Desarrollo de un modelo general para la estimación de la radiación neta con imágenes de satélite

Resumen

La radiación neta, Rn, representa la suma de todas las contribuciones de flujos de radiación de onda corta y larga que entran y salen de la superficie. El estudio de la Rn es de gran importancia, dado que es el parámetro de entrada en el cálculo de la evapotranspiración y variable principal de diversos procesos físicos y biológicos a nivel de superficie. Su interés no se limita al registro de datos puntuales, sino que es de gran utilidad poder conocer su variación espacio-temporal a escala regional. La variabilidad espacial de la Rn se modela adecuadamente con el uso conjunto de medidas de terreno, datos atmosféricos e imágenes de satélite, obteniéndose como producto un mapa regional de su magnitud instantánea, Rni. Sin embargo, muchas de sus aplicaciones, como por ejemplo los modelos de evapotranspiración, necesitan como entrada la magnitud promedio diaria, Rnd, promedio diurna, RnD, o la radiación neta en diferentes horarios del día, Rnt2, constituyendo el ciclo diurno. Por lo tanto, es necesario introducir algún tipo de modelo que relacione la magnitud instantánea con la información que se requiere en cada caso. En este sentido, existe un reducido número de modelos que permitan extender la Rni a otras escalas o instantes de tiempo, mostrando en general algún tipo de limitación y siendo que ninguno de ellos posee la capacidad de responder a las tres situaciones planteadas. En esta dirección, en la presente Tesis Doctoral se propone un modelo general para la estimación de la radiación neta con datos de satélite y meteorológicos. La propuesta metodológica se resume en las siguientes tres ecuaciones: Rnd = Cd Rni = [Rnd/Rni]ref Rni (I) RnD = CD Rni = [RnD/Rni]ref Rni (II) Rnt2 = Ct2,i Rni = [Rn t2/Rni]ref Rni (III) donde los cocientes Cd, CD y Ct2,i son calculados localmente sobre una superficie de referencia (ref), con valores conocidos de albedo y de emisividad de superficie, ?ref y ?ref respectivamente, y una condición óptima de humedad que permite asumir una temperatura de superficie (TS) similar a la del aire (Ta). En esta Tesis Doctoral se comprueba la invariancia del cociente Cd con la superficie, ya utilizada en modelos previos, y se extiende dicho concepto a los cocientes CD y Ct2,i , que representan la razón entre la magnitud diurna (D) e instantánea (i) de la Rn, y entre las magnitudes en los instantes t2 (incógnita) e i, respectivamente. A partir de una serie de medidas locales registradas en Tandil (2007 - 2010) sobre pastizal, cultivos extensivos de soja y avena y rastrojo, se determinan los valores ?ref = 0,17 y ?ref = 0,97 como la mejor combinación para el modelo propuesto. Posteriormente, el modelo se valida con datos de cuatro campañas de medida llevadas a cabo en diferentes sitios del mundo, con condiciones variadas de ambientes y cubiertas. Las campañas de medida utilizadas corresponden a datos registrados sobre cultivos de maíz (Tandil) y viña (Mallorca), en una pradera (Kansas) y una sabana (Maun). En la validación se consideran distintos grados de disponibilidad de datos de terreno. Cuando se disponen de medidas de radiación solar (Rs?), radiación de onda larga descendente (Rl?) y Ta, el modelo presenta errores entre 2 y 5 %, prácticamente sin sesgo y muy buenos acuerdos entre valores medidos y estimados (r2 ? 0,93), para sus tres variantes (Rnd, RnD y Rnt2). Al modelar la Rl? con medidas de temperatura/humedad relativa del aire y la Rs? con ecuaciones empíricas, se observa una degradación lógica de los resultados, aunque en general los errores se ubican por debajo del 10 % y con buenas concordancias entre valores medidos y estimados. Este punto es importante, porque aún con datos de una estación meteorológica convencional el modelo presenta un funcionamiento consistente, valorando su capacidad. A continuación, el modelo se aplica a escala regional con imágenes Landsat, donde se elaboran mapas de Rnd, RnD y Rnt2 en el partido de Tandil (Argentina), y se pone de manifiesto la capacidad de reproducir tanto las variaciones espaciales como temporales de la Rn. Una comparación entre medidas de terreno y los datos de los mapas elaborados confirman la capacidad del modelo, con errores entre 2 y 4 %. Finalmente, resulta importante destacar que el modelo que se presenta aquí es independiente de la latitud del lugar, hora y fecha de paso del satélite, siendo aplicable a misiones de satélite pasadas, actuales y futuras, siempre y cuando incluyan bandas en la región del espectro solar y térmico que permitan, a priori, obtener la Rni.