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Publicação
Changes in the surface energy balance over areas affected by wildfires: a diagnostic study in Continental Portugal
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Resumo(s)
The Mediterranean region is recurrently affected by large wildfire events. Because of climate change associated to anthropogenic factors, wildfire events have become more frequent and have been affecting larger areas, and it is likely that the problem will become even more serious in the near future. It is therefore important to better understand the impacts of large wildfire events both on surface parameters and surface energy balance. Downward surface shortwave and longwave fluxes (DSSF, DSLF), surface albedo (AL), surface emissivity (EM) and land surface temperature (LST) are retrieved from the Satellite Application Facility on Land Surface Analysis (LSA-SAF). Besides analysing each parameter, this work uses this information to study longwave and shortwave radiation (LW, SW) balances and the surface net radiation. Based on the analysis of 5 different areas affected by wildfires in 2020, it can be inferred that, as seen in previous studies, DSSF and DSLF do not show significant changes after the fire, AL and EM show a decrease, especially for the larger burned areas, and LST presents an increase between 1.5℃ and 10℃ after the fires. This increase in LST is the main cause for the increased differences, between averaged values for burned (BB) and unburned (UB) pixels, in the LW balances that lead to changes in net radiation. The LSA-SAF also disseminates data computed using a surface balance model (SEB), namely evapotranspiration (EVAP), sensible and latent heat fluxes (H, LE), and skin temperature (TSK). A comparison between TSK and LST shows that the model is not well representing the surface behaviour. Moreover, a comparison of the net radiation results obtained with the SEB model with the ones obtained through remotely sensed data indicates that LE and H are not enough to characterize the net radiation and therefore the ground heat flux (G) cannot be neglected.
A região mediterrânica é recorrentemente afetada por grandes incêndios florestais. As alterações climáticas associadas a fatores antropogénicos, têm vindo a tornar episódios de fogo mais frequentes e a afetar maiores áreas. Torna-se, assim, cada vez mais premente entender os impactos dos grandes incêndios florestais, especialmente sobre os parâmetros de superfície e sobro o balanço de energia. O presente trabalho utiliza dados, obtidos através de deteção remota por satélite, disseminados pela Satellite Application Facility on Land Surface Analysis (LSA-SAF). Os dados baseiam-se em observações efetuadas pelo Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager (SEVIRI), o radiómetro a bordo dos satélites da série Meteosat Second Generation (MSG). Os dados de satélite disseminados e analisados neste trabalho consistem nos fluxos radiativos à superfície de ondas curtas e longas (downward surface shortwave and longwave fluxes – DSSF, DSLF), no albedo (AL), na emissividade (EM) e na temperatura de superfície do solo (land surface temperature – LST). Estes dados permitem estudar as alterações nos balanços radiativos de ondas curtas (shortwave radiation – SW) e longas (longwave radiation – LW) e no balanço radiativo (resultante da combinação dos dois primeiros balanços) e avaliar o impacto dos incêndios nas propriedades da superfície e no balanço energético. Neste trabalho foram analisadas cinco áreas afetadas por incêndios em 2020, quatro das quais em Portugal e uma em Espanha. Para além dos dados de satélite, a LSA-SAF também dissemina dados obtidos através de um modelo de balanço de energia à superfície (surface energy balance - SEB), nomeadamente a evapotranspiração (EVAP), os fluxos de calor sensível e latente (sensible and latent heat fluxes – H, LE) e a temperatura da pele (skin temperature – TSK). Com o objetivo de analisar o desempenho do modelo, efetuaram-se comparações entre os resultados obtidos pelo modelo SEB e os resultados derivados de observações de satélite. Para cada uma das áreas estudadas, selecionaram-se conjuntos de pixéis queimados (burned – BB) e não queimados (unburned – UB) e procedeu-se a uma comparação sistemática do comportamento dos parâmetros selecionados antes e após os eventos de incêndio. Os dados considerados foram entre as 12h e as 14h30 UTC, período de tempo que, em geral, inclui o máximo diário de LST. A fração do ano considerada, entre maio e outubro de 2020, que contém um número suficiente de observações por satélite, é adequada para analisar o comportamento das variáveis escolhidas. A análise dos resultados obtidos através de dados de satélite está em concordância com resultados de estudos anteriores. A DSSF e a DSLF não mostram diferenças significativas após os incêndios, um resultado esperado considerando que estes fluxos não dependem das características do solo. O AL e a EM sofrem uma descida nos pixéis BB após o incêndio, sendo a descida mais acentuada nos incêndios onde a área queimada é maior. Com o escurecimento do solo e diminuição da densidade de vegetação, é de esperar que a LST aumente após a ocorrência de um incêndio, o que, de facto, se observou. A LST aumenta em todos os casos estudados entre 1.5℃ e 10℃. No caso do balanço de SW, observam-se anomalias que são consistentes com as anomalias observadas no AL. Já no caso do balanço de LW, tem-se, na maior parte dos casos, um aumento absoluto da radiação LW que sai dos pixéis BB, a qual resulta do aumento de LST. O impacto das anomalias de EM neste balanço é mais difícil de analisar considerando que as estimativas são utilizadas para estimar a LST. Em 4 dos 5 casos, observase uma anomalia no balanço de LW que é superior à no balanço de SW. Assim sendo, quando se calcula o balanço total de radiação, como sendo a soma dos balanços de SW e LW, observam-se anomalias no sentido das anomalias do balanço de LW. Tem-se, assim, para a maioria dos eventos, uma diminuição do balanço total de radiação depois de um incêndio, a qual resulta do maior aumento de LW libertada para o espaço em comparação com a absorção de SW. Na análise do modelo SEB, começa por comparar-se a TSK com a LST, pois, para uma boa representação das alterações das características do solo, a TSK deve seguir de perto o comportamento da LST. Apesar de, mostrar um aumento tal como a LST, o aumento da TSK é significativamente menor, no máximo metade do observado na LST. A EVAP, bem como o LE que resulta da EVAP, mostram uma diminuição após os incêndios. Este resultado é expectável considerando a diminuição/extinção de vegetação provocada pelo incêndio. No caso de H, tendo em conta o aumento da temperatura à superfície, é esperado um aumento de H após o incêndio. Este aumento é observado na maior parte dos casos. Utilizando os dois fluxos de calor sensível e latente à superfície (H e LE) e desprezando o fluxo de calor do solo (ground heat flux – G), pode-se estimar o balanço total de radiação da superfície como sendo a soma de H e LE mas, neste caso, ao contrário dos resultados obtidos quando se somam os balanços de SW e LW (baseados nas observações por satélite) não se observa nenhuma alteração após o incêndio. Este resultado sugere que se averigue qual o impacto do fator G no cálculo do balanço. Recalculou-se, portanto, o balanço total de radiação total à superfície como sendo a soma dos fluxos H, LE e G, sendo de notar que, uma vez que, neste trabalho, G é obtido através de dados de satélite, pode não corresponder ao valor estimado que é calculado pelo modelo (o qual resulta da resolução da equação de balanço de energia). Apesar disso, estes novos resultados, aproximam-se dos resultados obtidos com base em dados de satélite no período de tempo antes do incêndio. Na maior parte dos casos, a inclusão de G é relevante para que os resultados obtidos sejam compatíveis com os resultados obtidos com dados de satélite. Em geral, não há um sinal significativo do incêndio na série temporal dos dados modelados. Apenas num dos casos se observa um aumento da radiação total que parece resultar do aumento de G, mas deve novamente notar-se que tal se pode dever ao facto de G ter sido calculado com dados de satélite e não pelo modelo. Isto, porque como já referido, a LST obtida pelos dados de satélite mostra um aumento muito mais significativo que o observado nos dados de TSK provenientes do modelo SEB. Os resultados dos dados de satélite são consistentes com os resultados observados em estudos anteriores e mostram a relevância que a LST tem nas anomalias observadas no balanço radiativo à superfície. Por outro lado, os resultados obtidos com o modelo SEB apresentaram algumas discrepâncias quando comparados com os resultados obtidos com dados de satélite, representando mal o comportamento do solo depois da ocorrência de um incêndio. Pôde-se também observar que, desprezando o G, os resultados perdem qualidade e, por isso, G é uma variável relevante para o estudo realizado. Este resultado mostra que seria importante que o conjunto de dados disseminados pela LSA-SAF incluísse os valores de G. Os resultados do modelo poderiam também ser melhorados, caso a TSK obtida fosse mais consistente com a LST detetada remotamente; para isso em vez de recorrer a valores estáticos da fração de cobertura vegetal, seria vantajoso utilizar valores diários da fração de coberto vegetal.
A região mediterrânica é recorrentemente afetada por grandes incêndios florestais. As alterações climáticas associadas a fatores antropogénicos, têm vindo a tornar episódios de fogo mais frequentes e a afetar maiores áreas. Torna-se, assim, cada vez mais premente entender os impactos dos grandes incêndios florestais, especialmente sobre os parâmetros de superfície e sobro o balanço de energia. O presente trabalho utiliza dados, obtidos através de deteção remota por satélite, disseminados pela Satellite Application Facility on Land Surface Analysis (LSA-SAF). Os dados baseiam-se em observações efetuadas pelo Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager (SEVIRI), o radiómetro a bordo dos satélites da série Meteosat Second Generation (MSG). Os dados de satélite disseminados e analisados neste trabalho consistem nos fluxos radiativos à superfície de ondas curtas e longas (downward surface shortwave and longwave fluxes – DSSF, DSLF), no albedo (AL), na emissividade (EM) e na temperatura de superfície do solo (land surface temperature – LST). Estes dados permitem estudar as alterações nos balanços radiativos de ondas curtas (shortwave radiation – SW) e longas (longwave radiation – LW) e no balanço radiativo (resultante da combinação dos dois primeiros balanços) e avaliar o impacto dos incêndios nas propriedades da superfície e no balanço energético. Neste trabalho foram analisadas cinco áreas afetadas por incêndios em 2020, quatro das quais em Portugal e uma em Espanha. Para além dos dados de satélite, a LSA-SAF também dissemina dados obtidos através de um modelo de balanço de energia à superfície (surface energy balance - SEB), nomeadamente a evapotranspiração (EVAP), os fluxos de calor sensível e latente (sensible and latent heat fluxes – H, LE) e a temperatura da pele (skin temperature – TSK). Com o objetivo de analisar o desempenho do modelo, efetuaram-se comparações entre os resultados obtidos pelo modelo SEB e os resultados derivados de observações de satélite. Para cada uma das áreas estudadas, selecionaram-se conjuntos de pixéis queimados (burned – BB) e não queimados (unburned – UB) e procedeu-se a uma comparação sistemática do comportamento dos parâmetros selecionados antes e após os eventos de incêndio. Os dados considerados foram entre as 12h e as 14h30 UTC, período de tempo que, em geral, inclui o máximo diário de LST. A fração do ano considerada, entre maio e outubro de 2020, que contém um número suficiente de observações por satélite, é adequada para analisar o comportamento das variáveis escolhidas. A análise dos resultados obtidos através de dados de satélite está em concordância com resultados de estudos anteriores. A DSSF e a DSLF não mostram diferenças significativas após os incêndios, um resultado esperado considerando que estes fluxos não dependem das características do solo. O AL e a EM sofrem uma descida nos pixéis BB após o incêndio, sendo a descida mais acentuada nos incêndios onde a área queimada é maior. Com o escurecimento do solo e diminuição da densidade de vegetação, é de esperar que a LST aumente após a ocorrência de um incêndio, o que, de facto, se observou. A LST aumenta em todos os casos estudados entre 1.5℃ e 10℃. No caso do balanço de SW, observam-se anomalias que são consistentes com as anomalias observadas no AL. Já no caso do balanço de LW, tem-se, na maior parte dos casos, um aumento absoluto da radiação LW que sai dos pixéis BB, a qual resulta do aumento de LST. O impacto das anomalias de EM neste balanço é mais difícil de analisar considerando que as estimativas são utilizadas para estimar a LST. Em 4 dos 5 casos, observase uma anomalia no balanço de LW que é superior à no balanço de SW. Assim sendo, quando se calcula o balanço total de radiação, como sendo a soma dos balanços de SW e LW, observam-se anomalias no sentido das anomalias do balanço de LW. Tem-se, assim, para a maioria dos eventos, uma diminuição do balanço total de radiação depois de um incêndio, a qual resulta do maior aumento de LW libertada para o espaço em comparação com a absorção de SW. Na análise do modelo SEB, começa por comparar-se a TSK com a LST, pois, para uma boa representação das alterações das características do solo, a TSK deve seguir de perto o comportamento da LST. Apesar de, mostrar um aumento tal como a LST, o aumento da TSK é significativamente menor, no máximo metade do observado na LST. A EVAP, bem como o LE que resulta da EVAP, mostram uma diminuição após os incêndios. Este resultado é expectável considerando a diminuição/extinção de vegetação provocada pelo incêndio. No caso de H, tendo em conta o aumento da temperatura à superfície, é esperado um aumento de H após o incêndio. Este aumento é observado na maior parte dos casos. Utilizando os dois fluxos de calor sensível e latente à superfície (H e LE) e desprezando o fluxo de calor do solo (ground heat flux – G), pode-se estimar o balanço total de radiação da superfície como sendo a soma de H e LE mas, neste caso, ao contrário dos resultados obtidos quando se somam os balanços de SW e LW (baseados nas observações por satélite) não se observa nenhuma alteração após o incêndio. Este resultado sugere que se averigue qual o impacto do fator G no cálculo do balanço. Recalculou-se, portanto, o balanço total de radiação total à superfície como sendo a soma dos fluxos H, LE e G, sendo de notar que, uma vez que, neste trabalho, G é obtido através de dados de satélite, pode não corresponder ao valor estimado que é calculado pelo modelo (o qual resulta da resolução da equação de balanço de energia). Apesar disso, estes novos resultados, aproximam-se dos resultados obtidos com base em dados de satélite no período de tempo antes do incêndio. Na maior parte dos casos, a inclusão de G é relevante para que os resultados obtidos sejam compatíveis com os resultados obtidos com dados de satélite. Em geral, não há um sinal significativo do incêndio na série temporal dos dados modelados. Apenas num dos casos se observa um aumento da radiação total que parece resultar do aumento de G, mas deve novamente notar-se que tal se pode dever ao facto de G ter sido calculado com dados de satélite e não pelo modelo. Isto, porque como já referido, a LST obtida pelos dados de satélite mostra um aumento muito mais significativo que o observado nos dados de TSK provenientes do modelo SEB. Os resultados dos dados de satélite são consistentes com os resultados observados em estudos anteriores e mostram a relevância que a LST tem nas anomalias observadas no balanço radiativo à superfície. Por outro lado, os resultados obtidos com o modelo SEB apresentaram algumas discrepâncias quando comparados com os resultados obtidos com dados de satélite, representando mal o comportamento do solo depois da ocorrência de um incêndio. Pôde-se também observar que, desprezando o G, os resultados perdem qualidade e, por isso, G é uma variável relevante para o estudo realizado. Este resultado mostra que seria importante que o conjunto de dados disseminados pela LSA-SAF incluísse os valores de G. Os resultados do modelo poderiam também ser melhorados, caso a TSK obtida fosse mais consistente com a LST detetada remotamente; para isso em vez de recorrer a valores estáticos da fração de cobertura vegetal, seria vantajoso utilizar valores diários da fração de coberto vegetal.
Descrição
Tese de Mestrado, Ciências Geofísicas (Meteorologia e Oceanografia), 2021, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências
Palavras-chave
Incêndios Rurais Deteção remota Balanço de Energia à Superfície Temperatura de Superfície do Solo Fluxos de Calor à Superfície Teses de mestrado - 2021