sua distribuição espacial e temporal é determinada pela distribuição de Rn (saldo de radiação). Já os componentes LE (fluxo de calor latente) e H (fluxo de calor sensível), são os que mostram magnitude maior e apresentam padrões de distribuição espacial e temporal coerentes com as condições climáticas e com os tipos de uso e cobertura na área de estudo. Observase um padrão inverso, com um gradiente de LE no sentido noroeste para sudeste e para o componente H, no sentido sudeste para noroeste. Sendo estas informações de grande importância para gerenciamento de recursos hídricos em escala regional, para estudos de zoneamento agrícola.Abstract: Given the importance of understanding the temporal and spatial dynamics of of the energy balance (EB) components in a regional scale for the management of water resources and agricultural, the main objective of this thesis was to construct and analyze a time series of the components of BE appropriate to the subtropical humid climate conditions of the State of Rio Grande do Sul. In order to reach the objective initially, the adequacy of the models for the humid climate conditions was evaluated, in this step we used MODIS data and reference data measured in a micrometeorological tower installed in Cruz Alta - RS. The analyzes performed with instantaneous values and the study period was from 2009 to 2011. The next step evaluate the spatial variability of the BE components, the data used were the MODIS products, ERA Interim reanalysis data, reference data of the micrometeorological tower and INMET meteorological stations, for the same study period. In the last stage the time series of the BE components was constructed from the METRIC model. The period series was 14 years from 2002 to 2016.The results showed that the three models analyzed were consistent with the reference measurements, with the greatest limitations presented by the SEBAL model, which are mainly attributed to the state's eco-climatic conditions and the low spatial resolution of the images In the analysis of the spatial variability, the METRIC model presented greater consistency in the results and provided greater number of days with valid results, this model thus indicated as the most suitable for the rest of the study. The time series constructed allowed us to understand the temporal distribution patterns of BE components in the state of Rio Grande do Sul. There is a marked seasonality in the BE components, with higher values in summer and lower in winter. G is the smallest magnitude component and its spatial and temporal distribution is determined by the Rn distribution. On the other hand, the LE and H components are those that show higher magnitude and present spatial and temporal distribution patterns consistent with the climatic conditions and the types of use and coverage in the study area. An inverse pattern is observed, with a LE gradient from north-west to south-east and for H-component, from southeast to northwest