Estimating irrigated watermelon evapotranspiration using sebal, soil-water balance and eddy correlations

In applications of the SEBAL (Surface Energy Balance Algorithm for Land) algorithm parameters for physical processes adjusted for other regions of the planet are commonly used. Therefore, there is a need for validation of the estimates made with the algorithm compared with other conventional methods of estimating evapotranspiration. Thus, this study main goal was to evaluate the satellite-based algorithm to estimate evapotranspiration of irrigated watermelon using as comparative methods: soil water balance and eddy correlation. The studied area was a plot of 1 ha located in the irrigated district of the low Acaraú River. Foliar coverage was obtained from digital images taken from a camera. Sensors were installed from the soil surface to a height of 1.5 m for monitoring the temperature in the air. The unsaturated hydraulic conductivity function of the soil was obtained using the instantaneous profile method. The water balance in the soil was done on days 17, 18 and 19 December, 2008, in the 0 to 30 cm depth using soil moisture capacitive sensors. To evaluate the components of net radiation and evapotranspiration using the method of eddy correlation, a micrometeorological tower was installed in the center of the studied area, where latent heat flux (LE), sensible heat flux (H) and evapotranspiration were determined. With climate data from a meteorological station nearby and using the FAO´s methodology, net radiation (Rn) and soil heat flow (G) were determined. The SEBAL algorithm was applied in two Landsat5 satellite images acquired in 17/12/2008 and 02/01/2009 for estimating the net radiation and daily evapotranspiration. The measured temperature at the soil surface and in the air at 10 cm high was over 40 ° C near noon time. The unsaturated hydraulic conductivity function found was of the form K (θ) = 0.089 e28, 53θ and K (θ) = 0.0469 e48, 773θ, respectively for 0 - 15 and 15 - 30 cm. The evapotranspiration obtained from soil water balance with capacitive sensors in the study period was 9.37; 12.18 and 11.27 mm day-1, respectively in 17; 18 and December 19, 2008. For the radiation balance it was found that the latent heat flux was underestimated by using the method of eddy correlation with maximum values of the order of 150 W m-2. The sensible heat flux was always larger than the LE during the day, with maximum values near 300 W m-2. The energy balance done but accounting H + LE and Rn – G produced a residual error of around 60%. The daily average values of ETc (eddy correlations) for part of the experimental period were in the range of 0.91 to 1.18 mm day-1, with an average of 0.96 mm day-1. The satellite image that was applied to SEBAL algorithm presented many clouds, affecting the estimation of the components of radiation balance and evapotranspiration. In the area of watermelon, SEBAL estimates of evapotranspiration for dates 17/12/2008 and 02/01/2009 were 6.5 and 4.0 mm day-1, respectively. For validation, the ETo obtained by Penman-Montheith method at the time of satellite overpass was 0.53 mm h-1, while Etc obtained with SEBAL, eddy correlation and soil-water balance was 0.78; 0.11 and 0.55 mm h-1, respectively.Nas aplicações feitas com o SEBAL (Surface Energy Balance Algorithm for Land), estão sendo utilizadas parametrizações de processos físicos ajustados para outras regiões do planeta. Portanto, existe uma necessidade de validação das estimativas feitas com o algoritmo comparando com outros métodos usuais de estimativa de evapotranspiração. Assim, esse trabalho teve como objetivo avaliar o algoritmo SEBAL na estimativa da evapotranspiração da melancia irrigada usando como métodos comparativos o balanço hídrico no solo e método das correlações turbulentas (eddy correlation). A área estudada foi um lote de 1 ha localizado no Perímetro Irrigado Baixo Acaraú. A cobertura Foliar foi obtida a partir de fotografias digitais. Foram instalados sensores a partir da superfície do solo até a altura de 1,5 m para monitoramento da temperatura no ar. Para fazer o balanço hídrico no solo foi encontrada a função da condutividade hidráulica não saturada através da metodologia do perfil instantâneo. O balanço hídrico no solo foi feito nos dias 17, 18 e 19/12/2008 na camada de 0 a 30 cm usando sensores capacitivos de umidade. Para avaliar os componentes do balanço de radiação e a evapotranspiração através do método das correlações turbulentas foi instalada uma torre micrometeorológica no centro da área, onde o fluxo de calor latente (LE), o fluxo de calor sensível (H) e a evapotranspiração foram determinados. Com dados climáticos de uma estação meteorologia próximo a área e usando a metodologia da FAO foi estimado a radiação líquida (Rn) e o fluxo de calor no solo (G). O algoritmo SEBAL foi usado nas imagens do TM-Landsat 5 dos dias 17/12/2008 e 02/01/2009 para estimar o balanço de radiação e a evapotranspiração diária. A temperatura na superfície e a 10 cm de altura próximos ao meio dia foi superior a 40°C. A função da condutividade hidráulica no solo não saturado para camada de 0 – 15 e 15 – 30 cm foi: K(θ) = 0,089e28,53θ e K(θ) = 0,0469e48,773θ, respectivamente. A evapotranspiração obtida através do balanço hídrico com sensores capacitivos nos dias analisados foi 9,37; 12,18 e 11,27 mm dia-1, respectivamente em 17; 18 e 19 de dezembro de 2008. No balanço de energia observou-se que o fluxo de calor latente foi subestimado usando o método das correlações turbulentas apresentando valores máximos no dia nunca superiores a 150 W m-2. O fluxo de calor sensível esteve sempre maior que o LE durante o dia, apresentando valores máximos próximos a 300 W m-2. O erro de fechamento da equação do balanço de energia obtido através do equacionamento entre H + LE e Rn – G foi de cerca de 60%. Os valores médios diários da ETc (correlações turbulentas) para parte do período experimental estiveram na faixa de 0,91 a 1,18 mm dia-1, com média de 0,96 mm dia-1. As imagens de satélites em que foi usado o algoritmo SEBAL apresentaram nuvens comprometendo a estimativa dos componentes do balanço de radiação e a evapotranspiração. Na área da melancia, a evapotranspiração diária usando o SEBAL nos dias 17/12/2008 e 02/01/2009 foi 6,5 e 4,0 mm dia-1, respectivamente. Na análise comparativa, a ETo na hora da passagem do satélite foi de 0,53 mm h-1, enquanto a ETc foi de 0,78; 0,11 e 0,55 mm h-1 estimada com o SEBAL, métodos das correlações turbulentas e balanço hídrico, espectivamente