Relações entre a vegetação e a cobertura de nuvens a partir dos dados NDVI NOAA AVHRR GAC e ISCCP no Brasil para o período 1984 -1993

Relações entre a vegetação e a cobertura de nuvens a partir dos dados NDVI NOAA AVHRR GAC e ISCCP no Brasil para o período 1984 -1993 Nadine Dessay1,2, Yosio E. Shimabukuro3, Henri Laurent1,2, Luiz A.T. Machado1, L. Durieux1,2 1

ACA/IAE/CTA Divisão de Ciências Atmosféricas / Instituto de Aeronáutica e Espaço/ Centro Técnico Aeroespacial, São José dos Campos, Brasil 2 IRD/ LTHE Institut de Recherche pour le développement / Laboratoire d’Etude des Transferts en Hydrologie et Environnement, Grenoble, France 3 INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, São José dos Campos, Brasil

Abstract The relationships between vegetation and cloud cover are studied from satellite data over a ten years period. The surface is characterized using the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) derived from the NOAA satellite data, projeted over a 8 km x 8 km grid and montly averaged. The cloud cover is analysed using the convective cloud cover and the high level cloud cover derived from satellite data by the International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP). The so-called D2 data are monthly averaged values over a 2.5 x 2.5 degree grid. Four main classes of vegetation and their sub-divisions are defined over the Brazil. The mean values and the inter- and intra-anual variabilities of NDVI and cloud cover are described for the whole area of study and for the different types of vegetation.

1- Introdução Este trabalho apresenta resultados preliminares do estudo que visa entender as relações entre diferentes tipos de vegetação com a cobertura de nuvens. Médias mensais do NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) dos dados NOAA AVHRR GAC (Advanced Very High Resolution Radiometer, Global Area Coverage) são averiguadas em função de uma série mensal de dados de cobertura de nuvens altas e convectivas derivadas do ISCCP D2, na região brasileira para o período 1984-1993. O NDVI inicialmente definido por Rouse et al. (1974) tem sido largamente utilizado nos últimos anos para analisar o impacto das variações climáticas nas condições de superfície. O trabalho de Batista et al. (1997) monitorou durante vários anos a cobertura da vegetação na região amazônica usando dados de NOAA-AVHRR. Shimabukuro et al. (1994) usaram imagens de vegetação, de solo, de sombra, , e imagens NDVI derivadas do AVHRR , para analisar a cobertura vegetal da Amazônia. O objetivo deste trabalho é o de estabelecer uma relação entre a variabilidade da cobertura de nuvens convectivas, fortemente relacionado com a precipitação, com o NDVI, para diferentes tipos de cobertura vegetal, na escala de tempo mensal. As variabilidades inter e intra-anual do NDVI e da cobertura de nuvens durante o período também são analisadas. 2 Dados 2.1 NOAA AVHRR GAC Os dados quinzenais de NDVI AVHRR GAC foram fornecidos pelo grupo Global Inventory Monitoring and Modelling Studies (GIMMS) da National Aeronautics and Space Administration/Goddard Space Flight Center (NASA/GSFC). Os dados foram obtidos para o período de 1981 a 1999, a partir dos dados (GAC) coletados diariamente pelos sensores AVHRR dos satélites NOAA-7, 9, 11 e 14. Para cada pixel do GAC, calcula-se a média de quatro pixels AVHRR na mesma linha, depois salta-se um pixel (o quinto), e calcula-se novamente a média dos quatro novos pixels seguintes, e assim sucessivamente até o fim da linha. Realizada a média desta linha, salta-se as próximas duas linhas do scan para novamente recomeçar o cálculo das médias, e assim sucessivamente até o fim da imagem AVHRR. Assim, o valor de um pixel de GAC é calculado como a média de 4 pixels para um total de quinze pixels na zona amostrada. Em seguida o NDVI é calculado como a diferença normalizada de reflectância 3883

corrigidas dos canais infra-vermelho próximo (0,725-1,10 µm) e visível (0,58-0,68µm). As composições quinzenais são geradas selectionando o valor máximo do NDVI para minimisar a contaminação de nuvens. Esta série de dados NDVI GIMMS é corrigida das interferências atmosféricas devido às erupções vulcânicas de 1982 e 1991. Os canais do AVHRR usados para o cálculo do NDVI são calibrados usando o método de Vermote e Kaffman (1995). Os efeitos de deterioração do sensor são levados em conta através da aplicação da técnica de ajuste do NDVI desenvolvida por Los et al. (1994) e Los (1998). Os dados foram calculados utilizando o software Global Area Processing System (GAPS2) que realiza uma intercalibração dos dados de diferentes satélites. A projeção é Albers área igual cônica, com uma resolução espacial de 8 km por 8 km. Como os dados ISCCP D2 estavam disponíveis somente para o período de julho de 1983 até dezembro de 1993, a compilação dos dados NDVI foi realizada somente para o período de 10 anos, de 01/01/84 até 31/12/93. 2.2 ISCCP Os dados ISCCP D2 foram fornecidos pela NASA/GSFC no âmbito do International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP; Shiffer and Rossow, 1985), projeto que fora estabelecido em 1982 com apoio ao World Climate Research Program (WRCP). Os dados foram coletados por diferentes centros de tratamento de imagem a partir da série dos satélites meteorológicos com órbita geoestacionária e polar. Após recebidos e pré-processados, os dados são enviados a um centro de calibração (SCC) que normaliza a calibração dos diferentes satélites geoestacionários usando o padrão dos satélites polares. As imagens fornecem medidas de radiância contendo informações básicas sobre propriedades da atmosfera a partir das quais os parâmetros de nuvens podem ser deduzidos. Os métodos de análise determinam a ausência ou a presença de nuvem para cada pixel da imagem além de realizar uma classificação estabelecendo o tipo de nuvens de cada pixel. A resolução inicial de 1 a 5 km é reduzida a uma série de estatísticas em uma grade de 280 km de resolução em projeção igual área, para um intervalo de tempo de três horas (dados C1 ou D1). Os dados C2 e D2 correspondem a média mensal horária para os oito intervalos de 3 horas. Essas informações podem ser obtidas tanto na resolução de 280 x 280 km2, bem como reprojetados em uma grade de 2,5 por 2,5 graus de latitude e longitude. Os dados ISCCP D2 fornecem, para cada ponto de grade, um conjunto de 130 variáveis que descrevem os tipos de nuvens e diversas outras estatísticas da superfície e da atmosfera, observados durante o mês e o intervalo de hora considerados. 2.3 Mapas de vegetação e tipos de coberturas escolhidos Os mapas de vegetação usados como referência são os publicados por Bataillon et al. (1991) mostrando os grandes conjuntos naturais na escala da América Latina, e pelo Instituto Brasileiro de Geografia e Estatistica / Instituto Brasileiro de Desenvolvimento Florestal (IBGE/IBDF) na escala do Brasil em 1988. Cinco classes principais de vegetação foram escolhidas (Figura 1), seja : - A floresta ombrófila densa (FD), estratificada, freqüentemente composta de espécies perenes. Suas folhas são substituídas ao passo que elas morrem, a vegetação dura o ano todo. Sua característica ecológica principal está ligada aos fatores climáticos tropicais, isto é temperaturas elevadas (> 25 graus) e precipitações quase permanentes (de 0 a 60 dias secos). Ela ocupa principalmente a bacia amazônica. - A floresta ombrófila aberta (FA), situada nas bordas da Amazônia. Ela é composta de árvores mais espaçados. A ausência de chuva varia entre 2 e 4 meses, as temperaturas são em torno de 25 graus. - O Cerrado (C), bioma denso, fechado, composto de plantas altas e árvores tortuosas sensíveis à estação seca de inverno (6 meses). É encontrado principalmente no Centro Oeste. - A savana estépica Caatinga (E), formação vegetal característica do Nordeste brasileiro. Ela é aberta, constituída de plantas herbáceas onde predominam gramíneas e arbustos. - A área de tensão ecologica (T) que corresponde a uma área onde domina os contatos entre dois ou vários tipos de vegetação. As florestas ombrófila densa e ombrófila aberta são subdivididas em "terras baixas" (FDB, FAB) e "submontana" (FDS, FAS). O Cerrado também é subdividido em "parque-gramineo-lenhosa " (SPG) e "florestadaarborizada"(SDA).

3884

Floresta Ombrófila Densa (FD) Floresta Ombrófila Aberta (FA) Savana (C) Savana Estépica (E) Area de tensão Ecológica (T) Outras Alvos De acordo com IBGE e IBDF (1988)

Figura 1 : Classes de vegetação dominantes no Brasil e os alvos escolhidos na análise. Os tipos de vegetação foram identificados a partir de mapas de vegetações do IBGE / IBDF (1988). 3- Metodologia 3.1 NOAA - AVHRR NDVI Inicialmente estabeleceu-se uma máscara por imagem eliminando os valores errôneos, situados fora dos limites dos valores possíveis do NDVI. Uma combinação mensal foi gerada tomando o valor do NDVI máximo de cada quinzena do mês. As médias mensais e anuais em dez anos foram calculadas eliminando os valores errôneos. Em seguida, para cada mês de cada ano e para cada ano foram calculados os desvios médios e os desvios padrões a fim de colocar em evidência as anomalias, e identificar as zonas com forte variações inter ou intra-anuais. Calculou-se também a média das médias mensais (isto é a média geral) e o desvio padrão associado que permite estimar a variabilidade intra-anual. 3.2 ISCCP Extraiu-se 2 valores entre os 130 incluídos em cada ponto de grade: a cobertura de nuvens altas (CNH) e a cobertura de nuvens convectivas (CNC). Esta última variável não é disponível durante a noite porque seu cálculo utiliza o canal visível. Nuvens convectivas são caracterizadas tanto por uma densidade ótica muito forte quanto por uma temperatura baixa. As nuvens altas são aquelas situadas acima de 440 hPa e incluem cirrus, cirrostratus e nuvens de convecção profunda. 3885

Para estes 2 parâmetros, calculou-se as médias mensais e as médias anuais como também os desvios padrões nos dez anos mencionados. Posteriormente, estes dados foram reprojetados para serem sobrepostos aos dados do NDVI. 3.3 Vegetação Os alvos foram escolhidos dentro das cinco classes de vegetação representativas dos tipos de vegetação dominantes no Brasil. Na hora da escolha dos alvos levou-se em conta: - para a floresta densa e a floresta aberta a sua localização em terra baixa ou em submontana, - para o Cerrado, a Caatinga e as áreas de tensão ecológica tomou-se as localizaçaões geográficas (fig 1). Geralmente o deslocamento do ZCIT organiza a distribuição zonal das paisagens naturais em áreas simetricamente localizadas a partir do equador, mas na região de estudo, esta disposição zonal se observa só na Amazônia e em suas margens. Em outros lugares a distribuição deles é mais próxima de uma distribuição meridional. A Tabela 1 mostra os valores do NDVI para cada classe e suas subdivisões, como também os valores mínimos, máximos e os desvios padrões inter-anuais. Tabela 1: Média, mínimo, máximo e desvio padrão do NDVI para as 12 áreas alvo (3x3 pixels) de tipos de vegetação dominantes no Brasil, calculados a partir das médias mensais para os anos de 1984 a 1993. Tipo de Vegetação Floresta densa

"Terras baixas" "submontanas" Floresta aberta "terras baixas" "submontanas" Cerrado "parque, gramíneo-lenhosa" "floresta, arborizada" Savana Estépica Norte Centro Leste Área de Tensão Norte Centro Leste

Média NDVI

Min NDVI

Max NDVI

Desvio padrão

0.51 0.56 0.54 0.54 0.33 0.44 0.46 0.36 0.35 0.52 0.54 0.46

0.46 0.50 0.47 0.49 0.24 0.36 0.28 0.19 0.16 0.45 0.47 0.35

0.57 0.62 0.59 0.60 0.46 0.56 0.57 0.50 0.52 0.59 0.62 0.61

0.014 0.015 0.014 0.014 0.050 0.034 0.061 0.024 0.045 0.016 0.017 0.067

4- Resultados

4.1 Variações do NDVI e suas relações com os diferentes tipos de cobertura vegetal A Figura 2 apresenta a imagem média do NDVI para todo período analisado e a imagem do desvio padrão intraanual. Releva-se na bacia amazônica um NDVI compreendido entre 0.5 e 0.6 com uma variabilidade muito pequena. O desvio padrão intra-anual é de cerca de 0.02 para a floresta densa e de 0.03 à 0.04 para a floresta aberta. Ao longo do rio Amazonas e de seus principais afluentes nota-se igualmente um valor de NDVI pouco inferior a 0.5 com uma variabilidade superior aos arredores. Nas outras regiões do continente brasileiro observa-se uma maior heterogeneidade espacial com valores de NDVI menores, da ordem de 0.4 e um desvio padrão de 0.06 a 0.1. O Nordeste é a zona onde se encontra ao mesmo tempo a maior variabilidade intra-anual e os menores valores do NDVI. A análise das médias mensais e da variabilidade intra-anual do NDVI mostra que as zonas que correspondem à floresta ombrófila densa são constantes durante o ano, exceto algumas pequenas áreas entre os meses de agosto e de novembro. A variabilidade inter anual na Amazônia é por volta de 0.03 e 0.07 dependendo do mês. O mês de agosto com 0.07 é o mês com a maior variabilidade. Nas zonas de floresta ombrófila aberta e na parte norte dos cerrados o NDVI é maior que na floresta densa (> 0.6) para os meses de maio, junho e julho. Nota-se uma variabilidade inter anual grande de agosto a outubro, principalmente durante o mês de setembro na região central da América do Sul. Isso pode ser relacionado com o fato que o começo da estação chuvosa varia de um ano para o outro.

3886

-1000

100

200

300

400

500

600

1000

0

0.03 0.06 0.09 0.12 0.15 (b) Desvio padrão intra-anual

(a) Média geral do NDVI * 1000

Figura 2 : a) Média geral do NDVI e isolinhas da cobertura de nuvens altas para o período 1984-1993; b) Desvio padrão do NDVI para os 12 meses médios desse período. Na região dos cerrados nota-se um NDVI mínimo em setembro (