Estimación multifuente de la evapotranspiración en medios semiáridos mediante teledetecciónEvaluación de modelos directos y residuales

Resumen

Dada la importancia cuantitativa y funcional de la evapotranspiración (E) en zonas semiáridas, su estimación regional es crucial para la gestión hídrica de estas areas, así como para la compresión de la mayor parte de procesos biológicos asociados, en estos ambientes, a la disponibilidad hídrica (Noy-Meir 1973). Sin embargo, el desarrollo de modelos para la estimación regional de la evapotranspiración basados en datos de teledetección, es aún escaso en zonas semiáridas. En esta Tesis evaluamos la aproximación metodológica óptima para la cuantificación regional de la evapotranspiración en ecosistemas semiáridos. Para ello aplicamos y reformulamos tres modelos multifuente: elegidos por presentar gran potencial en este tipo de condiciones, un modelo residual (Two-source Model, TSM) y dos modelos directos (Penman-Monteith-Leuning Model, PML y Pristley Taylor-Jet Propulsion Laboratory Model, PT-JPL). La exactitud de dichos modelos fue evaluada por comparación con medidas in-situ de E tomadas con el sistema Eddy Covariance en varias áreas semiáridas de vegetación dispersa del sureste español y el norte de África. En el Capitulo 1 se evaluó la eficacia de un modelo residual (TSM) (Norman et al. 1995), basado en la obtención de E como un residuo de la ecuación del balance energético en superficie mediante la estimación directa de las restantes variables de la ecuación: la radiación neta (Rn), el calor de flujo al suelo (G) y el calor sensible (H). Nuestros resultados mostraron que el TSM no fue capaz de ofrecer estimas con errores aceptables de la evapotranspiración a escala instantánea de 15 minutos en condiciones naturales semiáridas. Sin embargo, sí fue capaz de estimar el calor sensible y la radiación neta con un grado de exactitud aceptable demostrando así la efectividad del proceso iterativo incluido en su formulación. Así mismo, la comparación de las dos formulaciones posibles del TSM, con las resistencias en serie (TSMS) o en paralelo (TSMP), demostró que ambas ofrecen resultados similares aunque el TSMP redujo los porcentajes de error promedio de H y E, mientras que el TSMS permitió una mejor partición de los flujos entre suelo y vegetación en las condiciones estudiadas. En el Capitulo 2 realizamos una evaluación detallada de los principales factores que afectan a la eficacia de un modelo residual (TSM) para ofrecer estimas instantáneas en condiciones semiáridas naturales y evaluamos la capacidad de este tipo de modelos para obtener valores diurnos de evapotranspiración y calor sensible mediante métodos de extrapolación temporal. Se encontró que la exactitud del TSM presenta una variación diurna de su eficacia viéndose afectada tanto por la elevación solar como por la hora del día. Siendo, condiciones de elevación solar mayor a 25º y horas del día comprendidas entre las 10:00 y las 15:00 (ambos factores incluidos), las condiciones diurnas óptimas para su aplicación. Las condiciones meteorológicas que mas afectaron a la exactitud del modelo en zonas semiáridas naturales fueron el gradiente de temperatura entre la superficie y el aire (TR-Ta) y la velocidad del viento (WS), con mejores resultados cuando ambos fueron altos. La nubosidad o las condiciones de vegetación senescente, no redujeron la eficacia del modelo en las condiciones semiáridas naturales estudiadas contrariamente a resultados previos del TSM en áreas sin limitaciones hídricas. El mejor método para obtener valores diurnos de calor sensible y evapotranspiración mediante el TSM fue el de promediar las estimas instantáneas obtenidas a lo largo de todo el periodo diurno (Averaging method). Este método fue más eficaz que asumir que el valor estimado de la fracción evaporativa al medio día se mantiene constante a lo largo del periodo diurno (NEF o EF method). Así mismo el TSMP se demostró mas efectivo para la estimación de los valores diurnos de calor sensible y evapotranspiración. En el Capitulo 3 evaluamos la eficacia de un modelo directo (PML) (Leuning et al. 2008) para estimar valores diarios de E en áreas naturales semiáridas mediante la reformulación del parámetro f, que controla la evaporación del suelo, como una variable temporal dependiente de los cambios en la humedad del suelo. De los tres métodos evaluados para estimar f, el mejor fue el método fdrying que emplea la relación entre la precipitación y la evaporación potencial del suelo acumuladas durante los 16 días previos a un evento de lluvia e incluye un factor para la simulación del secado del suelo posterior a la lluvia. Aplicando éste método el empleo del PML precisa de la calibración local de dos parámetros: la conductancia máxima de las hojas (gsx) y la velocidad de secado del suelo (¿). Dicha reformulación permitió obtener estimas de la evapotranspiración diaria con un grado de exactitud razonable (30-35%) en condiciones semiáridas logrando reproducir el comportamiento pulsátil típico de la evaporación del suelo en zonas semiáridas de vegetación dispersa, mejorando así la eficacia de la formulación original del modelo PML en áreas semiáridas naturales. En el Capitulo 4 se adaptó y probó un modelo directo (PT-JPL) (Fisher et al. 2008) para estimar E a escala diaria en vez de mensual reformulando el parámetro biofísico que controla la evaporación del suelo basado exclusivamente en datos remotos de temperatura superficial y albedo. Nuestra adaptación del modelo, que estima la evaporación del suelo en función de los cambios en la humedad del suelo representados mediante la inercia térmica (fSM-ATI) empleando datos de temperatura superficial y albedo, presentó mejores resultados en un área de sabana en el Sahel que en un espartal mediterráneo. Aún así, en dicho espartal mediterráneo el modelo PT-JPL ofreció mejores estimas diarias de E que los modelos PML y TSM. Además encontramos que en el área de sabana del Sahel, el empleo de datos de temperatura y albedo ofrecidos por el sensor remoto MSG-SEVIRI ofreció resultados similares al empleo de mediciones in-situ de dichas variables, aunque en el espartal mediterráneo los resultados empeoraron al emplear datos remotos. De este modo, la adaptación propuesta del modelo PT-JPL, permite obtener resultados similares a los obtenidos en áreas semiáridas naturales mediante otros modelos más complejos que requieren un mayor número de datos de medición local o parámetros calibrados experimentalmente. En conjunto, los resultados de esta tesis evidencian la mayor idoneidad de los modelos directos para la estimación regional de E en áreas semiáridas de vegetación dispersa frente a los modelos residuales. Además dentro de los modelos directos, la adaptación propuesta del modelo PT-JPL se presenta como la mejor opción para estimar E de forma regional en estos ambientes, tanto por su sencillez, como por su aplicabilidad regional, gracias al empleo de la inercia térmica (fSM-ATI), mediante datos remotos de albedo y temperatura superficial.