Validation of the Deardorff model for estimating energy balance components for a sugarcane crop

ABSTRACT

The quantification of the available energy in the environment is important because it determines photosynthesis, evapotranspiration and, therefore, the final yield of crops. Instruments for measuring the energy balance are costly and indirect estimation alternatives are desirable. This study assessed the Deardorff's model performance during a cycle of a sugarcane crop in Piracicaba, State of São Paulo, Brazil, in comparison to the aerodynamic method. This mechanistic model simulates the energy fluxes (sensible, latent heat and net radiation) at three levels (atmosphere, canopy and soil) using only air temperature, relative humidity and wind speed measured at a reference level above the canopy, crop leaf area index, and some pre-calibrated parameters (canopy albedo, soil emissivity, atmospheric transmissivity and hydrological characteristics of the soil). The analysis was made for different time scales, insolation conditions and seasons (spring, summer and autumn). Analyzing all data of 15 minute intervals, the model presented good performance for net radiation simulation in different insolations and seasons. The latent heat flux in the atmosphere and the sensible heat flux in the atmosphere did not present differences in comparison to data from the aerodynamic method during the autumn. The sensible heat flux in the soil was poorly simulated by the model due to the poor performance of the soil water balance method. The Deardorff's model improved in general the flux simulations in comparison to the aerodynamic method when more insolation was available in the environment.

RESUMO

A quantificação da energia disponível no ambiente é importante porque ela afeta a fotossíntese, a evapotranspiração e conseqüentemente a produtividade final dos cultivos. Instrumentos para medidas de balanço de energia são caros e alternativas para estimações são desejáveis. O presente trabalho procura avaliar a performance do modelo de Deardorff (1978) ao longo do desenvolvimento de uma cultura de cana-de-açúcar em Piracicaba, SP, Brasil, em comparação ao método aerodinâmico. Este modelo mecanístico simula os fluxos energéticos (calor sensível, latente e saldo de radiação) em três níveis a atmosfera, o dossel vegetativo e o solo, usando somente a temperatura do ar, umidade relativa e velocidade do vento medidos num nível de referência acima do dossel, o índice de área foliar e alguns parâmetros previamente calibrados (albedo do dossel, emissividade do solo e a transmissividade atmosférica e características hidrológicas do solo). As análises dos resultados foram feitas em diversas escalas de tempo, condições de insolação, nas diferentes estações do ano (primavera, verão, outono). Analisando todos os dados de 15 minutos, o modelo apresentou boa performance na simulação de radiação líquida em diferentes condições de insolação e estações do ano. O fluxo de calor latente e o fluxo de calor sensível na atmosfera não apresentaram diferenças em comparação ao método aerodinâmico no outono. O calor sensível no solo foi pobremente simulado pelo modelo devido à baixa capacidade de estimação do balanço hídrico do solo. Geralmente as estimações pelo modelo de Deardorff foram melhoradas quando mais insolação era disponível no ambiente.