NAIA GODOY PADOVANNI ANÁLISE ESPACIAL DA TEMPERATURA E ALBEDO DE SUPERFÍCIE EM BACIAS HIDROGRÁFICAS Sorocaba 2017 NAIA GODOY PADOVANNI ANÁLISE ESPACIAL DA TEMPERATURA E ALBEDO DE SUPERFÍCIE EM BACIAS HIDROGRÁFICAS Dissertação apresentada como requisito para a obtenção do título de Mestre em Ciências Ambientais da Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” na Área de Concentração Diagnóstico, Tratamento e Recuperação Ambiental Orientador: Prof. Dr. Roberto Wagner Lourenço Sorocaba 2017 Ficha catalográfica elaborada pela Biblioteca da Unesp Instituto de Ciência e Tecnologia – Câmpus de Sorocaba Padovanni, Naia Godoy. Análise espacial da temperatura e albedo de superfície em bacias hidrográficas / Naia Godoy Padovanni, 2017. 78 f.: il. Orientador: Roberto Wagner Lourenço. Dissertação (Mestrado) – Universidade Estadual Paulista "Júlio de Mesquita Filho". Instituto de Ciência e Tecnologia (Câmpus de Sorocaba), 2017. 1. Sensoriamento remoto. 2. Bacias hidrográficas. 3. Temperatura. I. Universidade Estadual Paulista "Júlio de Mesquita Filho". Instituto de Ciência e Tecnologia (Câmpus de Sorocaba). II. Título. Dedico este trabalho aos meus pais, Eliza e Chico (in memoriam), pelo incentivo e amor que me fizeram chegar até aqui. AGRADECIMENTOS Á Unesp de Sorocaba e a toda a sua equipe pelas excelentes e privilegiadas condições de trabalho, incluindo cafezinhos nos corredores. Ao Programa de Pós-Graduação em Ciências Ambientais pela oportunidade de desenvolver meu projeto de mestrado. Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pelo apoio financeiro. Ao China pela orientação e aprendizado que me levaram a execução e conclusão desta dissertação. Aos meus amigos de pesquisa e Unesp, Amanda, Cintia, Eduardo, Elfany, Dani, Jocy, Rita e Zé, que me acompanharam nos momentos de alegria, mas especialmente, nos momentos de frustação, raiva e desânimo. Aos pioneiros de GeoMat, Darllan, Fabíola e Jomil pelos dados e informações cedidas. As minhas gatas maravilhosas, Lizzy e Lucy, que me fizeram companhia madrugadas adentro. E ao meu namorado Alê que aguentou todas as minhas reclamações. Este trabalho não teria sido possível sem o apoio das instituições e pessoas mencionadas. ♥ “Cada pessoa deve trabalhar para o seu aperfeiçoamento e, ao mesmo tempo, participar da responsabilidade coletiva por toda a humanidade” Marie Curie PADOVANNI, N. G.. Análise espacial da temperatura e albedo de superfície em bacias hidrográficas. 78 f. Dissertação (Mestrado em Ciências Ambientais) - Instituto de Ciência e Tecnologia de Sorocaba, UNESP – Universidade Estadual Paulista, Sorocaba, 2017. RESUMO O estudo dos fenômenos atmosféricos requer a compreensão de complexas relações e interações dos sistemas naturais e/ou antrópicos. As alterações da superfície terrestre alteram os processos de troca de energia entre a superfície e atmosfera em diferentes escalas, atuando na variação de temperatura da superfície e do ar, na intensidade dos fluxos de energia disponível na superfície e nas variações da energia armazenada na vegetação. A utilização de técnicas de sensoriamento remoto na compreensão dessas relações, a partir de uma abordagem geossistêmica, auxilia otimizando a obtenção de dados, no refinamento e acurácia destes e na análise sistêmica, tornando-se uma ferramenta importante para o entendimento dos processos ecológicos e antrópicos que agem nos sistemas terrestres. Neste contexto, este trabalho teve como objetivo a análise do comportamento espacial da Temperatura de Superfície (Ts) e albedo na Bacia Hidrográfica do Rio Una, Ibiúna – SP, a partir de imagens do sensor MODIS dos satélites TERRA e Aqua para os meses de Janeiro e Agostos dos anos de 2004, 2008, 2012 e 2015, considerando as modificações no uso do solo e ocupação da terra e as sazonalidades climáticas. A região de estudo vem sofrendo grandes mudanças no uso e cobertura da terra em função do crescimento urbano e das áreas de cultivo temporário e reflorestamento. Por fim, gerou-se um mapa da cobertura da terra para o ano de 2013, e a partir deste, realizou-se a análise do comportamento da Temperatura de superfície e do albedo. Os resultados obtidos foram comparados também com os dados de temperatura do ar e dados pluviométricos. Palavras-chaves: MODIS. Sensoriamento Remoto. ArcGis. Temperatura de Superfície. Albedo. PADOVANNI, N. G.. Spatial analysis of surface temperature and albedo in watersheds. 78 f. Dissertação (Mestrado em Ciências Ambientais) - Instituto de Ciência e Tecnologia de Sorocaba, UNESP - Universidade Estadual Paulista, Sorocaba, 2017. ABSTRACT Atmospheric phenomena studies requires understanding about the complex relationships and interactions of natural and anthropic systems. Earth surface's changes alter the energy exchange processes between surface and atmosphere, at different scales, acting in : temperature variation of surface and air, the intensity of the energy streams available on the surface and the variations on energy stored in the vegetation. Remote sensing techniques utilization for the understanding of these relationships, in a geosystems approach, helps to optimize data acquisition, refinement and accuracy of these and systemic analysis, making it an important tool for the ecological and anthropic processes understanding, that act in terrestrial systems. In this context, the research's objective was the spatial behavior analysis of surface temperature (Ts) and albedo over the watershed area of the river Una (Ibiúna-SP), utilizing MODIS sensor images, from TERRA and Aqua satellites, captured in the months of January and August of 2004, 2008, 2012 and 2015, considering the changes in land use, land occupation and climatic seasonality. The study region has suffered major changes in land use and coverage on the basis of urban growth, cultivation areas and reforestation. So, a 2013 coverage map was generated, and from this, the behavior analysis of surface temperature and albedo was made. The results obtained were compared with the data of air temperature and rainfall data Keywords: MODIS. Remote Sensing. ArcGis. Surface Temperature. Albedo. LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 01. Mapa de Localização da Bacia Hidrográfica do Rio Una.......................................31 Figura 02. Temperaturas médias mensais para o município de Ibiúna entre 1991 a 2014.......38 Figura 03. Gráfico da Precipitação Média Mensal para o Município de Ibiúna-SP, 1986 – 2015...........................................................................................................................................39 Figura 04. Gráfico da Precipitação Média Mensal para o Município de Ibiúna-SP em 2004(mm)..................................................................................................................................40 Figura 05. Gráfico da Precipitação Média Mensal para o Município de Ibiúna-SP em 2008(mm)..................................................................................................................................41 Figura 06. Gráfico da Precipitação Média Mensal para o Município de Ibiúna-SP em 2012(mm)..................................................................................................................................41 Figura 07. Gráfico da Precipitação Média Mensal para o Município de Ibiúna-SP em 2015 (mm)..........................................................................................................................................41 Figura 08. Base cartográfica digitalizada da Bacia Hidrográfica do Rio Una...........................................................................................................................................42 Figura 09. Mapa de uso do solo e cobertura vegetal da área da Bacia Hidrográfica do Rio Una...........................................................................................................................................43 Figura 10. Temperatura de Superfície na Bacia Hidrográfica do Rio Una para Janeiro dos anos de 2004, 2008, 2012 e 2015......................................................................................................46 Figura 11. Temperatura de Superfície na Bacia Hidrográfica do Rio Una para Agosto dos anos de 2004, 2008, 2012 e 2015......................................................................................................47 Figura 12. Histogramas da Temperatura de Superfície na bacia hidrográfica do Una em 2004...........................................................................................................................................48 Figura 13. Histogramas da Temperatura de Superfície na bacia hidrográfica do Una em 2008...........................................................................................................................................48 Figura 14. Histogramas da Temperatura de Superfície na bacia hidrográfica do Una em 2012...........................................................................................................................................49 Figura 15. Histogramas da Temperatura de Superfície na bacia hidrográfica do Una em 2015...........................................................................................................................................49 Figura 16. Albedo na Bacia Hidrográfica do Rio Una para Janeiro dos anos de 2004, 2008, 2012 e 2015...............................................................................................................................51 Figura 17. Albedo na Bacia Hidrográfica do Rio Una para Agosto dos anos de 2004, 2008, 2012 e 2015...............................................................................................................................52 Figura 18. Histogramas do Albedo de Superfície na bacia hidrográfica do Una em 2004...........................................................................................................................................52 Figura 19. Histogramas do Albedo de Superfície na bacia hidrográfica do Una em 2008...........................................................................................................................................53 Figura 20. Histogramas do Albedo de Superfície na bacia hidrográfica do Una em 2012...........................................................................................................................................53 Figura 21. Histogramas do Albedo de Superfície na bacia hidrográfica do Una em 2015...........................................................................................................................................53 Figura 22. Divisão das Sub-bacias da Bacia Hidrográfica do Rio Una....................................54 Figura 23. Sub-bacia 1. (A). Temperatura em Janeiro de 2012; (B) Temperatura em Agosto de 2012; (C) Albedo em Janeiro de 2012; (D) Albedo em Agosto de 2012; (E) Uso do Solo e Cobertura Vegetal.....................................................................................................................57 Figura 24. Sub-bacia 5. Temperatura em Janeiro de 2012; (B) Temperatura em Agosto de 2012; (C) Albedo em Janeiro de 2012; (D) Albedo em Agosto de 2012; (E) Uso do Solo e Cobertura Vegetal.....................................................................................................................58 Figura 25. Sub-bacia 6. (A). Temperatura em Janeiro de 2012; (B) Temperatura em Agosto de 2012; (C) Albedo em Janeiro de 2012; (D) Albedo em Agosto de 2012; (E) Uso do Solo e Cobertura Vegetal.....................................................................................................................61 Figura 26. Sub-bacia 11. (A). Temperatura em Janeiro de 2012; (B) Temperatura em Agosto de 2012; (C) Albedo em Janeiro de 2012; (D) Albedo em Agosto de 2012; (E) Uso do Solo e Cobertura Vegetal.....................................................................................................................62 LISTA DE TABELAS Tabela 01. Especificações técnicas do sensor MODIS.............................................................24 Tabela 02. Produtos MODIS para Ecossistemas Terrestres.....................................................25 Tabela 03 - Valores de Albedo.................................................................................................27 Tabela 04. Bandas espectrais do sensor MODIS para o produto MOD43...............................28 Tabela 05. Postos meteorológicos do Município de Ibiúna-SP................................................33 Tabela 06. Temperatura Média, Máxima e Mínima mensais para o município de Ibiúna entre 1991 a 2014...............................................................................................................................37 Tabela 07. Precipitações médias anuais e Precipitações médias anuais acumuladas para o Município de Ibiúna entre 1986 a 2015 (mm)..........................................................................40 Tabela 08. Quantitativo do uso do solo e cobertura vegeral na Bacia Hidrográfica do Rio Una............................................................................................................................................44 Tabela 09. Datas das imagens MOD11.....................................................................................45 Tabela 10. Datas das imagens MOD43.....................................................................................50 Tabela 11. Tipo de Uso do Solo e Cobertura Vegeral da Sub-bacia 1 do Rio Una..................55 Tabela 12. Tipo de Uso do Solo e Cobertura Vegetal da Sub-bacia 5 do Rio Una..................56 Tabela 13. Tipo de Uso do Solo e Cobertura Vegetal da Sub-bacia 6 do Rio Una..................59 Tabela 14. Tipo de Uso do Solo e Cobertura Vegetal da Sub-bacia 11 do Rio Una................60 Tabela 15. Valores da área em metros quadros e em porcentagem por subclasse de Uso e Cobertura Vegetal, temperatura de superfície média e albedo médio de cada sub-bacia da Bacia do Rio Una, para Janeiro e Agosto de 2012....................................................................76 LISTRA DE ABREVIATURAS E SIGLAS As - Albedo Blue-Sky/Albedo de Superfície ANA - Agência Nacional de Águas APA - Área de Proteção Ambiental BRDF - Bidirectional Reflectance Distribution Function CIIAGRO - Centro Integrado de Informações Agrometeorológicas DAEE - Departamento de Águas e Energia Elétrica EDOS - EOS Data and Operation System ENOS - El Niño Oscilação Sul EOS - Earth Observing System ERTS - Earth Resource Technology Satellite ESE - Earth Science Enterprises HDF - Hierarchical Data Format IBGE - Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística IGC – Instituto de Geografia e Cartografia INPE - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais IPT-SP - Instituto de Pesquisas Tecnológicas de São Paulo ISIN - Integrized Sinusoidal LP DAAC - Land Processes Distributed Active Archive Center LST – Land Surface Temperature MMA - Ministério do Meio Ambiente MODIS - Moderate-resolution Imaging Spectroradiomete MRT - MODIS Reprojection Tool NASA - National Aeronautics and Space Administration REM -Radiação Eletromagnética SKYL LUT (Sky Light Look-Up Table) SPOT - Satellite Pour l'Observation de la Terre SR - Sensoriamento Remoto TDRSS - Tracking and Data Relay Satellite System Ts - Temperatura de superfície TSM - Temperatura da Superfície do Mar UGRH - Unidade de Gerenciamento de Recursos Hídricos ZCAS - Zona de Convergência do Atlântico Sul LISTA DE SÍMBOLOS α – Albedo αbs (θ, λ) = Albedo Black-Sky αws (θ, λ) = Albedo White-Sky θ = Ângulo zenital solar λ = Comprimento de onda S(θ, τ (λ) = Fração de luz difusa. °C - Graus Celsius ha - Hectare μm – Micrometro Mha - Milhões de hectares mm - Milímetro τ (λ) = Profundidade óptica; Lλ – Radiância ρ - Reflectância SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 17 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ......................................................................................... 19 2.1. Sensoriamento Remoto .............................................................................................. 19 2.1.1. Monitoramento do Uso do solo por Sensoriamento Remoto ............................. 20 2.1.2. Sensor MODIS ................................................................................................... 23 2.2. Temperatura de Superfície ......................................................................................... 26 2.3. Albedo ........................................................................................................................ 27 2.4. Bacia Hidrográfica como unidade ambiental de análise ............................................ 29 3. OBJETIVOS ..................................................................................................................... 30 3.1. Objetivo Geral ............................................................................................................ 30 3.2. Objetivos Específicos ................................................................................................ 30 4. MATERIAIS E MÉTODOS ............................................................................................. 31 4.1. Materiais ........................................................................................................................ 31 4.1.1. Área e Período de Estudo ....................................................................................... 31 4.1.2. Dados de Superfície ................................................................................................ 32 4.2. Métodos ......................................................................................................................... 33 4.2.1. Elaboração da base cartográfica digital e organização do banco de dados espacial .......................................................................................................................................... 33 4.2.2. Compartimentação da Bacia Hidrológica do Rio Una em sub-bacias.................... 34 4.2.3. Elaboração dos Mapas de Uso do Solo e Cobertura Vegetal ................................. 34 4.2.4. Elaboração dos Mapas de Temperatura de Superfície (Ts) .................................... 35 4.2.6. Elaboração dos Mapas de Albedo ...................................................................... 35 5. RESULTADOS E DISCUSSÕES .................................................................................... 37 5.1. Dados de Temperatura do Ar ..................................................................................... 37 5.2. Dados de Precipitação ................................................................................................ 38 5.3. Base cartográfica digital da área de estudo ................................................................ 42 5.4. Mapa de Uso do Solo e Cobertura Vegetal ................................................................ 43 5.5. Mapeamento de Temperatura de Superfície (Ts)....................................................... 44 5.6. Mapeamento de Albedo ............................................................................................. 50 5.7. Mapeamento de componentes do balanço de radiação em diferentes tipos de uso e cobertura do solo .................................................................................................................. 54 5.7.1. Sub-bacia 1 ......................................................................................................... 55 5.7.2. Sub-bacia 5 ......................................................................................................... 56 5.7.3. Sub-bacia 6 ......................................................................................................... 59 5.7.4. Sub-bacia 11 ....................................................................................................... 59 6. CONCLUSÕES ................................................................................................................ 63 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................. 65 8. ANEXO ............................................................................................................................ 76 17 1. INTRODUÇÃO O desenvolvimento tecnológico tem provocado diversas formas de impactos, em diferentes magnitudes no meio ambiente. Entre os principais impactos, destacam-se as mudanças climáticas, investigadas sistematicamente por um grande número de pesquisadores. Os processos biogeoquímicos e biogeofísicos que envolvem as trocas de água e energia estão fortemente relacionados com os ciclos da vegetação, uma vez que a atmosfera é sensível às características da superfície continental e acaba por afetar diretamente o clima (SOUZA et al., 2011). Essas trocas podem determinar e influenciar o clima, seu estado e suas variações, e interferem em outras atividades terrestres, de diferentes escalas de tempo, como, por exemplo, a fisiologia e fenologia da vegetação (PIELKE, 2001; OLIVEIRA et al., 2011). A radiação solar é a principal fonte de energia para os ecossistemas, atuando diretamente na variação de temperatura da superfície, na intensidade dos fluxos de energia disponível na superfície, no fluxo de calor latente e calor sensível, nas variações de temperatura do ar, do solo e na energia armazenada na biomassa (ODUM, 1972; GALVÃO; FISCH, 2000; MACHADO, 2014). Dentre a grande gama de variáveis climáticas, o Albedo e a Temperatura de Superfície (Ts) são considerados de grande importância no balanço de radiação terrestre (GIONGO et al., 2009). O albedo é definido pela razão entre o fluxo de radiação refletido em todas as direções e o fluxo incidente sobre uma dada superfície (KUSHARI et al., 2011), enquanto que a Temperatura de Superfície (Ts) é a medida direta do fluxo incidente de radiação solar sobre uma dada superfície. A Ts auxilia na compreensão das mudanças climáticas recentes e futuras e também na elaboração de modelos de previsão. A obtenção de dados de Ts pode ser feita remotamente, através de imagens de satélite, ou in situ, por meio de geotermômetros, um procedimento que apresenta uma limitação na resolução espacial das análises, pois a heterogeneidade das temperaturas, decorrentes dos diferentes tipos de uso e ocupação do solo, não conseguem ser identificadas (UPMANIS et al., 1998; UNGER, 2004; JIN, 2012). A utilização de imagens de satélite de média resolução, a partir de técnicas do Sensoriamento Remoto (SR), tem-se mostrado eficiente na obtenção de dados em escalas espacialmente pequenas e com grande abrangência na escala temporal. O SR utiliza as informações provenientes das interações das ondas eletromagnéticas emitidas ou refletidas, nos objetos da superfície terrestre. Em função da estrutura física e química do alvo, as informações dessas interações são registradas em diferentes faixas espectrais. 18 As modificações do uso do solo e cobertura vegetal interferem no balanço de energia, na temperatura do ar, na precipitação, na umidade do ar e na circulação regional e global, por isso, os estudos sobre o uso e cobertura da terra devem ser considerados como um fator fundamental na análise do tempo e clima. As tecnologias de estudos espaciais podem contribuir para compreensão das alterações climáticas em escala regional e para a previsão de possíveis impactos ao meio ambiente. As informações geradas podem ser usadas eficientemente como instrumento de análise e previsão junto aos órgãos ambientais competentes, formuladores de políticas e tomadores de decisões para o desenvolvimento de metodologias de preservação ambiental. Pesquisar o comportamento de Ts e do albedo, em uma bacia hidrográfica com diferentes tipos de uso do solo, para épocas distintas, através da utilização de técnicas do SR sobre os dados do sensor MODIS e de acompanhamento de campo, contribui para análise de diversos aspectos físicos e bióticos, visando o planejamento e gestão de bacias hidrográficas. 19 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1. Sensoriamento Remoto Sensoriamento Remoto (SR) é a ciência que compreende o conjunto de atividades indiretas de aquisição de informações sobre objetos ou fenômenos que compõem a superfície terrestre. O SR baseia-se na interação destes alvos com a radiação eletromagnética que ao ser captada pelos sensores remotos, produzem sistemas fotográficos (fotos aéreas) ou óptico- eletrônicos (imagens de satélite) (ZEILHOFER, 1999; MORAES, 2002; JENSEN, 2007; PONZONI et al., 2015). Em nível orbital, o SR é frequentemente utilizado na extração de informações dos recursos da Terra, através da análise das propriedades das ondas eletromagnéticas emitidas, refletidas ou difratadas pelos objetos/alvos sensoriados. As diferentes interações eletromagnéticas entre o alvo e cada comprimento de onda, estão relacionadas com a estrutura física e química do alvo, logo, essas interações são registradas em diferentes faixas espectrais, formando um conjunto de distintas imagens. Dentre as medidas eletromagnéticas, sobressaem-se a radiância e a reflectância. A primeira é a medida radiométrica mais apropriada para o SR. É denominada por Lλ e descreve a potência radiante emitida por unidade de ângulo sólido e por unidade de área de superfície, tem unidade expressa em watts por metro quadrado por esterradiano (W*m-2 *sr-1) (JENSEN, 2009). Já o conceito de reflectância representa a propriedade de um determinado alvo em refletir a radiação eletromagnética sobre ele incidida e é expressada através dos chamados fatores de reflectância (ρ) (; BARBOSA, 2006; GRONDONA; PONZONI, 2015; ROLIM, 2016). Assim, cada alvo na superfície da Terra apresenta um comportamento espectral diferente em relação à radiação eletromagnética, possibilitando a distinção, de maneira geral, deste alvo específico e de outros alvos diferentes. De acordo com as características físicas e químicas dos objetos, a quantidade de energia refletida de cada comprimento de onda interage de formas distintas e com intensidades diferentes, desta forma, as imagens são definidas abrangendo pequenos intervalos, chamados de bandas espectrais. A assinatura espectral ou comportamento espectral do objeto define as feições deste, sendo que a forma, a intensidade e a localização de cada banda de absorção é que caracteriza o objeto (MORAES, 2002). Os sensores remotos são sistemas ópticos compostos por uma associação de espelhos e lentes, destinados a medir a radiação eletromagnética proveniente da superfície terrestre sobre o detector (SANTOS, 2016). O produto dos sensores ópticos são imagens, 20 geralmente de alta resolução, onde os sensores são capazes de detectar a energia eletromagnética proveniente de um objeto, transformá-las em um sinal elétrico e registrá-las para serem armazenadas ou transmitidas em forma de informações (MORAES, 2002; MOREIRA, 2016). O SR teve início com a invenção da câmara fotográfica, que foi o primeiro instrumento utilizado em diversas plataformas para captura do imageamento da superfície terrestre. No século XX, uma leve câmara fotográfica com disparador automático e ajustável era carregada com pequenos rolos de filmes e fixada ao peito de pombos-correios para sobrevoarem posições inimigas. Com o advento do avião, os processos e a dinâmica nos levantamentos por sensores ópticos tiveram um significativo desenvolvimento, porém o grande salto tecnológico e cientifico do SR ocorreu com a corrida espacial, uma movimentação que possibilitou grande dinâmica aos instrumentos, produtos, meios de obtenção, forma de interpretação e análise dos mesmos. Os sensores imageadores presentes em satélites tem a capacidade de captar o espectro eletromagnético visível e infravermelho da luz, apresentando resolução espectral superior ao das câmeras fotográficas convencionais (SANTOS, 2016). Os satélites, embora demandem grandes investimentos e muita energia nos seus lançamentos, orbitam em torno da Terra por vários anos com o consumo de energia orbital mínimo, pois a elevada altitude proporciona um ambiente sem resistência do ar e com pequena força gravitacional terrestre, sempre equilibrada pela força centrípeta do movimento orbital do satélite. As imagens da superfície terrestre são coletadas 24 h/dia, durante toda a vida útil dos satélites (FIGUEIREDO, 2005; JENSEN, 2009). 2.1.1. Monitoramento do Uso do solo por Sensoriamento Remoto Os levantamentos de uso do solo fornecem subsídios para as análises e avaliações dos impactos ambientais, como por exemplo, os provenientes de desmatamentos, da perda da biodiversidade, das mudanças climáticas, além de fornecer informações do território em diferentes escalas espaciais, de tal forma que possam ser comparadas e periodicamente atualizadas. O sensoriamento remoto além de ferramenta, surgiu como uma nova metodologia de pesquisa para o mapeamento de Uso e Ocupação do solo, revelando a concepção teórica para apreensão espacial e temporal do uso do solo seu conjunto para a gestão da apropriação do espaço geográfico global ou local (IBGE, 2013). 21 Durante a década de 1960 surgiram numerosas técnicas para a extração de informações e aquisição de dados ambientais a partir de satélites, devido ao desenvolvimento do programa Earth Resource Technology Satellite (ERTS). Dentre as aplicações dos dados orbitais, a caracterização do uso e cobertura vegetal da terra em escala regional, continental e global tem importância reconhecida, devido as pesquisas de Tucker et al. (1985), Townshend et al. (1987) e Stone et al. (1990) que desenvolveram resultados/análises/produtos de uso e cobertura da terra baseados na utilização de dados multitemporais para observar a dinâmica da vegetação e sua variação fenológica ao longo do ano na década de 1980. Atualmente, os produtos globais que caracterizam a cobertura e uso da superfície terrestre apresentam uma melhor resolução espacial e os satélites de média resolução espacial como, por exemplo, o sensor MODIS, presente nas plataformas Aqua e Terra (JUSTICE et al., 1998), o sensor Vegetation abordo do Satellite Pourl' Observation de la Terre (SPOT) e a componente espacial do sistema RapidEye, que é formada por uma constelação de cinco satélites, geram inúmeros imagens/produtos de uso e cobertura da terra que são utilizados pela comunidade cientifica para análise. Mesmo que tenham evoluído em resolução, os produtos do SR apresentam limitações inerentes ao tipo de processamento em que se dá, podendo gerar confusões na delimitação de diferentes usos e cobertura da terra (HEROLD et al., 2008). Em 29 de Agosto de 2008 a empresa alemã RapidEye lançou seus cinco Satélites de Observação da Terra. Operando com seu próprio sistema, seus satélites de sensoriamento remoto são capazes de coletar imagens sobre grandes áreas, com alta capacidade de revisita, oferecendo imagens de alta qualidade da superfície, atualizadas diariamente. Os cinco satélites do sistema RapidEye são idênticos e posicionados com igual espaçamento entre cada satélite, em órbita síncronizada com o Sol. Esta configuração permite estabelecer novos padrões de eficiência relacionados à repetitividade de coleta e a precisão das informações geradas sobre a superfície da Terra (FELIX, 2009). O conjunto de satélites apresenta faixa da abrangência de coleta de imagens igual a 77 km de largura e 1500 km de extensão, resolução temporal diária e resolução espacial de 5,0 m (ortorretificada) (RAPIDEYE, 2016). A referência internacional nos estudos do uso do solo é o trabalho da Comissão Mista para Informação e Classificação do Uso do solo, formada por representantes de órgãos federais dos Estados Unidos, como o Departamento do Interior, a National Aeronautics and Space Administration (NASA) e o Departamento de Agricultura que iniciou as atividades em 1971 com o objetivo principal de desenvolver um sistema de classificação nacional de uso e ocupação do solo. Em 1976 o Departamento do Interior dos Estados Unidos publicou uma revisão do sistema de classificação de uso do solo de autoria de James R. Anderson, Ernest E. 22 Hardy, John T. Roach e Richard E. Witmer, conforme apresentado na U.S. Geological Survey Circular 671. No Brasil esta publicação também se tornou uma importante referência para os estudos de Uso do solo no Brasil (IBGE, 2013), porém, o marco para o mapeamento do Uso e Cobertura da terra por sensoriamento remoto, no Brasil se deu em 1971 com a criação do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) e, posteriormente, com centros de estudos importantes, como o Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) e universidades espalhadas pelo Brasil, que disseminaram estudos nesta área de pesquisa. Esse proeminente momento registrou avanços em análises classificatórias das formas e das dinâmicas de uso do solo, e avanços no uso do meio técnico e acadêmico de procedimentos estatísticos na Geografia (PEREIRA, 2012). Esses avanços foram determinantes para a atual escala temporal abrangente do sensoriamento, algo muito útil, pois a interação dos seres humanos com o meio ambiente é considerada a principal fonte de mudanças na paisagem e na biodiversidade (FORMAN, 1995; STAHL, 2008). O desenvolvimento humano altera o meio desde a pré-história, mas o período da revolução industrial acelerou as mudanças no uso e cobertura da terra, uma vez que estas sofreram uma constante e acelerada transformação devido à globalização dos mercados, expansão populacional e ao aumento da capacidade tecnológica. A substituição da cobertura natural a partir do desflorestamento, do uso de pastagens para criação de rebanhos, a expansão de áreas agrícolas e urbanas, a drenagem de áreas alagadas e represas, entre outros usos, tem provocado a diminuição no número de indivíduos e espécies, assim como extinção, domesticação e mudanças de habitat de várias espécies (MEYER e TURNER, 1994; RICHARDS, 1990; PEREIRA; SILVA, 2013). Nos últimos três séculos estima-se que 1200 Mha (milhões de hectares) de florestas e vegetação arbustiva foram derrubadas e outros 1500 Mha foram destinados às áreas agrícolas (FAO, 2002). Essas alterações na cobertura da terra afetam significativamente o tempo e o clima (NIYOGI et al., 2009). Na tentativa de compreender melhor essas mudanças, estudos da década de 70 constataram que as alterações das características físico-químicas e biológicas da superfície possuíam implicações no balanço de energia e, consequentemente, com o albedo regionalmente localizado (OTTERMAN, 1974; SAGAN et al., 1979). De acordo com Houghton et al. (1996 apud PEREIRA, 2012, p. 2): 23 “Os impactos nas mudanças de uso e cobertura da terra abrangem alterações no balanço de energia, na temperatura do ar, na precipitação, na umidade do ar e na circulação regional e global. Ainda, estes impactos provocam a degradação dos solos dos mananciais de água e a alteração do escoamento superficial” A superfície terrestre interage com a radiação eletromagnética (REM) solar, produzindo trocas de energia e modifica a circulação local. As alterações antrópicas na cobertura da superfície terrestre provocam mudanças nas características físico-químicas e biológicas desta, acarretando mudanças climáticas, como o de desertificação. Com o surgimento de regiões áridas e semiáridas, que tiveram sua vegetação removida, a capacidade de retenção de água no solo é reduzida, aumentando o escoamento superficial do solo e o albedo (HENDERSON-SELLERS, 1996; VERSTRAETE et al., 2008). A qualidade dos resultados e a abundância de pesquisas geram uma base sólida para que o estudo do uso e cobertura da terra seja considerado como um fator fundamental na análise do clima. 2.1.2. Sensor MODIS O MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) é um sensor remoto de média resolução espectral que se encontra a bordo dos satélites Terra e Aqua. O primeiro satélite lançado foi o Terra em dezembro de 1999, e começou a coletar dados em fevereiro de 2000, com o horário de passagem as 10h30m da manhã (horário de Brasília). Este satélite possui cinco sensores: MODIS, MISR, ASTER, CERES e MOPITT. O segundo satélite lançado foi o Aqua em maio de 2002, com o horário de passagem as 13h30m (horário de Brasília), portando os sensores: MODIS, AMSU, HBS, AMSR-E e CERES (JUSTICE et al., 2002). Ambos adquirem dados da superfície terrestre a cada 1 ou 2 dias. Dentre os sensores da plataforma Terra e Aqua, o sensor MODIS merece destaque devido à sua resolução espacial, espectral e temporal. Este sensor foi projetado para fornecer uma série de observações globais da superfície terrestre, oceano e atmosfera nas regiões do visível e do infravermelho do espectro eletromagnético. O MODIS pertence ao programa de coleta de dados Earth Observing System (EOS), financiado pelo programa Earth Science Enterprises (ESE) da NASA, cujo o objetivo principal da ESE é o monitoramento das mudanças ocorridas na atmosfera, nos oceanos e nos continentes (RUNNING et al., 1994). Os dados adquiridos pelo MODIS permitem um monitoramento de longa duração da superfície, sendo uma ferramenta de auxílio para o entendimento de mudanças em escala global (JUSTICE et al., 2002). A Tabela 01 mostra as especificações técnicas do MODIS (SOARES et. al., 2007). 24 Tabela 01. Especificações técnicas do sensor MODIS Características do Sensor MODIS Sensor Whiskbroom Campo de Visada 100° Cobertura Espacial 2330 km de largura da faixa Cobertura Diária Acima de 30° de latitude Orbita Polar – 705 km de altitude Inclinação 98,2° Resolução Espacial 250m, 500m, 1000m no nadir Faixa Espectral 0,407 μm – 14,385 μm (36 bandas) Periodo Médio 98,9 min Ciclo de Repetiçao 16 dias Imageamento Global A cada 2 dias Fonte: Adaptada de Barker et al. (1992) e Justice et al. (2002). O sensor MODIS opera com 36 bandas espectrais, abrangendo as faixas espectrais situadas no intervalo de 0,407 μm à 14,385 μm. Neste dado intervalo, duas bandas apresentam resolução espacial de 250m, cinco bandas apresentam resolução espacial de 500m e 29 bandas apresentam resolução espacial de 1000m. Cada cena MODIS (tile) cobre uma área de 1200 km x 1200 km e suas imagens são formatadas segundo a projeção Integrized Sinusoidal (ISIN) com dados armazenados no formato HDFEOS (Hierarchical Data Format – Earth Observing System) (NUNES, 2008). 2.1.1.2. Produtos MODIS O MODIS disponibiliza livre e gratuitamente os produtos denominados MODLAND (Tabela 02) para estudos de ecossistemas terrestre via FTP pelo site da Land Processes Distributed Active Archive Center (LP DAAC, ), em associação da NASA com o Serviço Geológico dos Estados Unidos (USGS). Dentre esse conjunto de dados, os produtos relacionados ao balanço de energia são MOD09, MOD11, MOD43, os produtos relacionados a vegetação são MOD13, MOD15 e MOD17 e no caso da cobertura terrestre, utiliza-se os produtos MOD12, MOD14 e MOD44. Os dados MODIS são transferidos para estações terrestres localizadas em White Sands, no estado do Novo México, via TDRSS (Trackingand Data Relay Satellite System) e são 25 transmitidos para o EOS Data and Operation System (EDOS) onde ocorre o processamento (NASA, 2016). Tabela 02. Produtos MODIS para Ecossistemas Terrestres Fonte: SOARES et.al., 2007 O tratamento dos dados MODIS é realizado em programas específicos desenvolvidos pela NASA, como o MRT (MODIS Reprojection Tool) e disponibilizado no formato HDF (Hierarchical Data Format) (SOARES et al., 2007). Os produtos utilizados neste trabalho são de dados diários dos produtos MOD11 e MCD43. O MOD11 é um produto que fornece dados de temperatura da superfície terrestre (LST – Land SurfaceTemperature) e emissividade diárias da superfície terrestre com resolução espacial de 1 Km (RUNNING et al., 1994; SANTOS, 2015). É composto por LSTs diurnos e noturnos, qualidade de avaliação, tempos de observação, ângulos de visada, cobertura de céu claro e emissividades estimadas nas bandas 31 e 32 para tipos de cobertura do solo (NASA, 2016). O algoritmo LST recompõe os pixels com emissividades conhecidas da banda 31 (10,780 - 11,280 µm) e da banda 32 (11,770 - 12,270 µm), a partir dos tipos de cobertura do Módulos Produtos Produtos Relacionados ao Balanço de Energia MOD 09 Reflectância de superfície MOD 11 Temperatura da superfície da Terra e emissividade MOD 43 BRDF/Albedo MOD 10 e 29 Cobertura de neve e extensão de gelo na superfície do mar Produtos Relacionados à Vegetação MOD 13 Grades de índice de vegetação (Máx. NDVI e MVI integrado) MOD 15 LeafÁrea Index (LAI) e FPAR MOD 17 Fotossintese líquida e produtividade primária Produtos relacionados à cobertura terrestre MOD 12 Cobertura da terra e mudança de cobertura MOD 14 Anomalias termais, fogo e queimada de biomassa MOD 44 Conversão de Cobertura Vegetal 26 solo, vapor de água, coluna atmosférica e a menor Temperatura da Superfície (Ts) separadas em subfaixas. Isto se deve ao fato de que a emissividade espectral da cobertura de solos é relativamente estável para o intervalo de comprimento de onda entre 10,5 e 12,5 µm (WAN e DOZIER, 1996). Essa técnica é denominada Split-window e utiliza uma equação linear com dados da temperatura de brilho dos canais do infravermelho termal (NASA, 2016). As medias contidas neste produto (MOD 11) são aplicadas a diversos estudos que descrevem os processos da superfície terrestre, dentre eles destacam-se os parâmetros climáticos, hidrológicos, ecológicos e biológicos (LATORRE et al., 2007). O MOD43 contém um conjunto de dados da distribuição da função da reflectância, variável utilizada para encontrar o valor do albedo (LATORRE et al., 2007). Os parâmetros de albedo e Ts gerados a partir das imagens de SR do MODIS são comparados e/ou cruzados com a área de influência direta, fornecendo informações importantes sobre dinâmica ambiental e as alterações climáticas recentes. 2.2. Temperatura de Superfície A temperatura de superfície (Ts) é uma das principais variáveis climatológicas para estimar o fluxo de energia da superfície da Terra. No sensoriamento remoto, os sensores medem a radiância da superfície, ou seja, a radiação eletromagnética que transporta energia pode ser quantificada em termos de radiância espectral. Para a obtenção da Ts por meio de sensoriamento remoto, deve-se considerar alguns fatores da atmosfera, como a absorção, a emissão ascendente e a irradiação descendente (FERREIRA, 2004; DASH et al. 2002). O vapor d’água é o principal responsável pelos efeitos atmosféricos, sendo a sua concentração na atmosfera bastante variável e geralmente diminui com a altitude, o que dificulta a obtenção do seu valor. Além do vapor, a interação que ocorre entre a radiação e o particulado atmosférico altera a direção da radiação e a distribuição espectral. De acordo com Dash (2002), existem várias metodologias e algoritmos para estimar a Ts terrestre a partir da temperatura de brilho e dados auxiliares. Os algoritmos utilizam medidas da temperatura de brilho do topo da atmosfera através de duas bandas espectrais termais no infravermelho. 27 2.3. Albedo O albedo é uma outra variável de relevante importância na estimativa do balanço de radiação terrestre, sendo muito utilizada na modelagem de diversos sistemas climáticos da Terra. É definido como a razão entre o fluxo de radiação refletida por uma dada superfície em todas as direções e o fluxo incidente sobre ela (GIONGO et al., 2009; KUSHARI et al., 2011; OLIVEIRA et al., 2011). A reflectância, medida a parti do albedo, em sistemas ecológicos é responsável por controlar as condições microclimáticas da região e a absorção de radiação eletromagnética da superfície, afetando aspectos fisiológicos das plantas, reduzindo a evaporação do solo e os fluxos de calor (WANG et al., 2001; IMHOFF el al.; 2010; JIA, 2010; PENG, el al., 2012; HUMATTAR, et al., 2014) O uso do solo é o principal fator de variação do albedo, sendo que as características da cobertura da superfície estão relacionadas com as alterações na umidade do solo e no ciclo fenológico da vegetação, modificando a absorção de radiação pela superfície. Posto isto, um aumento de albedo pode representar uma intensificação do processo de desertificação com perda de cobertura vegetal (LOPES, 2005; HE et al., 2012; OLIVEIRA, 2015; MENDES, 2015). A quantificação do albedo é expressa em porcentagem em uma escala de zero até 1, na qual zero (0) representa nenhuma reflexão (superfície perfeitamente negra) e 1 para uma reflexão por uma superfície branca. A Tabela 03 mostra os principais valores de albedo em relação ao tipo de superfície. Tabela 03 - Valores de Albedo Solo 0,05 – 0,40 Vegetação 0,005 – 0,20 Água ≈ 0,10 Fonte: Adaptado de LOPES et al., 2007. O valor do albedo mensurado pelos sensores orbitais varia em função do comprimento de onda da reflectância do local, das condições de iluminação e do ângulo de visado do sensor. A reflectância é afetada por efeitos direcionais da transferência de radiação e por efeitos geométricos, como sombreamento causados pela estrutura tridimensional no interior de dosséis e do sol. Essa propriedade óptica da superfície terrestre é denomina anisotropia (ANDERSON, 2003; MORIYA, 2015). 28 A anisotropia é caracterizada pela Função de Distribuição da Reflectância Bidirecional (BRDF - Bidirectional Reflectance Distribution Function), que é a fração de radiância refletida por um ponto na direção do observador e através de um ângulo sólido, devido à irradiância diferencial incidente ao longo do ângulo sólido no mesmo ponto. O conhecimento do BDRF é fundamental no processamento de dados referentes ao albedo em Sensoriamento Remoto. O BRDF permite normalizar as observações, a partir da variação dos ângulos de visada e iluminação para uma determinada geometria padrão (JUSTICE et al., 1998; LIESENBERG et al., 2007; MORIYA, 2015; OLIVEIRA, 2015). O produto MOD43 do sensor MODIS utiliza os parâmetros da BDRF para o cálculo do albedo. Estes parâmetros utilizados são fornecidos com base nos algoritmos de LIANG et. al. (2002) e SCHAAF et. al. (2002). O produto MOD43 é constituído das 7 primeiras bandas e de outras três simuladas com larga faixa espectral. A Tabela 04 mostra as bandas espectrais do MOD43. Tabela 04. Bandas espectrais do sensor MODIS para o produto MOD43 Número das bandas Bandas (µm) Região do espectro 1 0,620 – 0,670 Vermelho 2 0,841 – 0,876 Vermelho próximo 3 0,459 – 0,479 Azul 4 0,545 – 0,565 Verde 5 1,230 – 1,250 Infravermelho próximo 6 1,628 – 1652 Infravermelho médio 7 2,105 – 2,155 Infravermelho médio 8 0,400 – 0,700 Visível 9 0,700 – 4,000 Infravermelho 10 0,250 – 4,000 Onda-curta Fonte: Adaptado de NASA (2007) O produto MOD43 é calculado a partir de uma série temporal de 16 dias com resolução de 1km e é disponibilizado em duas imagens, o albedo chamado “Black Sky” para condições de iluminação direta e o albedo “White Sky” para condições de iluminação difusa. O albedo de superfície ou “Blue Sky”, é a soma dos dois albedos ponderados pela proporção de irradiância direta e difusa (IQBAL, 1980). 29 O monitoramento espacial e temporal do albedo é uma variável importante na implementação de modelos climáticos, já que sua estimativa é determinante na modelagem dos fluxos energéticos e da evapotranspiração (LIANG et al., 2002; PAPE; VOHLAND, 2010; ADUAH, et al., 2012; SANTOS el al., 2015; SIQUEIRA, 2015). 2.4. Bacia Hidrográfica como unidade ambiental de análise A bacia hidrográfica é uma área de captação natural da água de precipitação pluvial, que faz convergir o escoamento por um único ponto de saída (exutório). Compõe-se de um conjunto de vertentes e de uma rede de drenagem (TUCCI, 1997). A bacia hidrográfica é considerada um ente sistêmico, no qual se realizam os balanços de entrada (input) proveniente da chuva e saída (output) de água por meio do exutório, permitindo que sejam delineadas bacias e sub-bacias, cujas interconexões se dão pelos sistemas hídricos, onde se desenvolvem as atividades humanas, portanto representando ou sintetizando todos os processos e elementos que constituem o ecossistema (PORTO et al., 2008). No Brasil o histórico da gestão dos recursos hídricos data de 1976, ano no qual se sucedeu uma série de problemas relacionados ao uso da água. Mas, somente em 1997 é criado um sistema organizado de gestão, delineando os princípios básicos que deveriam ser seguidos no estabelecimento da Política Nacional de Recursos Hídricos, como “a gestão integrada, a bacia como unidade de gestão, o reconhecimento do valor econômico da água e gestão descentralizada e participativa” (PORTO et al., 2008). Assim sendo, em todo o território brasileiro o gerenciamento dos recursos hídricos está organizado por bacias hidrográficas. A bacia hidrográfica como unidade de planejamento constitui-se como unidades geográficas, onde os recursos naturais se integram, e como uma unidade espacial de fácil reconhecimento e caracterização (SANTOS, 2004; NASCIMENTO; VILLAÇA, 2008; RODRIGUES; LIMA, 2015). 30 3. OBJETIVOS 3.1. Objetivo Geral Esta pesquisa teve por objetivo principal analisar e mapear o comportamento espacial da temperatura de superfície e do albedo na Bacia Hidrográfica do Rio Una diante da sua estrutura de manejo e conservação. 3.2. Objetivos Específicos Para alcançar os objetivos gerais, foram propostas as seguintes etapas de trabalho: - Realizar o mapeamento do Uso do Solo e Cobertura Vegetal; - Elaborar o mapeamento da Ts e do albedo para os meses de Janeiro e Agosto para os anos de 2004, 2008, 2012 e 2015; - Analisar as alterações e o comportamento espacial da Ts e o albedo no tempo-espaço e nos diferentes tipos de uso do solo e cobertura vegetal. - Gerar um banco de dados com informações referentes às condições atuais da bacia hidrográfica que possa contribuir com estudos climáticos visando delinear programas de gestão e sustentabilidade ambiental. 31 4. MATERIAIS E MÉTODOS 4.1. Materiais 4.1.1. Área e Período de Estudo Para o desenvolvimento da pesquisa tem-se como área de estudo a Bacia Hidrográfica do Rio Una (Figura 01), que integra a décima Unidade de Gerenciamento de Recursos Hídricos do Alto Sorocaba (UGRHI-10), localizada no município de Ibiúna - São Paulo. Figura 01. Mapa de Localização da Bacia Hidrográfica do Rio Una Fonte: autoria própria A área de estudo foi selecionada por estar inserida em um território de alto desenvolvimento econômico, de expansão agrícola de cultivos temporários e por sofrer impactos diretos das atividades antrópicas, que fragmentam a paisagem de forma sistemática. 32 Ocorre em sua cabeceira a APA da Serra do Mar, a APA de Corumbataí, Botucatu e Tejupá (SÃO PAULO, 1998; 2008; PEDRAZZI et al., 2014), e proximidade com a APA da Represa de Itupararanga, resultante da confluência dos Rios Sorocabuçu, Sorocamirim e Rio Una, formadores do Rio Sorocaba, um dos principais afluentes da margem esquerda do Rio Tietê (SMITH et al., 2005; CAVANI et al., 2008; SMA, 2015). Sua extensão está em torno de 96,88 km², com uma ocupação diversifica e importantes remanescentes de Mata Atlântica em estado fragmentado, atividades agropecuárias, loteamentos, reflorestamento e produção de carvão vegetal. Segundo a classificação de Köppen-Geiger, a bacia está situada em uma área de clima Cwa (Clima temperado umido, com inverso seco e verão quente, com temperaturas superiores a 22ºC) (SALLES, 2008). A temperatura média, segundo dados do Centro Integrado de Informações Agrometeorológicas (CIIAGRO, 2016) e Departamento de Águas e Energia Elétrica (DAEE, 2016) entre 1982 a 2011, foi de 19,39°C. A média da pluviosidade mensal na bacia é de 112,18 mm, sendo Janeiro o mês mais chuvoso, com precipitação média de 206,82 mm, e Agosto, mês mais seco, com média de 44,75 mm, segundo dados pluviométricos referentes à normal climática de 1986 – 2015 (DAAE, 2016; ANA, 2016). A Bacia Hidrográfica do Rio Una tem grande importância na gestão dos recursos hídricos e naturais da região, pois é a principal área captação de água e geração de energia elétrica para a região centro-oeste do Estado de São Paulo (ROSA et al., 2014). Desta forma, a quantificação de parâmetros biofísicos pode ser empregada no diagnóstico e monitoramento ambiental e na identificação de possíveis alterações do uso e ocupação do solo desta bacia (SMA, 2015). 4.1.2. Dados de Superfície Para a realização desta pesquisa foram utilizadas as imagens do sensor MODIS dos meses de Janeiro e Agosto de 2004, 2008, 2012 e 2015, respectivamente os meses mais úmidos e mais secos, com o objetivo de avaliar a variação da Ts e do albedo sazonalmente entre os diferentes tipos de Uso do Solo e Cobertura Vegetal da área de estudo. Os valores mapeados por meio de técnicas de sensoriamento remoto foram comparados com os dados de temperatura do ar e precipitação pluvial do período de análise, 2004 a 2015 obtidos dos sistemas do Departamento de Águas e Energia Elétrica (DAEE), Agência Nacional de Águas (ANA) e Centro Integrado de Informações Agrometeorológicas (CIIAGRO). Esses dados foram utilizados para caracterizar as condições meteorológicas na Bacia Hidrográfica do Rio Una. 33 4.1.2.1. Dados de Temperatura O comportamento da temperatura do ar foi analisado com base em dados já pré- existentes da região da bacia obtidos no sistema do CIIAGRO Online (). O sistema do CIIAGRO contém apenas as temperaturas para 1991 a 2014, esses dados foram organizados em um gráfico com os valores das médias mensais e analisados para os valores de máximo e mínimos. 4.1.2.2. Dados de Precipitação Foram utilizados dados de precipitação pluviométrica de quadro postos meteorológicos do DAEE-SP e um da ELETROPAULO (Tabela 05), localizados no município de Ibiúna para os anos de 1986 a 2015. Dentro do limite municipal foram listados nove postos, todavia, apenas cinco apresentavam consistência nos dados. Os dados de precipitação estão disponíveis no Banco de Dados Hidrológicos do DAEE () e no Sistema de Informações Hidrológicas (HidroWeb) da ANA (). Tabela 05. Postos meteorológicos do Município de Ibiúna-SP Código Nome Entidade Latitude Longitude Altitude 2347043 Ibiúna DAEE-SP 273610 7401228 880 m 2347052 Cachoeira do França DAEE-SP 274415 7349537 870 m 2347146 Mato do Gado DAEE-SP 284209 7375538 950 m 2347082 Ibiúna ELETROPAULO 273896 7382767 838 m 2347153 Piaí DAEE-SP 274068 7371690 850 m Fonte: DAEE-SP; ANA 4.2. Métodos 4.2.1. Elaboração da base cartográfica digital e organização do banco de dados espacial A base cartográfica de orientação foi construída a partir das cartas topográficas do Instituto de Geografia e Cartografia (IGC, 1979) em escala 1:10.000 do município de Ibiúna- SP (folhas: 094/096; 095/095; 095/096; 096/095; 096/096; 097/095; 097/096; 097/094 e 34 098/095). Essas cartas foram vetorizadas no programa AutoCAD Map (Autodesk, 2012) com extração das feições gráficas referentes às curvas de nível, rede hídrica, estradas e características físicas do local. Após a vetorização os arquivos foram transferidos para o ambiente ArcGis 10.3.1 (ESRI, 2015) e os dados vetoriais foram convertidos em matriciais. O limite da Bacia Hidrográfica do Rio Una foi delimitado a partir das informações dos vetores da rede hídrica, das curvas de nível e pontos cotados. No final desta etapa foi gerado um banco de dados espacial georreferenciado da área de estudo, que serviu como referência para o georrefenciamento das imagens de satélite e definição da metodologia do estudo. 4.2.2. Compartimentação da Bacia Hidrológica do Rio Una em sub-bacias O sistema de drenagem e as feições planialtimétricas da Bacia Hidrográfica do Rio Una foram extraídas das cartas topográficas do IGC na escala de 1:10.000 e digitalizado no ArcGIS 10.3.1 (ESRI, 2015). A delimitação das sub-bacias foi realizada, primeiramente, a partir da identificação da ordem dos cursos da água da Bacia Hidrográfica. Com a identificação do curso d’água principal, as sub-bacias hidrográficas foram determinadas como sendo as que apresentavam o curso de água com uma ordem inferior ao do curso da água principal, tendo como base em seus divisores topográficos (SILVA, 2016). O estudo comparativo dos dados orbitais e do mapeamento do uso do solo e cobertura vegetal foi dividido em onze análises em função da divisão em sub-bacias da Bacia Hidrográfica do Rio Una, o que possibilitou produzir os mapeamentos e avaliar as alterações climática nos diferentes usos de forma independente. 4.2.3. Elaboração dos Mapas de Uso do Solo e Cobertura Vegetal O Mapa de Uso do Solo e Cobertura Vegetal foi elaborado tendo como referência as imagens ortorretificadas do satélite RapidEye em composição colorida RBG (Red, Blue e Green) com resolução espacial de 5 metros, do mês de Novembro de 2013, cedidas pelo Instituto de Pesquisas Tecnológicas de São Paulo (IPT-SP) e Ministério do Meio Ambiente (MMA). As imagens referentes à área de interesse foram importadas para o ArcGis 10.3.1 (ESRI, 2014) e recortada para o limite da bacia, a partir do arquivo vetorial da base cartográfica de apoio. O mapeamento da bacia foi realizado por interpretação visual da imagem e edição de 35 arquivos de vetores, em escala 1:10.000, empregando-se as coordenadas planas, datum SIRGAS2000 e fuso 23S; suas classes, subclasses e unidades de uso e cobertura vegetal foram identificados conforme a adaptação do Manual Técnico de Uso do solo e do Manual Técnico da Vegetação Brasileira (IBGE, 2012; 2013). O mapeamento foi validado a partir de trabalhos de campo para averiguação das classes delimitadas, com base na identificação de cem pontos amostrais, distribuídos irregularmente na bacia, utilizando GPS e câmera digital. 4.2.4. Elaboração dos Mapas de Temperatura de Superfície (Ts) Para a elaboração dos Mapas de Temperatura de Superfície (Ts) foram utilizadas as imagens MODIS/Terra produto MOD11 – Land Surface Temperature and Emissivity Daily L3 Global 1 km Grid SIN, adquiridas através do site no formato HDF e convertidas para o formato GeoTIFF com o auxílio do programa MRT (MODIS Reprojection Tool) disponível em . As imagens foram georreferenciadas no sistema UTM/SIRGAS2000, zona 23 S e os valores dos números digitais convertidos para valores de Kelvin multiplicando cada pixel por um fator de escala igual a 0,02 (WAN, 1999; SOUSA, et al., 2012; XIONG, 2014; PIRES, 2015), em seguida, convertido em Graus Celsius, subtraindo 273,15. 4.2.6. Elaboração dos Mapas de Albedo Para elaboração dos Mapas de albedo foi utilizado o produto MOD43 (Albedo 16- Day L3 Global 1km) do sensor MODIS/Terra&Aqua com resolução espacial de 1 km adquiridas da mesma forma que para o Ts. As imagens foram processadas de modo que cada pixel foi multiplicado por 0,001, seu valor de escala, e por último, através da combinação linear da componente direta (Albedo Black-Sky), da componente difusa (Albedo White-Sky) e a fração difusa, foi gerada uma imagem final com os valores de Albedo Blue-Sky (As), ou albedo de superfície, segundo a equação expressa por Schaaf et al. (2002): As(θ, λ) = [1 − S(θ, τ (λ))] ∗ αbs (θ, λ) + S (θ, τ (λ)) ∗ αws (θ, λ) (1) Onde: αbs (θ, λ) = albedo Black-Sky; αws (θ, λ)= albedo White-Sky ; θ = ângulo zenital solar; 36 λ = comprimento de onda; τ (λ)= profundidade óptica; S(θ, τ (λ)= fração de luz difusa. Para obtenção do albedo de superfície (As), a partir da interpolação do αbs e do αws , deve-se considerar a fração da radiação solar que é difundida pelos constituintes atmosféricos e, dependendo da profundidade óptica dos aerossóis. O albedo White-Sky é a componente de iluminação difusa isotrópica na ausência da componente de iluminação direta, e o albedo Black-Sky é a componente de iluminação direta na ausência da componente de iluminação difusa (LEWIS; BARNSLEY, 1994; STRAHLER et al., 1999; PAPE; VOHLAND, 2010; OLIVEIRA, 2015). O valor da fração de luz difusa S (θ, τ (λ)) é obtida da tabela SKYL LUT (Sky Light Look-UpTable), disponível no produto MOD43 (SCHAAF, 2004; GIONGO et al. 2009; PAPE e VOHLAND, 2010). Essa tabela contém valores de S (θ, τ (λ)) em função do tipo de aerossóis (continentais ou marítimos), profundidade óptica (0 a 1) e ângulo zenital solar (0° a 89°), corrigidos dos efeitos atmosféricos. O albedo de superfície foi calculado assumindo-se o tipo de aerossol continental e a profundidade óptica do aerossol no intervalo de 0,25-4,0µm, obtido no site Giovanni (Goddard Earth Sciences Data and Information Services Center - GES DISC) de domínio da NASA (ACKER e LEPTOUKH, 2007), aplicando a equação para S (θ, τ (λ))= 0,74; τ (λ)= 0,2 para θ = 0°, como estipulado no pacote computacional do produto MOD43. 37 5. RESULTADOS E DISCUSSÕES 5.1. Dados de Temperatura do Ar Devido à sua localização latitudinal, a área de estudo se caracteriza em uma região de transição entre climas tropicais de latitudes baixas e climas mesotérmicos de tipo temperado das latitudes médias (NIMER, 1979). A Figura 02 mostra o gráfico das amplitudes térmicas sazonal, resultado do deslocamento de massas frias de altas altitudes durante o inverno e no verão essa região é atingida por um aquecimento da radiação solar. Com relação a temperatura, a Tabela 06 mostra que o mês mais quente é Fevereiro, com temperatura média igual a 22,75ºC e o mês mais frio sendo Julho, com média igual a 17,05, embora, atingindo temperatura média mínima 6,3°C. Tabela 06. Temperatura Média, Máxima e Mínima mensais para o município de Ibiúna entre 1991 a 2014 Temperatura Média (°C) Temperatura Média Máxima (°C) Temperatura Média Mínima (°C) Janeiro 22,75 25,15 16,3 Fevereiro 24,45 27,7 17 Março 23,2 26 16,2 Abril 21,7 24,05 10,8 Maio 18,25 21,05 9,9 Junho 17,15 20,2 6,3 Julho 17,05 19,9 5,5 Agosto 18,55 23,05 7,3 Setembro 19,8 23,35 7,9 Outubro 21,55 25,25 9,7 Novembro 21,85 24,65 12 Dezembro 23,55 27,4 17 Fonte: CIIAGRO, 2016 38 Figura 02. Temperaturas médias mensais para o município de Ibiúna entre 1991 a 2014 Fonte: CIIAGRO, 2016 5.2. Dados de Precipitação A precipitação média anuel da área de estudo é de 112,18 mm e a média anual acumulada é igual a 1346,27 mm, valor inferior ao encontrado da média da Região Sudeste, que apresenta precipitação acumulada variando em torno de 1500 e 2000 mm ao ano, conforme Quadro (1996), ainda que esse valor tenha interferência de dois núcleos máximos registrados na região do Brasil Central e no litoral da Região Sudeste. A distribuição sazonal das precipitações pluviais é bem caracterizada com dois períodos bem definidos: a estação chuvosa de outubro a abril e a estação seca nos meses de maio a setembro. Nos meses de maior aquecimento radioativo há a presença de intensa atividade convectiva. A Zona de Convergência do Atlântico Sul (ZCAS) é um dos principais fenômenos meteorológicos que influenciam no regime de chuvas nessa região durante os meses de primavera e verão (QUANDRO; ABREU, 1994). É definida com uma banda de nebulosidade e precipitação com orientação noroeste-sudeste, que se estende desde o sul e leste da Amazônica até o sudoeste do Oceano Atlântico Sul (KODAMA, 1982; SATYAMURTI et al., 1998; LIEBMANN et al, 2001; CARVALHO et al., 2004) e está associada a episódios prolongados de chuvas na região Sudeste (SILVA, 1997) e estiagem na região Sul (CASARIN; KOUSKY, 1986). Outro evento de grande escala que interfere na precipitação da Região Sudeste é o El Niño Oscilação Sul (ENOS). A variação irregular que ocorre nas condições normais nas componentes oceânica (El Niño) e atmosférica (Oscilação Sul) gera um aquecimento das águas e redução na pressão atmosférica na região leste do Pacífico. As anomalias da temperatura da superfície do mar (TSM), somado a grande capacidade da água em transportar energia, faz com 22,75 24,45 23,2 21,7 18,25 17,15 17,05 18,55 19,8 21,55 21,85 23,55 0 5 10 15 20 25 30 Ja ne ir o F ev er ei ro M ar ço A br il M ai o Ju nh o Ju lh o A go st o S et em br o O ut ub ro N ov em br o D ez em br o 39 que o El Niño provoque mudanças no padrão normal de circulação atmosférica. O período chuvoso da região Sudeste concentra-se entre os meses de Outubro a Março, quando ocorrem mais de 80% do total anual de chuvas (ALVES et al., 2002; PAIVA, 1997). De acordo com Alves (2005), o período chuvoso começa mais cedo em anos nos quais a TSM está mais quente no Pacífico Equatorial e mais tarde em anos nos quais se observam a TSM mais fria no Pacífico Central, ou seja, o período chuvoso é mais intenso nos anos que ocorrem El Ninõ. Dados do monitoramento da anomalia TSM/Niño do INPE (2016) indicam que nos anos de 2004 -2005 e 2006-2007 ocorreu El Niño com fraca intensidade e nos anos 2009-2010 e 2015-2016 ocorreu com intensidade moderada e intensidade forte, respectivamente. Figura 03. Gráfico da Precipitação Média Mensal para o Município de Ibiúna-SP, 1986– 2015 (mm) Fonte: DAEE, 2016; ANA, 2016. A Figura 03 refere-se à precipitação médias para os anos de 1986 a 2015 para as cinco estações meteorológicos analisadas mostra que o mês de maior pluviosidade é Janeiro com média mensal igual a 206,82 mm e o mês de menor pluviosidade é Agosto, com valor igual a 45 mm. A Tabela 07 apresenta as médias de chuvas para as cinco estações meteorológicas estudadas. As Figuras 04, 05 e 06 trazem os gráficos de distribuição da precipitação para os anos de 2004, 2008 e 2012. Onde pode-se observar a mesma tendência de distribuição de chuvas, ou seja, valores maiores de umidade concentradas nos meses de Janeiro e Dezembro, com exceção do ano de 2004, e maior estiagem em Agosto, com exceção do ano de 2008. A média mensal nesses anos foi 115,99 mm e a média mensal acumulada foi igual a 1391,97 mm; para Janeiro a média encontrada foi 221,02 mm e em Agosto 30,61 mm, valores próximos da média da normal. 207 181 144 83 78 64 63 45 86 117 115 165 0 50 100 150 200 250 300 Ja ne ir o F ev ei ro M ar ço A br il M ai o Ju nh o Ju lh o A go st o S et em br o O ut ub ro N ov em br o D ez em br o 40 Tabela 07. Precipitações médias anuais e Precipitações médias anuais acumuladas para o Município de Ibiúna entre 1986 a 2015 (mm) Meses Estações Meteorológicas 2347043 2347052 2347146 2347082 2347153 Médias (mm) Janeiro 197,66 191,96 164 235,65 244,83 206,82 Fevereiro 187,23 200,86 159,3 187,94 171,35 181,34 Março 148,13 148,5 124,93 151,61 147,63 144,16 Abril 75,46 116,76 77,03 70,33 73,08 82,54 Maio 75,63 81,46 71,9 79,66 80,19 77,77 Junho 65,1 72,33 64,13 57,50 58,71 63,56 Julho 58,23 69,63 62,56 59,67 63,38 62,70 Agosto 36,56 64,43 44,6 39,79 37,47 44,57 Setembro 78,43 99,53 82,9 81,023 87,34 85,85 Outubro 119,067 109,23 107,6 123,86 127,66 117,49 Novembro 109,23 125,83 108,6 114,27 116,2 114,83 Dezembro 168,73 145,73 134,46 188,053 186,27 164,65 Média Total 109,96 118,86 100,17 115,78 116,18 112,18 Média Total Acumulada 1319,50 1426,30 1202,03 1389,40 1394,13 1346,27 Fonte: DAEE, 2016; ANA, 2016 Figura 04. Gráfico da Precipitação Média Mensal para o Município de Ibiúna-SP em 2004 (mm) . Fonte: DAEE, 2016; ANA, 2016. 185 252 97 103 72 86 115 8 16 133 187 249 0 50 100 150 200 250 300 Ja ne ir o F ev ei ro M ar ço A br il M ai o Ju nh o Ju lh o A go st o S et em br o O ut ub ro N ov em br o D ez em br o 41 Figura 05. Gráfico da Precipitação Média Mensal para o Município de Ibiúna-SP em 2008 (mm) Fonte: DAEE, 2016; ANA, 2016. Figura 06. Gráfico da Precipitação Média Mensal para o Município de Ibiúna-SP em 2012 (mm) Fonte: DAEE, 2016; ANA, 2016. Já as precipitações para 2015 (Figura 07), ano que ocorreu El Niño com forte intensidade, a média mensal foi igual a 158,55 mm e a média acumulada foi 1902,66 mm, valores superiores da média da normal climática estudada, 1986 – 2015, como afirmado por Alves (2005). Além das médias com valores maiores, outra anomalia marcante diz respeito aos meses de Setembro, Outubro e Novembro onde apresentaram uma precipitação muito elevada em comparação com a média desses meses para os outros anos. Figura 07. Gráfico da Precipitação Média Mensal para o Município de Ibiúna-SP em 2015 (mm) Fonte: DAEE, 2016 254 137 94 78 108 64 20 78 92 117 107 112 0 50 100 150 200 250 300 Ja ne ir o F ev ei ro M ar ço A br il M ai o Ju nh o Ju lh o A go st o S et em br o O ut ub ro N ov em br o D ez em br o 225 129 102 122 45 219 96 6 32 109 71 255 0 50 100 150 200 250 300 Ja ne ir o F ev ei ro M ar ço A br il M ai o Ju nh o Ju lh o A go st o S et em br o O ut ub ro N ov em br o D ez em br o 188 253 181 61 112 30 114 23 245 207 241 248 0 50 100 150 200 250 300 Ja n e ir o Fe ve ir o M ar ço A b ri l M ai o Ju n h o Ju lh o A go st o Se te m b ro O u tu b ro N o ve m b ro D e ze m b ro 42 5.3. Base cartográfica digital da área de estudo A Figura 08 apresenta a base cartográfica digitalizada da Bacia Hidrográfica do Rio Una, com as feições planialtimétricas. A Bacia Hidrográfica do Rio Una possui altitudes que variam entre 800 a 1175 metros. A porção norte da bacia é que apresenta as menores altitudes e concentra as áreas urbanas; as áreas de intervenção antrópica (rural e urbana) totalizam 13,24% da área total. Segundo Sales (2015), a malha viária possui 130,9km e percorre toda a extensão da bacia. Figura 08. Base cartográfica digitalizada da Bacia Hidrográfica do Rio Una Fonte: autoria própria 43 5.4. Mapa de Uso do Solo e Cobertura Vegetal A Figura 09 apresenta o mapeamento do Uso do Solo e Cobertura Vegetal. Na parte Sul da bacia predomina Áreas Florestadas e Culturas Temporárias, as quais são definidas como áreas de plantio de hortaliças e leguminosas; enquanto na parte norte encontra-se as áreas de ocupação antrópica urbana. Pode-se observar um gradiente da diminuição das áreas de exposição antrópica (rural e urbana) de jusante para montante da baciado Rio Una. Figura 09. Mapa de uso do solo e cobertura vegetal da área da Bacia Hidrográfica do Rio Una Fonte: autoria própria A Tabela 08 apresenta os valores, em hectares, de cada tipo de uso e a sua porcentagem em relação à área da bacia. 44 A silvicultura, ou cultura de longo período, ocupa 3,24% do território distribuídas ao longo da bacia. Campo Degradado ocupa 5,65% da área, dentro desse valor estão enquadradas as áreas de campo degradado e solo exposto. Tabela 08. Quantitativo do uso do solo e cobertura vegeral na Bacia Hidrográfica do Rio Una Tipos de Uso e Cobertura Área (ha) % Total Água 123,61 1,27 Área Campestre 100,86 1,04 Área Florestal 3589,60 37,05 Aglomerados Rurais 1028,38 10,61 Área Urbana 392,34 4,05 Cultura Temporária 3472,25 35,37 Pastagem 108,29 1,12 Aterro Sanitário 3,36 0,03 Silvicultura 313,45 3,24 Campo Degradado 556,32 5,75 Total 9688,52 100 Fonte: autoria própria A bacia apresenta 37,05% do seu território identificados como Área Florestal, todavia, mais de 38% é de áreas agrícolas (temporária ou de longo período). Esse predomínio da agricultura pode indica que a área sofre grande interferência humana. As ocupações antrópicas, que alteram a paisagem, interferem nas características ambientais e dos ecossistemas locais, por exemplo, pelo uso intensivo e indiscriminado de agrotóxicos, além dos desmatamentos e uso intensivo e prolongado de monoculturas (ZANELLA, 2011; DE DEUS; BAKONYI, 2012, SALES, 2015). 5.5. Mapeamento de Temperatura de Superfície (Ts) O Sensor MODIS apresenta uma resolução de temporal alta, variando de 1 a 2 dias, todavia, muitas imagens apresentam uma alta cobertura de nuvens, desta forma, a seleção destas considerou a cobertura de nuvens sobre a região e a qualidade das imagens (Tabela 09). Esses períodos foram escolhidos devido às condições climáticas da área estudada, que apresenta época de maior umidade em Janeiro e período de estiagem em Agosto, a fim de comparar a interferência e influência da água no sistema. 45 Tabela 09. Datas das imagens MOD11 Datas Trabalhadas 01, 06, 15, 21 e 30 de Janeiro de 2004 01, 07, 12, 18 e 29 de Agosto de 2004 02, 06, 10, 15, 20 e 31 de Janeiro de 2008 01, 05, 08, 15, 20 e 27 de Agosto de 2008 02, 09, 12, 20 e 30 de Janeiro de 2012 01, 07, 15, 23, 25 e 30 de Agosto de 2012 01, 06, 12, 16, 22 e 31 de Janeiro de 2015 04, 10, 16, 22 e 30 de Agosto de 2015 Fonte: autoria própria As imagens resultantes apresentavam resolução espacial de 1 km e um total de 112 pixels, para fim de melhor visualização e posterior comparação com os diferentes usos do solo, essas imagens passaram por um processo de reamostragem de pixels a partir da função Spline do Arcgis 10.3, que possibilitou a produção de imagens com resolução de 10 metros. E por último, foi realizado o recorte do limite da bacia usando a função “Extract by Mask”. A temperatura de superfície (Ts) (Figura 10 e 11) teve uma amplitude de 19,08ºC e 30,36°C no período analisado. As temperaturas mais elevadas ficaram concentradas no mês de Janeiro, influenciadas pela maior intensidade de radiação no verão para o Hemisfério Sul, em detrimento das temperaturas mais baixas em Agosto. As imagens das Figura 10 e 11 além de evidenciar redução dos valores de temperatura de Janeiro (verão) para Agosto (inverno), também evidenciam a relação entre a Ts com o uso e cobertura do solo. Destacam-se as áreas agrícolas temporárias e as áreas urbanizadas da bacia, que apresentaram valores significativamente maiores que as áreas de florestas e de silvicultura instaladas na área. Observa-se também a influência da altitude do relevo na Ts, de maneira que quanto maior a altitude, menor a temperatura (MENDONÇA; DANNI-OLIVEIRA, 2007). Na montante da bacia os valores de Ts eram os mais baixos, coincidindo com as maiores área de cobertura vegetal e com altitudes variando entre 950 m e 1170m, no enquanto, na jusante, com altitude entre 850m e 950 m, foram encontrados os maiores valores de temperatura. As áreas com coloração avermelhada são as mais quentes e as área mais frias estão em amarelo. A Ts em Janeiro de 2004 variou entre 21,97ºC e 26,62ºC, com frequência acumulada em 24,68ºC, como pode ser observado no histograma correspondente (Figura 12). Em Agosto essa variação foi de 19,08°C a 22,66°C, mas com média 21,49ºC. Analisando os dois histogramas é perceptível uma amplitude térmica maior em Janeiro. 46 Figura 10. Temperatura de Superfície na Bacia Hidrográfica do Rio Una para Janeiro dos anos de 2004, 2008, 2012 e 2015 Fonte: autoria própria 47 Figura 11. Temperatura de Superfície na Bacia Hidrográfica do Rio Una para Agosto dos anos de 2004, 2008, 2012 e 2015 Fonte: autoria própria 48 No ano de 2008 (Figura 13) a variação da Ts em Janeiro foi de 23,35 a 29,33°C, já em Agosto esse gradiente foi entre 21,34 a 24,52°C. As Ts médias foram, respectivamente, 26,15 e 23,18 °C. Diferentemente do ano de 2004, a imagem de Agosto de 2008 não apresentou uma amplitude térmica tão representativa, o que pode ser explicado pelo volume de chuva nesse mês que no gráfico de precipitação da Figura 05 é possível observar que a média em Agosto foi de 77,4mm, sendo que a média para mês na bacia é de 44,57mm (Figura 03). Figura 12. - Histogramas da Temperatura de Superfície na bacia hidrográfica do Una em 2004 Fonte: autoria própria Figura 13. - Histogramas da Temperatura de Superfície na bacia hidrográfica do Una em 2008 Fonte: autoria própria A água apresenta uma capacidade térmica elevada (1cal/°C) quando comparada com outras substancias, como solo e vegetação, o que permite adquirir ou perder calor com mais facilidade, assim, quando há água no sistema, as flutuações da Ts são suavizadas e, portanto, é reduzida a amplitude térmica; a precipitação atua como regulador térmico nesse caso (SILVA, 2006) Os histogramas da Ts em 2012 (Figura 14) evidenciam que teve uma Ts média em Agosto foi igual a 22,20°C, com máxima de 24,23 e mínima de 19,60°C. Essa amplitude térmica pode ser explicada pela baixa umidade do ar. Conforme a Figura 06, Agosto de 2012 choveu apenas 6mm. Em contrapartida, em Janeiro a média foi de 24,99°C, mas com vários 0 5000 10000 15000 20000 21 ,9 7 22 ,3 0 22 ,6 2 22 ,9 5 23 ,2 8 23 ,6 1 23 ,9 4 24 ,2 7 24 ,5 9 24 ,9 2 25 ,2 5 25 ,5 8 25 ,9 1 26 ,2 4 26 ,5 6 Fr eq ue nc ia Temperatura °C Temperatura - Janeiro de 2004 0 5000 10000 15000 20000 19 ,0 8 19 ,3 2 19 ,5 6 19 ,8 0 20 ,0 4 20 ,2 8 20 ,5 2 20 ,7 6 21 ,0 0 21 ,2 4 21 ,4 8 21 ,7 2 21 ,9 6 22 ,2 0 22 ,4 4 F re qu en ci a Temperatura °C Temperatura - Agosto de 2004 0 5000 10000 15000 20000 23 ,3 5 23 ,7 7 24 ,1 9 24 ,6 1 25 ,0 3 25 ,4 6 25 ,8 8 26 ,3 0 26 ,7 2 27 ,1 4 27 ,5 7 27 ,9 9 28 ,4 1 28 ,8 3 29 ,2 6 F re qu en ci a Temperatura °C Temperatura - Janeiro de 2008 0 5000 10000 15000 20000 21 ,3 4 21 ,5 6 21 ,7 7 21 ,9 8 22 ,1 9 22 ,4 1 22 ,6 2 22 ,8 3 23 ,0 5 23 ,2 6 23 ,4 7 23 ,6 9 23 ,9 0 24 ,1 1 24 ,3 2 F re qu en ci a Temperatura °C Temperatura - Agosto de 2008 49 picos de frequência acumulada, apesar de ter variado entre 22,23 a 28,64°C, assim a Ts teve uma distribuição mais suave. Figura 14. - Histogramas da Temperatura de Superfície na bacia hidrográfica do Una em 2012 Fonte: autoria própria Figura 15 - Histogramas da Temperatura de Superfície na bacia hidrográfica do Una em 2015 Fonte: autoria própria A análise da Ts deve levar em consideração a hora da passagem do satélite Terra sobre a área de estudo, ou seja, as Ts aqui apresentadas são referentes aos dados capturados pelo sensor as 10h30m da manhã. Nos histogramas de 2015 (Figura 14) é observado um padrão diferente dos analisados. Em Janeiro a média foi de 28,36°C, com variação entre 25,90 a 30,37°C e em Agosto a média encontrada foi 23,55°C. Considerando que o horário entre 12h e 15h concentram as temperaturas máximas diárias e os dados analisados do sensor MODIS são do período da manhã, 2015 apresentou temperaturas mais elevadas que a média para os meses de análise. Segundo dados do CIIAGRO, a temperatura média para Janeiro é 22,17°C e para Agosto é 17°C. É possível inferir que o ano de 2015 apresentou um comportamento climático anômalo. A Figura 07 corrobora com essa inferência, além das temperaturas mais elevadas a precipitação média mensal também foi superior à média dos últimos 30 anos. Essa anormalidade pode ser explicada pela ocorrência do fenômeno El Nino de forte intensidade. 0 5000 10000 15000 20000 22 ,2 3 22 ,6 8 23 ,1 4 23 ,5 9 24 ,0 4 24 ,4 9 24 ,9 5 25 ,4 0 25 ,8 5 26 ,3 0 26 ,7 6 27 ,2 1 27 ,6 6 28 ,1 1 28 ,5 7 Fr eq ue nc ia Temperatura °C Temperatura - Janeiro de 2012 0 5000 10000 15000 20000 19 ,6 1 19 ,9 3 20 ,2 6 20 ,5 9 20 ,9 1 21 ,2 4 21 ,5 7 21 ,8 9 22 ,2 2 22 ,5 5 22 ,8 7 23 ,2 0 23 ,5 3 23 ,8 6 24 ,1 8 F re qu en ci a Temperatura °C Temperatura - Agosto de 2012 0 5000 10000 15000 20000 25 ,9 0 26 ,2 1 26 ,5 3 26 ,8 4 27 ,1 6 27 ,4 7 27 ,7 9 28 ,1 0 28 ,4 2 28 ,7 4 29 ,0 5 29 ,3 7 29 ,6 8 30 ,0 0 30 ,3 1 F re qu en ci a Temperatura °C Temperatura - Janeiro de 2015 0 5000 10000 15000 20000 21 ,7 2 21 ,9 2 22 ,1 3 22 ,3 4 22 ,5 4 22 ,7 5 22 ,9 5 23 ,1 6 23 ,3 7 23 ,5 7 23 ,7 8 23 ,9 9 24 ,1 9 24 ,4 0 24 ,6 1 F re qu en ci a Temperatura °C Temperatura - Agosto de 2015 50 5.6. Mapeamento de Albedo O mapeamento do albedo para a área de estudo foi realizado para as seguintes datas contidas na Tabela 10. Devido à presença de nuvens ou a má qualidade das imagens não foi possível utilizar os mesmos dias para todos os anos. Tabela 10. Datas das imagens MOD43 Datas Trabalhadas 09 - 25 de Janeiro de 2004 12 - 28 de Agosto de 2004 08 - 24 de Janeiro de 2008 12 - 28 de Agosto de 2008 01 - 16 de Janeiro de 2012 12 - 28 de Agosto de 2012 01 - 16 de Janeiro de 2015 12 - 28 de Agosto de 2015 Fonte: autoria própria Da mesma forma que as imagens de Ts, as de albedo apresentam resolução espacial de 1 km e um total de 112 pixels, a partir da função “Spline” do Arcgis 10.3, os pixels foram reamostrados para uma resolução de 10 metros. E por fim, foi recortada a área da Bacia Hidrográfica do Rio Una. Os valores de albedo oscilaram entre 0,121 e 0,196, como visualizados nas imagens das Figuras 16 e 17. As imagens de albedo evidenciam o aumento da variação e dos valores de albedo nos meses de Janeiro, mês úmido, e a redução do albedo no período de estiagem, no mês de Agosto. Os valores mais baixos estão representados por tons mais escuros de nível de cinza, e são condizentes com a presença de vegetação e/ou umidade (LOPES, 2005). A diferença entre os meses analisados evidenciou a estreita relação da sazonalidade climática com a variação da cobertura vegetal e uso do solo. As áreas construídas e de solo exposto apresentaram maiores valores de albedo da superfície (áreas claras), enquanto que as áreas de vegetação arbórea apresentaram menores valores de albedo (áreas escuras). As Figuras 18, 19, 20 e 21 representam os histogramas de frequência do albedo para os anos de 2004, 2008, 2012 e 2015. Os valores albedo são expressos em escala de zero até 1, mas a maior parte das áreas terrestres se encontra na faixa de albedo entre 0,1 a 0,4. O albedo típico para superfície com solo exposto varia entre 0,05 e 0,40 e para cobertura vegetal o albedo oscila entre 0,005 a 0,20 (LOPES, 2007). Dessarte, não é possível classificar o tipo de uso e cobertura do solo em função do valor de albedo, mas a análise espacial da variação do 51 albedo é fundamental para entender as mudanças da cobertura superficial para os estudos de processo de desertificação (LOPES, 2005). Figura 16. Albedo na Bacia Hidrográfica do Rio Una para Janeiro dos anos de 2004, 2008, 2012 e 2015 Fonte: autoria própria 52 Figura 17. Albedo na Bacia Hidrográfica do Rio Una para Agosto dos anos de 2004, 2008, 2012 e 2015 Fonte: autoria própria Figura 18. - Histogramas do Albedo na bacia hidrográfica do Una em 2004 Fonte: autoria própria 53 Figura 19 - Histogramas do Albedo na bacia hidrográfica do Una em 2008 Fonte: autoria própria Figura 20. - Histogramas do Albedo na bacia hidrográfica do Una em 2012 Fonte: autoria própria Figura 21. - Histogramas do Albedo na bacia hidrográfica do Una em 2015 Fonte: autoria própria No caso da Bacia Hidrográfica do Rio Una, foi observada uma variação do albedo médio no período de estudo. Os maiores valores encontrados foram em Janeiro de 2008, que apresentou média de 0,17 e os valores menores em Agosto de 2004, com média igual a 0,13. Esse padrão dos maiores percentuais para Janeiro, vistos em todos os anos, é resultante do período chuvoso, observado na séria histórica e da presença de vegetação saudável. Parar Dagbegnon et al. (2015) essa relação é verídica, já que há uma relação direta entre a disponibilidade hídrica e climatológica com a abundância da cobertura vegetal. 54 5.7. Mapeamento de componentes do balanço de radiação em diferentes tipos de uso e cobertura do solo Devido à alta heterogeneidade e fragmentação das classes do uso do solo e cobertura vegetal, a análise comparativa da Ts e albedo com a cobertura do solo foi dividida em função das 11 sub-bacias da Bacia Hidrográfica do Rio Una (Figura 22) definidas no item 4.2.2. Figura 22. Divisão das Sub-bacias da Bacia Hidrográfica do Rio Una Fonte: autoria própria Em cada sub-bacia foi calculado os valores totais e percentuais de cada uso do solo e cobertura vegetal e os valores de Ts e albedo médios para Janeiro e Agosto de 2012. Foi escolhido o ano de 2012 em função do mapeamento do uso do solo e cobertura vegetal ser 55 datado do ano de 2013. As médias de Ts e albedo de cada sub-bacia foram encontradas através de histogramas no programa ArcGis 10.3.1. Com os histogramas pôde-se verificar o intervalo dos componentes do balanço de radiação em diferentes tipos de uso e cobertura do solo. Na Tabela 15 (Anexo, p.89) são apresentados os valores de Ts e albedo médios e as área totais (metros quadrados) e percentuais de cada uso do solo e cobertura para as 11 sub- bacias. Para fim de uma análise mais detalhada foram escolhidas quatro sub-bacias que apresentaram as maiores porcentagens para cada uso do solo. 5.7.1. Sub-bacia 1 A sub-bacia 1 está localizada ao norte da bacia, na jusante da Bacia do Rio Una e concentra a área urbana do município de Ibiúna. A Tabela 11 apresenta os tipos de uso do solo mapeados nessa sub-bacia e os valores médios de Ts e albedo para janeiro e agosto de 2012. As áreas florestais representam 35,26%, cultura temporária 17,10% e a ocupação urbana 25,66% da área da sub-bacia, os demais usos tem uma área bastante fragmentada. Tabela 11. Tipo de Uso do Solo e Cobertura Vegeral da Sub-bacia 1 do Rio Una Fonte: autoria própria Analisando as Figuras 10 e 11 (p. 57) e a Figura 23 é visível que as áreas com temperatura mais elevadas têm uma concentração nessa sub-bacia. A temperatura média para a bacia em Janeiro de 2012 foi de 24,99°C e em Agosto de 2012 foi de 22,°C, valores inferiores SUB-BACIA 1 Subclasse Área (m²) Porcentagem Agua 127309,96 1,00 Área campestre 1007300,57 7,90 Área degradada 896405,76 7,03 Área Florestal 4493045,18 35,26 Aglomerados Rurais 480814,34 3,77 Área urbana 3270411,07 25,66 Cultura temporária 2178886,68 17,10 Pastagem 181084,16 1,42 Silvicultura 140976,16 1,11 Área Total 12776233,88 Janeiro de 2012 Agosto de 2012 Albedo 0,17 0,14 Temperatura (°C) 25,06 24,07 56 aos encontrados na sub-bacia 1. Devia a concentração da ocupação antrópica nessa bacia e, consequentemente, a concentração de áreas com asfalto e cimento, o albedo médio em Janeiro (0,17) também foi maior que o encontrado para a bacia inteira (0,16) e em Agosto o valor foi igual (0,14). 5.7.2. Sub-bacia 5 A Tabela 12 e a Figura 24 apresentam os dados analisados para a sub-bacia 5. O tipo de uso do solo que predomina nessa sub-bacia é o de Culturas Temporárias, com valor igual a 54,2%, seguido de Área Florestal com valor igual a 36,69%. Os usos do solo e cobertura vegetal com as maiores áreas na bacia do Rio Una são a de Culturas Temporárias, com área ocupada igual a 35,37%, e a de Área Florestal, com 37,05%, valor próximo da Área Florestal encontrada na sub-bacia 5, desta forma, os valores de albedo são iguais para as duas escalas de análise, 0,16 em Janeiro e 0,14 em Agosto. Já a temperatura em Janeiro foi de 22,91°C, 2,08°C mais baixo que a média encontrada na bacia, e em Agosto de 23,73°C, em função da influência da vegetação no controle da temperatura, principalmente, nos períodos chuvosos. Tabela 12. Tipo de Uso do Solo e Cobertura Vegetal da Sub-bacia 5 do Rio Una Fonte: autoria própria SUB-BACIA 5 Subclasse Área (m²) Porcentagem Pastagem 4440,40 0,08 Agua 72079,09 1,26 Área degradada 269864,24 4,71 Área Florestal 2100095,94 36,69 Aglomerados Rurais 142984,78 2,50 Cultura temporária 3102636,84 54,20 Silvicultura 32109,05 0,56 Pastagem 4440,40 0,08 Agua 72079,09 1,26 Área Total 5724210,35 Janeiro de 2012 Agosto de 2012 Albedo 0,16 0,14 Temperatura (°C) 22,91 23,73 57 Figura 23. Sub-bacia 1. (A). Temperatura em Janeiro de 2012; (B) Temperatura em Agosto de 2012; (C) Albedo em Janeiro de 2012; (D) Albedo em Agosto de 2012; (E) Uso do Solo e Cobertura Vegetal Fonte: autoria própria 58 Figura 24. Sub-bacia 5. Temperatura em Janeiro de 2012; (B) Temperatura em Agosto de 2012; (C) Albedo em Janeiro de 2012; (D)Albedo em Agosto de 2012; (E) Uso do Solo e Cobertura Vegetal Fonte: autoria própria 59 5.7.3. Sub-bacia 6 A sub-bacia 6 (Figura 25 e Tabela 13) está localizada a oeste da Bacia do Rio Una e foi escolhida como unidade espacial de análise em função de apresentar uma porção significativa da sua área em Área Degradada, 7,45%, Aglomerados Rurais, 21,67% e Cultura Temporária, 37,16%. Ou seja, 66,28% da área é ocupação antrópica, que degrada e fragiliza o solo e apresenta com baixa cobertura vegetal. As temperaturas de superfície encontradas foram iguais a 24,41°C em Janeiro e 24,03°C em Agosto, média maior que a encontradas na bacia do Una para o mesmo mês (22,20°C). O albedo foi de 0,16 em Janeiro e 0,14 em Agosto, médias iguais a da bacia. Esses comportamentos são devidos às áreas de solo exposto que tendem a apresentar maiores valores de temperatura e de albedo, em função do calor especifico do solo e sua maior reflectância. 5.7.4. Sub-bacia 11 Já a sub-bacia 11 (Figura 26 e Tabela 14) apresenta 54,65% da sua área em “Área Florestal”, é a porção da bacia mais preservada. Em função das maiores altitudes também encontradas nessa sub-bacia, as Ts são mais baixas que as médias da bacia, com valores iguais a 22,04°C em Janeiro e 23,53°C em Agosto. A média da temperatura mais baixa encontrada em Janeiro do que em Agosto é efeito a quantidade de água presente no solo, devido ao mês chuvoso. O valor de albedo em Janeiro é igual a 0,16 e em Agosto igual 0,13. O valor de Agosto ser inferior à media da bacia é decorrência da presença de vegetação densa e sadia, que tende a diminuir o valor do albedo. Tabela 13. Tipo de Uso do Solo e Cobertura Vegetal da Sub-bacia 6 do Rio Una Fonte: autoria própria SUB-BACIA 6 Subclasse Área (m²) Porcentagem Pastagem 16652,33 0,12 Área degradada 1060990,91 7,45 Agua 218706,42 1,54 Área Florestal 4071857,46 28,60 Aglomerados Rurais 3085344,60 21,67 Cultura temporária 5289920,20 37,16 Silvicultura 492494,91 3,46 Área Total 14235966,83 Janeiro de 2012 Agosto de 2012 Albedo 0,16 0,14 Temperatura (°C) 24,41 24,03 60 Tabela 14. Tipo de Uso do Solo e Cobertura Vegetal da Sub-bacia 11 do Rio Una Fonte: autoria própria SUB-BACIA 11 Subclasse Área (m²) Porcentagem Pastagem 46338,80 0,66 Agua 104523,33 1,49 Área degradada 77215,61 1,10 Área Florestal 3838295,57 54,65 Aglomerados Rurais 239682,27 3,41 Cultura temporária 2169977,60 30,89 Silvicultura 547783,33 7,80 Área Total 7023816,52 Janeiro de 2012 Agosto de 2012 Albedo 0,16 0,13 Temperatura (°C) 22,04 23,53 61 Figura 25. Sub-bacia 6. (A). Temperatura em Janeiro de 2012; (B) Temperatura em Agosto de 2012; (C) Albedo em Janeiro de 2012; (D)Albedo em Agosto de 2012; (E) Uso do Solo e Cobertura Vegetal Fonte: autoria própria 62 Figura 26. Sub-bacia 11. (A). Temperatura em 02 Janeiro de 2012; (B) Temperatura em 12 de Agosto de 2012; (C) Albedo em 16 de Janeiro de 2012; (D)Albedo em 28 de Agosto de 2012; (E) Uso do Solo e Cobertura Vegetal Fonte: autoria própria 63 6. CONCLUSÕES As mudanças ocasionadas pelo uso e ocupação se refletem nas alterações climáticas. Ao modificar a superfície há mudança no albedo e, consequentemente, na reflectância, o que altera o balanço de radiação e, assim, a Temperatura de superfície. (Ts). Observa-se no mapeamento de Temperatura de superfície e Albedo que os valores aumentam do centro para o norte, na área delimitada pela mancha urbana. Esse comportamento era esperado, dado que as superfícies urbanas absorvem mais radiação, principalmente pela presença de asfalto e telhado. A região central da bacia é caracterizada pela concentração de atividades agrícola temporárias e silvicultura, práticas que degradam o solo e durante um período do ano deixam o solo exposto, estas superfícies absorvem mais a radiação eletromagnética que as com cobertura arbórea ou corpos hídricos. Já a região da montante apresenta sua área coberta por matas e com uma menor área de interferência antrópica, disto se dá os valores menores de Temperatura de superfície e albedo encontrados. Embora exista o efeito da reflectância sobre a temperatura, denominado retroalimentação albedo-temperatura, ele é mais intenso nas regiões mais frias e brancas da Terra ou nos trópicos. Assim sendo, na área de análise não é possível relacionar o aumento da temperatura ao aumento do albedo. A diferença da Temperatura de superfície e do albedo entre os diferentes usos de solos está ligada à estrutura e/ou falta da vegetação e à disponibilidade hídrica da superfície (CHRISTEN; VOGT, 2004), como pode ser visto comparando os mapeamentos de Temperatura de superfície e As e o mapa de Uso do Solo e Cobertura Vegetal; para todos os anos de análise, quanto maior a interferência antrópica maiores os valores de Temperatura de superfície e do albedo. O uso do sensoriamento remoto se mostrou eficiente tanto para o processamento e obtenção de dados sobre a superfície terrestre, bem como na análise integrada dos resultados, no qual foi possível observar o comportamento espectral dos alvos com os dados registrados em superfície, apesar das limitações do MODIS em razão da sua resolução espacial. Mesmo assim, o mesmo tem se mostrado como uma importante ferramenta para a tomada de decisão no ambiente de planejamento de bacias hidrográficas, principalmente, por conta de sua capacidade multitemporal em análise espaciais. Os resultados indicaram uma redução Ts entre Janeiro e Agosto, bem como a redução do albedo para o mesmo período podem estar associados com a sazonalidade climática da área de estudo. Em paralelo é observado deste estudo, a relação da variação da Temperatura de superfície e do albedo com os diferentes tipos de cobertura do solo 64 Espera-se que mapeamento da Ts e do albedo realizados nesta pesquisa possam ainda contribuir com os estudos de identificação de áreas em processos de perda de biomassa vegetal, além de contribuir com a gestão da área a partir da produção dos mapas e de um banco de dados georreferenciados da área de estudo. 65 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ACKER, J.G.; LEPTOUKH, G. Online analysis enhances use of NASA Earth Science Data. Eos, Transactions, American Geophysical Union. v. 88, n. 2, p. 14 - 17, 2007 ANDERSON, L.O. Classificação da cobertura vegetal e detecção de mudanças devido a causas antrópicas e naturais no Estado do Mato Grosso utilizando dados do sensor MODIS. Proposta de dissertação (Mestrado em Sensoriamento Remoto), São José dos Campos: INPE, 2003. ALVES, L.M.; MARENGO, J.A.; CASTRO, C.A.C. Início das chuvas na região Sudeste do Brasil: análise climatológica. In: Congresso Brasileiro De Meteorologia, 12, SBMet, Foz do Iguaçu, 2002 ALVES, L.M.; MARENGO, J.A.; CAMARGO JÚNIOR, H.; CASTRO, C. Início da estação chuvosa na região Sudeste do Brasil: Parte 1 – Estudos observacionais. Revista Brasileira de Meteorologia, v.20, n.