Improvement of reference crop evapotranspiration estimates using limited data for the Brazilian Cerrado

Evapotranspiration (ET) is a key component of the hydrological cycle. Therefore, adequately estimating it is crucial to improving water resource planning and management.One of the most affordable methods of estimating ET is first to estimate reference crop evapotranspiration (ETo) and later associate it to crop and soil coefficients. The FAO Kc-ETo approach can be used only when ETo is computed with the FAO Penman-Monteith equation. However, low data availability may restict the equations used to estimate ETo. In this study, we assess and calibrate common methods used to estimate ETo under such conditions of limited data availability. Based on the annual calibration, the Makkink (NSE = 0.85) outperformed the Priestley-Taylor (NSE = 0.73), Hargreaves-Samani (NSE = 0.56), and Penman-Monteith temperature approach (NSE = 0.58). The seasonal calibration of parameters showed no significant improvement to the methods assessed (ΔNSE ≤ 0.01), except for the Priestley-Taylor (ΔNSE = 0.06). The performance of temperature-based equations was particularly limited due to the performance of the equation adopted to estimate global solar radiation. Thus, improving the representation of global solar radiation for limited data availability can also play a key role in improving ETo prediction.(AU)

Comparação entre métodos de estimativa de evapotranspiração de referência no município de São José dos Ausentes (RS), Brasil / Comparison between methods of estimation of reference evapotranspiration in the municipality of São José dos Ausentes (RS), Brazil

RESUMO A evapotranspiração de referência é uma componente muito importante do balanço hídrico e sua estimativa é essencial para execução de projetos agrícolas e ambientais, estudos de balanço hídrico, projetos e manejo de irrigação, modelagem de processos climatológicos e planejamento do gerenciamento dos recursos hídricos. O método de Penman-Monteith é considerado pela Food and Agriculture Organization of the United Nations como padrão para estimar a evapotranspiração de referência, contudo, dada a dificuldade de se obter um número grande de variáveis meteorológicas que são empregadas nesse método, tem-se utilizado vários outros métodos para estimar a evapotranspiração de referência. O presente trabalho teve como objetivo comparar, por meio de valores diários e mensais estimados pelo método de Penman-Monteith, o desempenho dos métodos de Thornthwaite, Hargraves-Samani, Makkink, Blaney-Criddle, Camargo e Jensen-Haise para o município de São José dos Ausentes, no Rio Grande do Sul. Os dados utilizados para estimar a evapotranspiração de referência foram obtidos pelo sistema Agritempo, que armazena e disponibiliza os dados da estação meteorológica automática do Instituto Nacional de Meteorologia. Os resultados apontam que o método de Blaney-Criddle foi o que apresentou os melhores resultados nas escalas tanto diária quanto mensal, seguido pelo método de Jensen-Haise, na escala mensal. Já os métodos que apresentaram os piores desempenhos foram o de Thorntwaite e Camargo, sendo classificados com desempenho "sofrível" na escala mensal e como "péssimo" e "mau", respectivamente, na escala diária.

ABSTRACT Reference evapotranspiration is a very important component of the water balance and its estimation is essential for the execution of agricultural and environmental projects, for studies of water balance, irrigation projects and management, modeling of climatological processes and planning of water resources management. The Penman-Monteith method is considered by the Food and Agriculture Organization of the United Nations as a standard for estimating reference evapotranspiration; however, due to the difficulty of obtaining a large number of meteorological variables that are employed in this method, several other methods have been used to estimate the reference evapotranspiration. The present coursework had the objective to compare the performance of the Thornthwaite, Hargraves-Samani, Makkink, Blaney-Criddle, Camargo, and Jensen-Haise methods for the municipality of São José dos Ausentes, using daily and monthly values estimated by the Penman-Monteith method. The data used to estimate the reference evapotranspiration were obtained through the Agritempo system, which stores and makes available the data of the automatic meteorological station of the National Meteorological Institute. The results show that the Blaney-Criddle method presented the best results, both daily and monthly, followed by the Jensen-Haise method in the monthly scale. On the other hand, the methods that presented the worst performances were those of Thorntwaite and Camargo, classified as "poor" on the monthly scale, and as "terrible" and "bad", respectively, on the daily one.

The impact of livestock grazing on the evapotranspiration-vegetation biomass relationship in a Southern Hemisphere salt marsh, Buenos Aires (Argentina).

Among the ecosystem services provided by salt marshes is the use of their natural vegetation as pastures for livestock production. As a result, the prediction of biomass productivity can be of great interest for the sustainable management of these environments. Evapotranspiration is one of the variables most used to estimate the yield of green biomass in pastures and crops, which to date has not been examined for natural environments such as salt marshes. We studied the aboveground biomass and species cover variability for two categories (erect and sward plants) in three plots affected by low, moderate, and high cattle grazing. Erect biomass was associated only with Spartina densiflora while for sward plants it gathered a diverse set of prostrate and stoloniferous species with high seasonal turnover. The evapotranspiration was estimated with a coupled surface resistance-Penman-Monteith model developed for these environments. The biomass of the plant categories shows different growth response according to livestock impact. S. densiflora has a slow-growing response after cattle consumption, even with high evapotranspiration. On the other hand, sward plants respond with biomass overproduction to livestock consumption, and a significantly positive relationship to evapotranspiration rate.

Evapotranspiration of the Vetiver and Tifton 85 grasses grown in horizontal subsurface flow constructed wetlands.

Estimation of the Crop Evapotranspiration (ETC) in Horizontal Subsurface Flow Constructed Wetlands (HSSF-CWs) is of great importance for hydrological modeling of these systems. The objective of this work was to obtain the Crop Coefficient (KC) values of Vetiver (Chrysopogon zizanioides) and Tifton 85 (Cynodon spp.) grasses when grown in HSSF-CWs whose porous medium was saturated with solutions containing different nutrients concentrations. The water balance was performed every day in order to determine the KC of the grasses. It was verified that the KC values of the Vetiver grass were independent of the nutrient availability, expressed in terms of Electrical Conductivity (EC) of the nutrient solution. The KC value in the initial growth phase (Phase I) was 0.99, independent of the seasons. In Phase II, the KC were 0.95 and 1.36 for autumn and spring, respectively, and for Phase III were 1.12 in autumn and 1.60 in spring. In relation to the Tifton 85 grass, the KC values showed a quadratic behavior as a function of the EC, where the KC estimation models were obtained by the cluster analysis in Phase II and III. For Phase I, the KC value was 1.17, independent of the EC and the time of year.

Water requirements of sugar cane grown in tropical environment / Necessidades hídricas da cana-de-açúcar cultivada em clima tropical

An accurate estimation of water consumption of cane sugar crop is important for maximum productivity with less investment. The objective of this study was to determine the water requirements of sugar cane grown in tropical environments. The field experiment was carried out in Paraiba state, during the productive cycle of sugar cane crop variety RB 92 579 irrigated by central pivot irrigation (sprinkler) from October 2009 to September 2011. The crop evapotranspiration was obtained based on soil water balance and reference evapotranspiration by Penman-Monteith method (FAO/56), using the data of air temperature, relative humidity, wind speed and solar radiation from Data Collection Platform, next to the experimental site. Soil water moisture was monitored by TDR probes (Frequency Domain Reflectometry), Model PR2/6, Delta-T. The results showed that the crop coefficients values proposed by the FAO for sugar cane are not suitable for tropical regions. The water consumption of sugar cane ranged from 2.6 mm day-1, at initial crop growth stage, to 6.38 mm day-1, with an average of 4.3 mm day-1 for all cycle. Similarly, the crop coefficient ranged from 0.56 to 1.43, with an average of 0.99 for the same development crop growth stages.(AU)

A estimativa precisa do consumo hídrico da cana-de-açucar é importante para obtenção da máxima produtividade com menos investimentos. O objetivo do trabalho foi determinar as necessidades hídricas da cana-de-açúcar cultivada em clima tropical. O experimento foi realizado no Estado da Paraíba, durante o ciclo produtivo da cultura da cana-de-açucar variedade RB 92 579 irrigada por pivô central, no período de outubro de 2009 a setembro de 2011. A evapotranspiração da cultura (ETc) foi obtido pelo método do balanço hídrico (BH) e a evapotranspiração de referência (ETo) pelo método de Penman- Monteith, utilizando-se os dados de temperatura do ar, umidade relativa, velocidade do vento e radiação solar coletados na Plataforma de Coleta de Dados próxima à area experimental. A umidade do solo foi monitorada utilizando-se sondas TDR (Frequency Domain Reflectometry), modelo PR2/6, Delta-T. Os resultados permitiram constatar que os valores dos coeficientes de cultivo (Kc) propostos pela FAO para a cultura da cana-de-açúcar não são apropriados para regiões tropicais. O consumo hídrico da cultura variou entre 2,6 mm dia-1, na fase inicial, a 6,38 mm dia-1, na fase intermediária, com média de 4,3 mm dia-1. Similarmente, o coeficiente da cultura variou entre 0,56 e 1,43, com média igual a 0,99, respectivamente, nos mesmos estádios fenológicos da cultura.(AU)

Water requirements of sugar cane grown in tropical environment / Necessidades hídricas da cana-de-açúcar cultivada em clima tropical

An accurate estimation of water consumption of cane sugar crop is important for maximum productivity with less investment. The objective of this study was to determine the water requirements of sugar cane grown in tropical environments. The field experiment was carried out in Paraiba state, during the productive cycle of sugar cane crop variety RB 92 579 irrigated by central pivot irrigation (sprinkler) from October 2009 to September 2011. The crop evapotranspiration was obtained based on soil water balance and reference evapotranspiration by Penman-Monteith method (FAO/56), using the data of air temperature, relative humidity, wind speed and solar radiation from Data Collection Platform, next to the experimental site. Soil water moisture was monitored by TDR probes (Frequency Domain Reflectometry), Model PR2/6, Delta-T. The results showed that the crop coefficients values proposed by the FAO for sugar cane are not suitable for tropical regions. The water consumption of sugar cane ranged from 2.6 mm day-1, at initial crop growth stage, to 6.38 mm day-1, with an average of 4.3 mm day-1 for all cycle. Similarly, the crop coefficient ranged from 0.56 to 1.43, with an average of 0.99 for the same development crop growth stages.

A estimativa precisa do consumo hídrico da cana-de-açucar é importante para obtenção da máxima produtividade com menos investimentos. O objetivo do trabalho foi determinar as necessidades hídricas da cana-de-açúcar cultivada em clima tropical. O experimento foi realizado no Estado da Paraíba, durante o ciclo produtivo da cultura da cana-de-açucar variedade RB 92 579 irrigada por pivô central, no período de outubro de 2009 a setembro de 2011. A evapotranspiração da cultura (ETc) foi obtido pelo método do balanço hídrico (BH) e a evapotranspiração de referência (ETo) pelo método de Penman- Monteith, utilizando-se os dados de temperatura do ar, umidade relativa, velocidade do vento e radiação solar coletados na Plataforma de Coleta de Dados próxima à area experimental. A umidade do solo foi monitorada utilizando-se sondas TDR (Frequency Domain Reflectometry), modelo PR2/6, Delta-T. Os resultados permitiram constatar que os valores dos coeficientes de cultivo (Kc) propostos pela FAO para a cultura da cana-de-açúcar não são apropriados para regiões tropicais. O consumo hídrico da cultura variou entre 2,6 mm dia-1, na fase inicial, a 6,38 mm dia-1, na fase intermediária, com média de 4,3 mm dia-1. Similarmente, o coeficiente da cultura variou entre 0,56 e 1,43, com média igual a 0,99, respectivamente, nos mesmos estádios fenológicos da cultura.

Desempenho de diferentes métodos de estimativa da evapotranspiração de referência diária em Uberlândia, MG / Performance of different methods of estimating the daily reference evapotranspiration in Uberlandia, MG

Muitas são as metodologias de estimativas da evapotranspiração de referência e o seu conhecimento é base fundamental para dimensionar e manejar adequadamente a irrigação. Neste trabalho foram avaliados alguns métodos de estimativa da evapotranspiração de referência para as condições climáticas de Uberlândia. Os métodos avaliados foram os de Thornthwaite, Camargo, Hargreaves-Samani, Priestley-Taylor e do Tanque Classe A. As evapotranspirações diárias estimadas por esses métodos foram correlacionadas com as obtidas pelo método padrão (Penman-Monteith FAO-56) por meio de índices estatísticos. O método de Priestley-Taylor apresentou ótimo desempenho enquanto que Thornthwaite e Hargreaves-Samani apresentaram bom desempenho. O método de Camargo obteve desempenho apenas regular enquanto que o do Tanque Classe A apresentou péssimo desempenho. Os métodos de Thornthwaite e Hargreaves-Samani apresentam-se como uma alternativa para se estimar a evapotranspiração de referência quando se dispõe apenas dos dados de temperatura do ar.

Many are the methods to estimate the reference evapotranspiration (ETo) and your knowledge is essentially to plan and to manage irrigation correctly. This present work evaluated some ETo methods under climate conditions of Uberlandia, Minas Gerais State, Brazil. The methods tested were: Thornthwaite, Camargo, Hargreaves- Samani, Priestley-Taylor and Class A Pan evaporation. The daily ETo estimated by these methods were correlated with by the standard method (Penman-Monteith FAO-56) through statistical indexes. The method of Priestley-Taylor showed good performance, while Hargreaves-Samani and Thornthwaite were considered as good performance. The Camargo method had regular performance whereas Class A pan showed poor performance. The methods of Thornthwaite and Hargreaves- Samani are alternatives to estimate ETo especially when only the temperature data are available

Methods of estimation of reference crop evapotranspiration for the conditions of northeastern semi-arid, Brazil / Métodos de estimativa da evapotranspiração de referência para as condições do semi árido Nordestino

The objective of this work was to evaluate methods of estimation of reference crop evapotranspiration (ETo) in conditions of low and high air relative humidity, using the Penman Monteith-FAO 56 method as reference. Data from the period between January 2002 and June 2008 were obtained from a conventional meteorological station at Semiarid Federal Rural University, in Mossoró, RN, Brazil. Evaluation of methods was made by means of the precision index r, accuracy d, and of confidence or performance c. Methods Kimberly-Penman 1982, Kimberly-Penman 1972, Benevides-Lopez 1970 and Hargreaves-Samani 1985 obtained an important improvement in their performance when high air relative humidity conditions were considered (UR > 70%), compared to low air relative humidity conditions (UR 70%). Equations of Makkink 1957 and Hamon 1961 underestimated ETo in both periods, and the method Penman modified-FAO24 showed tendency to overestimate the reference method. Methods Penman 1948, FAO24-Radiation, FAO24-Blaney-Criddle and Frere-Popov presented the higher performance among the evaluated methods.

O objetivo deste trabalho foi avaliar métodos de estimativa da evapotranspiração de referência (ETo) em condições de baixa e elevada umidade relativa usando o método de Penman Monteith-FAO 56 como referência. Foram utilizados dados de uma estação meteorológica convencional pertencente à Universidade Federal Rural do Semiárido, em Mossoró-RN referentes ao período de janeiro de 2002 a junho de 2008. A avaliação do desempenho foi realizada por meio do índice de precisão r, um índice de exatidão d, e de confiança ou desempenho c. Os métodos Kimberly-Penman 1982, Kimberly-Penman 1972, Benevides-Lopez 1970 e Hargreaves-Samani 1985 tiveram um aumento substancial nos seus desempenhos quando utilizados em condições de elevada umidade (UR > 70%), em comparação com as condições de baixa umidade (UR 70%). As equações de Makkink 1957 e Hamon 1961 subestimaram a ETo em ambos os períodos e o método Penman modificado-FAO24 tendeu a superestimar o método padrão. Os métodos Penman 1948, FAO24-Radiação, FAO24-Blaney-Criddle e Frere-Popov apresentaram melhor desempenho entre os avaliados.

Methods of estimation of reference crop evapotranspiration for the conditions of northeastern semi-arid, Brazil / Métodos de estimativa da evapotranspiração de referência para as condições do semi árido Nordestino

The objective of this work was to evaluate methods of estimation of reference crop evapotranspiration (ETo) in conditions of low and high air relative humidity, using the Penman Monteith-FAO 56 method as reference. Data from the period between January 2002 and June 2008 were obtained from a conventional meteorological station at Semiarid Federal Rural University, in Mossoró, RN, Brazil. Evaluation of methods was made by means of the precision index r, accuracy d, and of confidence or performance c. Methods Kimberly-Penman 1982, Kimberly-Penman 1972, Benevides-Lopez 1970 and Hargreaves-Samani 1985 obtained an important improvement in their performance when high air relative humidity conditions were considered (UR > 70%), compared to low air relative humidity conditions (UR 70%). Equations of Makkink 1957 and Hamon 1961 underestimated ETo in both periods, and the method Penman modified-FAO24 showed tendency to overestimate the reference method. Methods Penman 1948, FAO24-Radiation, FAO24-Blaney-Criddle and Frere-Popov presented the higher performance among the evaluated methods.

 O objetivo deste trabalho foi avaliar métodos de estimativa da evapotranspiração de referência (ETo) em condições de baixa e elevada umidade relativa usando o método de Penman Monteith-FAO 56 como referência. Foram utilizados dados de uma estação meteorológica convencional pertencente à Universidade Federal Rural do Semiárido, em Mossoró-RN referentes ao período de janeiro de 2002 a junho de 2008. A avaliação do desempenho foi realizada por meio do índice de precisão r, um índice de exatidão d, e de confiança ou desempenho c. Os métodos Kimberly-Penman 1982, Kimberly-Penman 1972, Benevides-Lopez 1970 e Hargreaves-Samani 1985 tiveram um aumento substancial nos seus desempenhos quando utilizados em condições de elevada umidade (UR > 70%), em comparação com as condições de baixa umidade (UR 70%). As equações de Makkink 1957 e Hamon 1961 subestimaram a ETo em ambos os períodos e o método Penman modificado-FAO24 tendeu a superestimar o método padrão. Os métodos Penman 1948, FAO24-Radiação, FAO24-Blaney-Criddle e Frere-Popov apresentaram melhor desempenho entre os avaliados.

Reference evapotranspiration based on class A pan evaporation

Estimating reference evapotranspiration (ETo) based on Class A pan evaporation (ECA) is very usual in irrigated areas. For this purpose the ECA values are multiplied by a pan coefficient (Kp) to obtain ETo. Kp values can be estimated in different ways being, however, important to know which method would estimate the best value for a given locality. In the present work estimated values of ETo based on Class A pan evaporation, using Kp values determined by different methods, were compared to Penman-Monteith-FAO (EToPM) values for the northwest region of the São Paulo State, Brazil. The annual average Kp, determined dividing EToPM by ECA, was 0.74. For the rainy months (December to March) the average Kp value was 0.80 and for the dry months (April to November) 0.70. The reference evapotranspiration estimated using Kp determined by the Snyder equation presented the best regression coefficients when compared to EToPM.

A estimativa da evapotranspiração de referência (ETo) com base na evaporação do tanque Classe A (ECA) é bastante comum em áreas irrigadas. Para isso multiplica-se o valor de ECA por um coeficiente do tanque (Kp) determinando-se, assim, o valor de ETo. O valor de Kp pode ser determinado de diferentes formas, necessitando-se, contudo, averiguar-se qual a metodologia que propicia a melhor estimativa de ETo a partir de valores de ECA, no local desejado. No presente trabalho foram estimados os valores da evapotranspiração de referência (ETo) para as condições da região noroeste do Estado de São Paulo, a partir de dados do tanque Classe A (ECA), utilizando-se diferentes métodos de determinação do coeficiente do tanque (Kp). Esses valores de ETo foram comparados com os obtidos empregando-se o modelo de Penman-Monteith conforme a parametrização da FAO (EToPM). O valor médio anual de Kp, determinado a partir da relação entre EToPM e ECA, foi de 0,74. No período chuvoso (dezembro a março) o Kp médio foi de, aproximadamente, 0,80 e no período seco (abril a novembro) foi de 0,70. A estimativa da ETo através do tanque Classe A, empregando-se o modelo de Snyder para determinação de Kp, foi a que proporcionou os maiores coeficientes de determinação e de confiança em relação a EToPM.

Reference evapotranspiration based on class A pan evaporation

Estimating reference evapotranspiration (ETo) based on Class A pan evaporation (ECA) is very usual in irrigated areas. For this purpose the ECA values are multiplied by a pan coefficient (Kp) to obtain ETo. Kp values can be estimated in different ways being, however, important to know which method would estimate the best value for a given locality. In the present work estimated values of ETo based on Class A pan evaporation, using Kp values determined by different methods, were compared to Penman-Monteith-FAO (EToPM) values for the northwest region of the São Paulo State, Brazil. The annual average Kp, determined dividing EToPM by ECA, was 0.74. For the rainy months (December to March) the average Kp value was 0.80 and for the dry months (April to November) 0.70. The reference evapotranspiration estimated using Kp determined by the Snyder equation presented the best regression coefficients when compared to EToPM.

A estimativa da evapotranspiração de referência (ETo) com base na evaporação do tanque Classe A (ECA) é bastante comum em áreas irrigadas. Para isso multiplica-se o valor de ECA por um coeficiente do tanque (Kp) determinando-se, assim, o valor de ETo. O valor de Kp pode ser determinado de diferentes formas, necessitando-se, contudo, averiguar-se qual a metodologia que propicia a melhor estimativa de ETo a partir de valores de ECA, no local desejado. No presente trabalho foram estimados os valores da evapotranspiração de referência (ETo) para as condições da região noroeste do Estado de São Paulo, a partir de dados do tanque Classe A (ECA), utilizando-se diferentes métodos de determinação do coeficiente do tanque (Kp). Esses valores de ETo foram comparados com os obtidos empregando-se o modelo de Penman-Monteith conforme a parametrização da FAO (EToPM). O valor médio anual de Kp, determinado a partir da relação entre EToPM e ECA, foi de 0,74. No período chuvoso (dezembro a março) o Kp médio foi de, aproximadamente, 0,80 e no período seco (abril a novembro) foi de 0,70. A estimativa da ETo através do tanque Classe A, empregando-se o modelo de Snyder para determinação de Kp, foi a que proporcionou os maiores coeficientes de determinação e de confiança em relação a EToPM.