Evapotranspiração de referência diária e horária dos principais tipos climáticos brasileiros : parametrização, sistematização e automatização de modelos de estimativa

Orientador: Prof. Dr. Jorge Luiz Moretti de Souza

Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Agrárias, Programa de Pós-Graduação em Ciência do Solo. Defesa : Curitiba, 15/03/2024

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Resumo: A evapotranspiração de referência (ETo) corresponde a perda de água por uma cultura hipotética, em perfeito desenvolvimento vegetativo e em condições ideais de suprimento de água. Seu valor é importante para a quantificação da demanda hídrica de um sistema, permitindo adequado planejamento do uso de recursos hídricos. A ETo pode ser medida em evapotranspirômetros e lisímetros, que além de caros exigem mão de obra qualificada, ou estimada com métodos indiretos. As estimativas com modelos têm incentivado o desenvolvimento de programas que permitem a automatização e estimativas mais rápidas e precisas de séries de ETo. A ETo também é mais precisa quando analisada na periodicidade horária (EToh), mas há necessidade de verificação entre as estimativas diárias e horárias. Diante do contexto apresentado, teve-se por objetivo do presente estudo: i) Sistematizar, automatizar e testar rotinas e módulos desenvolvidos em planilha eletrônica, voltados à estimativa de séries diárias e horárias de evapotranspiração de referência, calculadas com modelos padrão adaptados/reduzidos; ii) Associar, calibrar parâmetros e analisar o desempenho (validação) da estimativa da EToh, com o modelo Moretti-Jerszurki-Silva (MJS), para os principais tipos climáticos brasileiros, tendo como padrão o modelo ASCE; e, iii) Associar e analisar séries de ETo diária (ETod) e horária (EToh) estimadas com os modelos ASCE padrão e adaptados/reduzidos, considerando apenas a temperatura média do ar como parâmetro de variação, para localidades dos principais tipos climáticos brasileiros. O presente estudo foi subdividido em quadro capítulos, sendo: Capítulo I Referencial teórico e seleção dos bancos de dados em estações meteorológicas brasileiras; Capítulo II Adaptação de métodos e desenvolvimento de módulos computacionais para estimativa de séries diárias e horárias de evapotranspiração de referência; Capítulo III Calibração, validação e ajuste do modelo MJS para estimar a evapotranspiração de referência horária, dos principais tipos climáticos brasileiros; e, Capítulo IV Validação de modelos adaptados/reduzidos para estimar séries de evapotranspiração de referência diária e horária, para os principais tipos climáticos brasileiros, considerando apenas a variação da temperatura do ar. As análises realizadas permitiram verificar que: i) Os Módulos desenvolvidos (MóduloMJS-A e MóduloETo.h-d) permitiram sistematizar e automatizar rotinas para estimativa da ETo com os modelos adaptados/reduzidos, em periodicidade horária e diária. No MóduloMJS-A estabeleceu-se coeficientes e ajustes no modelo MJS, conforme clima brasileiro. Com os modelos padrão e adaptados/reduzidos, e parâmetros estabelecidos conforme clima e periodicidade, foi desenvolvido o módulo (MóduloETo.h-d) voltado às estimavas da ETo. As associações entre os valores de ETo estimados no MóduloETo.h-d e módulo ³?M.EToASCE.e.MJS da Plataforma Moretti' verificou-se bom desempenho dos indicadores estatísticos na periodicidade diária e horária, para os modelos ASCE e MJS; ii) Com o MóduloMJS-A realizou-se a calibração e parametrização do modelo MJS para todos os tipos climáticos brasileiros (Af, Am, As, Aw, BSh, Cfa, Cfb, Cwa e Cwb). O FRHILFLHQWH³a' do modelo MJS ficou com média entre 0,04 e 1,00 mm h1 na calibração, e os valores GH³E' ficaram entre 2E08 e 9E08 mm h1. Foi necessário ajuste do descompasso que ocorre entre os valores horários estimados com os modelos MJS e ASCE. Em média, houve descompasso de uma hora entre as EToASCE.h e EToMJS.h para os climas Am e Af, e de duas horas para os climas As, Aw, BSh, Cfa, Cfb, Cwa e Cwb. Após ajuste, na validação, houve melhoria dos indicadores estatísticos (antes do ajuste: As associações realizadas para as ETod e EToh estimadas com os modelos ASCE padrão e adaptados/reduzidos indicaram que apenas o Penman-Monteith-Reduzido (PMR) apresentou precisão para estimar a EToPMR.h horária em oito dos nove tipos climáticos brasileiros. Os modelos adaptados/reduzidos PMR, MJS e Turc não apresentaram desempenho satisfatório e não são indicados para estimar a ETo na periodicidade diária. Indica-se a utilização dos modelos adaptados/reduzidos na periodicidade diária somente em casos de necessidade, na indisponibilidade de dados climáticos em quantidade e/ou qualidade para estimar a ETo com o método ASCE padrão.

Abstract: Reference evapotranspiration (ETo) corresponds to the loss of water by a hypothetical crop, in perfect vegetative development and under ideal water supply conditions. Its value is important for quantifying the water demand of a system, allowing adequate planning of the use of water resources. ETo can be measured using evapotranspirometers and lysimeters, which are expensive and require qualified labor, or estimated using indirect methods. Estimates with models have encouraged the development of programs that allow automation and faster and more accurate estimates of ETo series. ETo is also more accurate when analyzed on an hourly basis (EToh), but there is a need to check between daily and hourly estimates. Given the context presented, the objective of this study was to: i) Systematize, automate, and test routines and modules developed in a spreadsheet, aimed at estimating daily and hourly series of reference evapotranspiration, calculated with adapted/reduced standard models; ii) Associate, calibrate parameters and analyze the performance (validation) of the EToh estimate, with the Moretti-Jerszurki-Silva (MJS) model, for the main Brazilian climate types, using the ASCE model as the standard; and, iii) Associate and analyze daily (ETod), and hourly (EToh) ETo series estimated with the ASCE standard, and adapted/reduced models, considering only the average air temperature as a variation parameter, for locations with the main Brazilian climate types. The present study was subdivided into four chapters, as follows: Chapter I Theoretical framework and selection of databases on Brazilian meteorological stations; Chapter II Adaptation of methods and development of computational modules for estimating daily and hourly series of reference evapotranspiration; Chapter III Calibration, validation, and adjustment of the MJS model to estimate hourly reference evapotranspiration for the main Brazilian climate types; and, Chapter IV Validation of adapted/reduced models to estimate daily and hourly reference evapotranspiration series, for the main Brazilian climate types, considering only the variation in air temperature. The analyses carried out allowed us to verify that: i) The developed Modules (ModuleMJS-A and ModuleETo.h-d) made it possible to systematize and automate routines for estimating ETo with the adapted/reduced models, on an hourly and daily basis. In the ModuleMJS-A, coefficients and adjustments were established in the MJS model, according to the Brazilian climate. With the standard and adapted/reduced models, and parameters established according to climate, and periodicity, the module (ModuleETo.h-d) focused on ETo estimates was developed. The associations between the ETo values estimated in the ModuleETo.h-d DQGWKH ³?M.EToASCE.and.MJS Platform 0RUHWWL'PRGXOHshowed good performance of the statistical indicators on a daily and hourly basis, for the ASCE and MJS models; ii) With the ModuleMJS-A, the MJS model was calibrated and parameterized for all Brazilian climate types (Af, Am, As, Aw, BSh, Cfa, Cfb, Cwa and Cwb and 9E08 mm h1. It was necessary to adjust the delay that occurs between the hourly values estimated with the MJS and ASCE models. On average, there was one hour difference between EToASCE.h and EToMJS.h for the climates Am and Af, and two hours for the climates As, Aw, BSh, Cfa, Cfb, Cwa, and Cwb. After adjustment, in validation, there was an improvement in statistical indicators (before adjustment: The associations made for the ETod and EToh estimated with the standard and adapted/reduced ASCE models indicated that only the Penman-Monteith-Reduced (PMR) was accurate in estimating the hourly EToPMR.h in eight of the nine Brazilian climate types. The adapted/reduced PMR, MJS, and Turc models did not perform satisfactorily and are not recommended for estimating ETo on a daily basis. The use of adapted/reduced models on a daily periodicity is only recommended in cases of necessity, in the unavailability of climate data in quantity and/or quality to estimate ETo with the standard ASCE method.