Methodology of spatialization of energy balance components using MODIS and ERA Interim data

Abstract

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.