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Tipo do documento: Dissertação
Título: Modelagem da transferência radiativa em cultivo de cana-de-açúcar por meio da aproximação Two-Stream e do método das diferenças finitas
Otros títulos: Modeling radiative transfer in sugarcane cultivation using the Two-Stream approximation and the finite difference method
Autor: Krieger, Joana Madeira
Orientador(a): Lyra, Gustavo Bastos
Primeiro coorientador: Ferreira, Fábio Freitas
Primeiro membro da banca: Lyra, Gustavo Bastos
Segundo membro da banca: Porfirio, Anthony Carlos Silva
Terceiro membro da banca: Albuquerque Neto, Francisco Leite de
Quarto membro da banca: Senna, Mônica Carneiro Alves
Palabras clave: Biosfera-atmosfera;Culturas agrícolas;Parametrização;Balanço de radiação;Biosphere-atmosphere;Agricultural crops;Parametrization;Radiation balance
Área(s) do CNPq: Recursos Florestais e Engenharia Florestal
Idioma: por
Fecha de publicación: 13-dic-2018
Editorial: Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro
Sigla da instituição: UFRRJ
Departamento: Instituto de Florestas
Programa: Programa de Pós-Graduação em Práticas em Desenvolvimento Sustentável
Citación: KRIEGER, Joana Madeira. Modelagem da transferência radiativa em cultivo de cana-de-açúcar por meio da aproximação Two-Stream e do método das diferenças finitas. 2018. 79 f. Dissertação( Mestrado em Práticas em Desenvolvimento Sustentável) - Instituto de Florestas, Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, Seropédica, RJ, 2018.
Resumen: A simulação dos processos dos ecossistemas terrestres por meio de modelos de biosfera-atmosfera, possíveis de serem acoplados a modelos numéricos atmosféricos, auxilia no diagnóstico e prognóstico mais preciso das condições de tempo e clima. Para realizar previsões mais realistas, são necessários modelos calibrados para áreas de interesse e, que reflitam melhor a interação entre biosfera e atmosfera local. Desta forma, o presente estudo tem por objetivo implementar, calibrar e avaliar um modelo de transferência radiativa baseado na aproximação two-stream a partir da sua resolução por diferenças finitas aplicado em cultivo de cana-de-açúcar. O modelo de transferência radiativa foi implementado em ambiente de modelagem aberto (Scilab) e resolvido por meio do Método das Diferenças Finitas: método de Euler combinado com Shooting Method e comparado aos dados observados em campo. Sua otimização (calibração) foi realizada por meio de Modelagem Inversa, usando o método Luus-Jaakola. Para isso, foram realizadas medidas das componentes do balanço de radiação de ondas curtas acima de um cultivo de cana-de-açúcar (cv RB 92579) em Rio Largo, estado de Alagoas. As medidas foram realizadas por um saldo radiômetro instalado em uma torre micrometeorológica de 6 m de altura no período de 17 a 24/02/2006. Neste período, também se realizaram medidas do número de folhas expandidas e as determinações de comprimento e largura das folhas, utilizadas para estimar o índice de área foliar (IAF). Como o modelo proposto necessita de dados de irradiação solar global incidente no topo do dossel, discriminados em suas componentes direta e difusa, testaram-se previamente dois modelos empíricos (polinomial de 3º e logístico), que relacionam a transmitância da atmosfera e a fração de radiação difusa em relação a global. No ajuste desses modelos empíricos foram utilizados dados horários medidos de radiação solar global e difusa entre os anos de 1997 e 1999. Nos testes dos modelos, avaliouse a precisão e exatidão das simulações expressos pelos índices estatísticos, respectivamente, coeficiente de determinação (r2), coeficiente de concordância de Willmott (d) e raiz do quadrado médio do erro percentual (RQME). O modelo polinomial de 3º teve maior precisão (r² = 0,932) e exatidão (d = 0,965 e RQME = 24 %) em relação ao logístico (r² = 0,895, d = 0,952 e RQME = 28 %) quanto a estimativa de 𝑆􀬴 ↓. Os parâmetros utilizados pelo modelo two-stream proposto foram otimizados em relação a radiação solar refletida (𝑆↑) no topo do dossel e apresentaram resultados coerentes com os reportados na literatura (𝜒 = -0,3880, 𝛼􀯩􀯜􀯦 = 0,2468, 𝜏􀯩􀯜􀯦 = 0,0652, 𝜌􀯩􀯜􀯦 = 0,1759, 𝛼􀯜􀯩 = 0,4816, 𝜏􀯜􀯩 = 0,3436, 𝜌􀯜􀯩 = 0,6500). As simulações para 𝑆↑ no topo do dossel mostraram elevada exatidão (d > 0,99 e RQME < 3,6 %) e precisão (r² > 0,99). Apesar disso, o modelo subestimou 𝑆↑ no início do dia, com o ângulo zenital inferior a 60º, entorno de 7 h da manhã. Para o albedo a precisão e exatidão foi dentro dos padrões de modelos aceitos (r² > 0,73, d > 0,89 e RQME < 6,5 %).
Abstract: The simulation processes of terrestrial ecosystems through biosphere-atmosphere models, which can be coupled to atmospheric numerical models, helps in the diagnosis and more accurate prognosis of weather and climate conditions. To make more realistic forecasts, calibrated models are needed for areas of interest that better reflect the interaction between biosphere and local atmosphere. Thus, the present study aims to implement, calibrate and evaluate a radiative transfer model based on the two-stream approximation from its resolution by finite differences applied in sugar cane cultivation. The radiative transfer model was implemented in an open modeling environment (Scilab) and solved by means of the Finite Differences Method: Euler method combined with Shooting Method and compared to data observed in the field. Its optimization (calibration) was performed using Reverse Modelling with the Luus-Jaakola method. For this, measurements of the components of the short-wave radiation balance above a sugarcane crop (cv RB 92579) were obtained in Rio Largo, state of Alagoas. The measurements were performed by a radiometer balance installed in a 6 m high micrometeorological tower from February 17 to 24, 2006. During this period, measurements were also made of the number of expanded leaves and the determinations of leaf length and width, used to estimate leaf area index (LAI). As the proposed model requires data of global solar irradiation incident on the top of the canopy, discriminated in its direct and diffuse components, two empirical models (polynomial of 3º and logistic) were previously tested, which relate the atmosphere transmittance and the fraction of diffuse to global radiation. In the adjustment of these empirical models, measured global and diffuse solar radiation between 1997 and 1999 were used. In the tests of the models, the accuracy and precision of the simulations expressed by the statistical coefficients were evaluated, respectively, coefficient of determination (r²), Willmott's concordance coefficient (d) and percentage root mean square error (RMSE). The polynomial of 3º model had higher precision (r² = 0.932) and accuracy (d = 0.965 and RMSE = 24%) in relation to logistic (r² = 0.895, d = 0.952 and RMSE = 28%) for the estimate of 𝑆􀬴 ↓. The parameters used for the proposed two-stream model were optimized in relation to reflected solar radiation (𝑆↑) at the top of the canopy and presented consistent results related to those reported in the literature (𝜒 = -0.3880, 𝛼􀯩􀯜􀯦 = 0.2468, 𝜏􀯩􀯜􀯦 = 0.0652, 𝜌􀯩􀯜􀯦 = 0.1759, 𝛼􀯜􀯩 = 0.4816, 𝜏􀯜􀯩 = 0.3436, 𝜌􀯜􀯩 = 0.6500). The simulations for 𝑆↑ at the top of the canopy showed high accuracy (d > 0.99 and RMSE < 3.6%) and precision (r² > 0.99). Despite this, the model underestimated 𝑆↑ at the beginning of the day, with the zenith angle less than 60°, around 7 o'clock in the morning. This observation corroborates the analysis made for albedo results. Although albedo precision and accuracy were observed within the accepted model standards (r² > 0.73, d > 0.89 and RMSE < 6.5%).
URI: https://rima.ufrrj.br/jspui/handle/20.500.14407/15705
Aparece en las colecciones:Mestrado Profissional em Práticas em Desenvolvimento Sustentável

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