GNE109 Agrometeorologia Prof. Luiz Gonsaga de Carvalho Balanço hídrico climatológico de Thornthwaite e Mather (1955) Precipitação pluvial (chuva) Evapotranspiração potencial Armazenamento = 100 mm Veja explicação no próximo slide Balanço hídrico climatológico de Thornthwaite e Mather (1955) Conforme esquema anterior, o BHC é a contabilização das entradas e saídas de água do sistema solo-planta, sendo que a sua interpretação fornece informações sobre o ganho, perda e armazenamento de água no solo. Como elementos para o cálculo, considera-se precipitação pluvial (P) como fornecimento de água e a demanda de água por esse sistema pela evapotranspiração potencial (ETp). Balanço hídrico climatológico de Thornthwaite e Mather (1955) Sendo o solo o reservatório de água para as plantas deve-se levar em consideração a sua capacidade de armazenamento o que depende de suas propriedades físico-hídricas. Para estudos climáticos, sem a associação de uma cultura agrícola específica, normalmente adota-se o valor de 100 mm para o armazenamento de água no solo. Ainda, caso sejam conhecidos alguns parâmetros físico-hídricos do solo da região (ou do solo predominante) a CAD (mm) pode ser obtida pela seguinte equação: em que, cc pmp CAD 100 cc – umidade na capacidade de campo (%); pmp – umidade no ponto de murcha permanente (%); ρs – densidade do solo (g cm-3); pe – profundidade efetiva do sistema radicular (mm). s pe Tipo de solo Profundidade das raízes (m) Capacidade de água disponível (mm) Culturas de raízes superficiais (feijão, batata, ervilha) Areia fina Franco arenoso fino Franco limoso Franco argiloso Argiloso 0,50 0,50 0,62 0,40 0,25 50 75 125 100 75 Culturas de raízes de média profundidade (cereais) Areia fina Franco arenoso fino Franco limoso Franco argiloso Argiloso 0,75 1,00 1,00 0,80 0,50 75 150 200 200 50 Areia fina Franco arenoso fino Franco limoso Franco argiloso Argiloso 1,00 1,00 1,25 1,00 0,67 100 150 250 250 200 Árvores frutíferas Areia fina Franco arenoso fino Franco limoso Franco argiloso Argiloso 1,50 1,67 1,50 1,00 0,67 150 250 300 250 200 Floresta adulta Areia fina Franco arenoso fino Franco limoso Franco argiloso Argiloso 2,50 2,00 2,00 1,60 1,17 250 300 400 400 350 Cultura de raízes profundas (alfafa, algodão, pastagens, etc.) Profundidade efetiva do sistema radicular e orientação para determinação da capacidade de armazenamento de água no solo para o cálculo do balanço hídrico de Thornthwaite e Mather (1955), adaptado de Mota, 1983 Balanço hídrico climatológico de Thornthwaite e Mather (1955) Caso chova mais que evapotranspira, poderá ocorrer excesso hídrico. Contudo isto será efetivamente confirmado após o complemento do BHC (esquema a seguir). Precipitação pluvial (chuva) Evapotranspiração potencial Armazenamento = 100 mm Excesso hídrico Balanço hídrico climatológico de Thornthwaite e Mather (1955) E se, ao contrário, a chuva for inferior à evapotranspiração poderá ocorrer deficiência hídrica, (esquema seguinte). O que também será efetivamente confirmada após o complemento do BHC. Precipitação pluvial (chuva) Evapotranspiração potencial Armazenamento = 100 mm Deficiência hídrica Balanço hídrico climatológico de Thornthwaite e Mather (1955) Para os cálculos do BHC, além da necessidade de informar geograficamente o local por meio de suas coordenadas geográficas, são também necessários, para todos os meses do ano, dados de uma série longa dos elementos climáticos sendo, muito comum, utilizarem dados normais, ou seja, dados publicados nas Normais Climatológicas. Assim, para o desenvolvimento do BHC e posterior zoneamento climático, o ideal é que se tenha a disposição as normais climatológicas de diversas localidades para que em seguida se efetua a espacialização da informação conforme se observa para o estado de Minas Gerais (Figura a seguir). Rede estadual de Minas Gerais de estações climatológicas pertencentes ao Instituto Nacional de Meteorologia - INMET Estação Climatológica Principal de Lavras – MG Convênio UFLA/INMET Balanço hídrico climatológico de Thornthwaite e Mather (1955) Assim os dados normais necessários são os valores mensais de precipitação pluvial e demais elementos climáticos para a estimativa da evapotranspiração potencial (ETp). Ressalta-se que para ETp não existem valores observados por estações climatológicas, devendo essa ser estimada por algum método. Existem diversos métodos para estimativa da ETp, sendo aqui destacado o método de Thornthwaite, sendo originalmente proposto por Thornthwaite e Mather (1955) para o BHC. Esse método necessita apenas das temperaturas médias mensais normais. Balanço hídrico climatológico de Thornthwaite e Mather (1955) Se, para determinado local, a série for insuficiente para o cálculo da Normal Climatológica, pode-se efetuar o cálculo do balanço hídrico, porém, esse fato deverá ser destacado, tanto no cálculo como na representação gráfica, de forma bastante clara. Balanço hídrico climatológico de Thornthwaite e Mather (1955) Segue–se portanto, os cálculos do BHC tomando, por exemplo, o de Lavras-MG. Inicialmente extrai-se das Normais Climatológicas (Tabela a seguir) os valores mensais de precipitação pluvial e temperatura do ar (Veja slide seguinte). Normais Climatológicas (1961-1990) - Exemplo: LAVRAS - MG Elemento Climatológico Meses Ano Jan. Fev. Mar. Abr. Maio Jun. Jul. Ago. Set. Out. Nov. Dez. Tar (°C) Tx (°C) Tn (°C) Prec. Total (mm) Umid. Relativa (%) Pressão (mb) Insolação Total (h) Vento (ms-1) 21,7 22,1 20,9 19,8 17,5 16,3 15,8 17,7 19,0 20,4 20,9 21,1 19,4 27,8 28,4 27,0 25,4 24,7 23,9 23,7 25,7 25,4 27,2 27,2 27,3 26,1 17,7 17,9 17,3 15,4 12,7 11,1 10,4 11,7 13,6 15,6 16,6 17,3 14,8 272,4 192,3 174,0 67,0 40,6 27,9 23,4 24,8 72,5 126,0 213,0 295,8 1529,7 81,3 77,4 76,1 72,2 67,1 69,2 79,7 77,3 80,1 74,1 78,3 81,5 76,2 911,9 912,2 912,7 913,8 915,3 916,9 917,1 916,1 915,0 912,4 911,6 911,7 913,9 187,9 191,8 205,5 219,2 222,2 219,5 245,3 247,6 202,6 198,6 181,0 162,2 2483,4 1,8 1,6 1,7 1,8 1,6 1,6 2,1 2,2 2,4 2,3 2,1 2 1,9 Balanço hídrico climatológico de Thornthwaite e Mather (1955) Meses ETp P Jan. Fev. Mar. Abr. Maio Jun. Jul. Ago. Set. Out. Nov. Dez. 102 93 87 72 55 45 44 58 68 86 91 98 272 192 174 67 41 28 23 25 73 126 213 296 Ano 899 1530 P-ETp N. Ac. ARM ALT ETr DEF EXC Conforme mencionado a ETp foi estimada pelo método de THORNTHWAITE. Balanço hídrico climatológico de Thornthwaite e Mather (1955) Meses ETp P P-ETp N. Ac. Jan. Fev. Mar. Abr. Maio Jun. Jul. Ago. Set. Out. Nov. Dez. 102 93 87 72 55 45 44 58 68 86 91 98 272 192 174 67 41 28 23 25 73 126 213 296 170 99 87 -5 -14 -17 -21 -33 5 40 122 198 Ano 1173 1530 631 ARM ALT ETr DEF EXC A coluna (P-ETp) representa as diferenças mensais entre ETp e P. Os valores positivos indicam que a disponibilidade de água no mês (precipitação) é superior à demanda (evapotranspiração potencial) podendo ocorrer excesso hídrico e os valores negativos poderá indicar deficiência hídrica. Contudo essas informações só serão evidenciadas ao completar o BHC. Balanço hídrico climatológico de Thornthwaite e Mather (1955) Meses ETp P P-ETp N. Ac. Jan. Fev. Mar. Abr. Maio Jun. Jul. Ago. Set. Out. Nov. Dez. 102 93 87 72 55 45 44 58 68 86 91 98 272 192 174 67 41 28 23 25 73 126 213 296 170 99 87 -5 -14 -17 -21 -33 5 40 122 198 Ano 899 1530 631 -5 -19 -36 -57 -90 ARM 95 82 69 56 40 ALT ETr DEF EXC A coluna seguinte representa o acúmulo de negativas de P-ETp (N. Ac.). Para dar início ao seu preenchimento “repete-se” a primeira P-ETp negativa após uma sequência de valores positivos e, com a fórmula abaixo calcula-se o armazenamento do mês preenchendo a coluna seguinte (ARM). Para facilidade, pode-se também utilizar tabelas, como exemplificada a seguir. Essas duas colunas são preenchidas simultaneamente. A CAD (capacidade de água disponível no solo) adotada é de 100 mm, a qual representa o armazenamento máximo de água que o solo consegue reter. No caso, a primeira negativa é 5 e o respectivo armazenamento calculado, ou tabelado, é 95. Nos meses subsequentes acumula-se as negativas, mês a mês, calculando os respectivos armazenamentos até quando não se tem mais negativa para acumular, finalizando em agosto para o presente exemplo. NA Arm CAD e CAD . Água retida após ocorridos diferentes valores de evapotranspiração, para solos com capacidade de retenção de água de 100 mm Neg. Acum. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 100 99 98 97 96 95 94 93 92 91 10 90 89 88 88 87 86 85 84 83 82 20 81 81 80 79 78 77 77 76 75 74 30 74 73 72 71 70 70 69 68 68 67 40 66 66 65 64 64 63 62 62 61 60 50 60 59 59 58 58 57 56 56 55 54 60 54 53 53 52 52 51 51 50 50 49 70 49 48 48 47 47 46 46 45 45 44 80 44 44 43 43 42 42 41 41 40 40 90 40 39 39 38 38 38 37 37 36 36 100 36 35 35 35 34 34 34 33 33 33 110 32 32 32 31 31Exemplificando 31 30o uso da 30 tabela30 30 de 120 29 29 29 28 28 28 27 27 capacidade de 27 retenção27 de água: 130 26 26 26 26 25 25 25 24 24 24 140 24 24 23 23 23 23 22 22 22 22 150 22 21 21 21 21Tem-se 20que, para 20 o mês 20 de junho, 20 a 20 160 19 19 19 19 19 18 18 18 18 18 negativa acumulada (Neg. Ac.) é -36 mm, 170 18 17 17 17 17 17 16 16 16 16 com15o valor 14 30 na 14 180 16 16 15 15 15portanto, 15 entrando 15 190 14 14 14 14 14coluna14 13 13 o valor 13 6 na 13 de dezenas e, com 200 13 13 12 12 12 12 12 12 12 12 linha de unidades, tem-se o respectivo 210 12 11 11 11 11 11 11 11 11 11 armazenamento (69). Efetuando o 220 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 230 9 9 9 9 9processo 9 contrário, 9 9 9 ou seja, entrando 9 240 8 8 8 8 8 8 8 8 com o armazenamento do mês, 87ter-se-á87 250 8 8 8 7 7 7 7 7 a negativa pela6 260 7 7 7 7 7como saída, 7 6 6acumulada, 6 280 6 6 6 6 6união dos 5 respectivos 5 5 5 valores obtidos na5 300 5 5 4 4 4 4 4 4 4 4 coluna das dezenas e linha de unidades. 320 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 330 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 350 3 3 3 3 3 3 3 3 3 2 410 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 450 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Balanço hídrico climatológico de Thornthwaite e Mather (1955) Meses ETp P P-ETp N. Ac. Jan. Fev. Mar. Abr. Maio Jun. Jul. Ago. Set. Out. Nov. Dez. 102 93 87 72 55 45 44 58 68 86 91 98 272 192 174 67 41 28 23 25 73 126 213 296 170 99 87 -5 -14 -17 -21 -33 5 40 122 198 Ano 899 1530 631 -5 -19 -36 -57 -90 ARM 95 82 69 56 40 ALT ETr DEF EXC A coluna seguinte representa o acúmulo de negativas de P-ETp (N. Ac.). Para dar início ao seu preenchimento “repete-se” a primeira P-ETp negativa após uma sequência de valores positivos e, com a fórmula abaixo calcula-se o armazenamento do mês preenchendo a coluna seguinte (ARM). Para facilidade, pode-se também utilizar tabelas, como exemplificada a seguir. Essas duas colunas são preenchidas simultaneamente. A CAD (capacidade de água disponível no solo) adotada é de 100 mm, a qual representa o armazenamento máximo de água que o solo consegue reter. No caso, a primeira negativa é 5 e o respectivo armazenamento calculado, ou tabelado, é 95. Nos meses subsequentes acumula-se as negativas, mês a mês, calculando os respectivos armazenamentos até quando não se tem mais negativa para acumular, finalizando em agosto para o presente exemplo. NA Arm CAD e CAD Balanço hídrico climatológico de Thornthwaite e Mather (1955) Meses Jan. Fev. Mar. Abr. Maio Jun. Jul. Ago. Set. Out. Nov. Dez. Ano ETp 102 93 87 72 55 45 44 58 68 86 91 98 899 P P-ETp N. Ac. ARM ALT 272 192 174 67 41 28 23 25 73 126 213 296 170 99 87 -5 -14 -17 -21 -33 5 40 122 198 0 0 0 -5 -19 -36 -57 -90 -78 -16 0 0 100 100 100 95 82 69 56 40 45 85 100 100 1530 631 - - ETr DEF EXC Então a partir do mês de setembro (não tendo mais negativa a acumular) segue-se da seguinte forma: Veja que o saldo P-ETp equivale a 5 mm, o que em princípio poderia ser considerado excesso hídrico, porém o armazenamento (ARM) do mês anterior está bastante reduzido (40 mm); então soma-se o saldo positivo de P-ETp ao ARM do mês anterior, obtendose o do mês em questão, ou seja, em setembro o ARM passa a ser de 45 mm. Vê-se assim, que no início do período chuvoso começa a reposição de água ao solo. No mês seguinte o saldo P-ETp continua positivo (40 mm), da mesma forma, soma-se este saldo ao ARM do mês anterior, elevando o ARM do mês de outubro para 85 mm. No mês subsequente, novembro, o saldo P-Etp é de 122 mm, daí ao somar esse ao ARM do mês anterior (85 mm), o resultado supera o ARM máximo que o solo consegue reter (100 mm) permanecendo portanto igual a 100 mm. Nesses casos as respectivas negativas acumuladas são encontradas de forma inversa ao processo anterior, ou seja, calculando-a a partir do ARM conforme a equação abaixo, ou com o uso da tabela, veja a seguir. Arm NA CAD ln CAD . Água retida após ocorridos diferentes valores de evapotranspiração, para solos com capacidade de retenção de água de 100 mm Neg. Acum. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 100 99 98 97 96 95 94 93 92 91 10 90 89 88 88 87 86 85 84 83 82 20 81 81 80 79 78 77 77 76 75 74 30 74 73 72 71 70 70 69 68 68 67 40 66 66 65 64 64 63 62 62 61 60 50 60 59 59 58 58 57 56 56 55 54 60 54 53 53 52 52 51 51 50 50 49 70 49 48 48 47 47 46 46 45 45 44 80 44 44 43 43 42 42 41 41 40 40 90 40 39 39 38 38 38 37 37 36 36 100 36 35 35 35 34 34 34 33 33 33 110 32 32 32 31 31 31 30 30 30 30 120 29 29 29 28 28 28 27 27 27 27 130 26 26 26 26 25 25 25 24 24 24 140 24 24 23 23 23 23 22 22 22 Exemplificando o uso da tabela22 de 150 22 21 21 21 21 20 20 20 20 20 capacidade de retenção de água: 160 19 19 19 19 19 18 18 18 18 18 170 18 17 17 17 17 17 16 16 16 16 180 16 16 15 15 15 15 15 15 14 14 Efetuando o processo contrário, ou seja, 190 14 14 14 14 14 14 13 13 13 13 200 13 13 12 12 12entrando 12 com o 12armazenamento 12 12 do mês, 12 210 12 11 11 11 11ter-se-á 11 como saída, 11 11 a 11 negativa11 220 10 10 10 10 10 10 10 10 10 acumulada, pela união 10 dos respectivos 230 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 valores obtidos na coluna das dezenas e 240 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 250 8 8 8 7 7linha de7 unidades. 7 7 7 7 260 7 7 7 7 7 7 6 6 6 6 280 6 6 6 6 6 5 5 5 5 5 300 5 5 4 4 4 4 4 4 4 4 320 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 330 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 350 3 3 3 3 3 3 3 3 3 2 410 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 450 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Balanço hídrico climatológico de Thornthwaite e Mather (1955) Meses Jan. Fev. Mar. Abr. Maio Jun. Jul. Ago. Set. Out. Nov. Dez. Ano ETp 102 93 87 72 55 45 44 58 68 86 91 198 899 P P-ETp N. Ac. ARM ALT ETr 272 192 174 67 41 28 23 25 73 126 213 296 170 99 87 -5 -14 -17 -21 -33 5 40 122 198 0 0 0 -5 -19 -36 -57 -90 -78 -16 0 0 100 100 100 95 82 69 56 40 45 85 100 100 0 0 0 -5 -13 -13 -13 -16 5 40 15 0 1530 631 - - 0 DEF EXC A próxima coluna a ser preenchida é da Alteração (ALT), sendo a variação de armazenamento do mês (i) relativa ao mês anterior (i – 1). Alt Arm i Arm i 1 Os valores negativos indicam a retirada de água em que a grama (cultura de referência) procura atender no todo ou em parte a sua demanda de evapotranspiração (ETp). Os valores positivos representam a reposição de água ao solo, ocorrendo nos meses em que as chuvas superam a demanda de evapotranspiração (ETp). Portanto, o somatório dessa coluna é necessariamente “0”, pois no equilíbrio climático a retirada de água do solo é igual à sua reposição. Balanço hídrico climatológico de Thornthwaite e Mather (1955) Meses ETp P P-ETp N. Ac. ARM ALT ETr Jan. Fev. Mar. Abr. Maio Jun. Jul. Ago. Set. Out. Nov. Dez. 102 93 87 72 55 45 44 58 68 86 91 98 272 192 174 67 41 28 23 25 73 126 213 296 170 99 87 -5 -14 -17 -21 -33 5 40 122 198 0 0 0 -5 -19 -36 -57 -90 -78 -16 0 0 100 100 100 95 82 69 56 40 45 85 100 100 0 0 0 -5 -13 -13 -13 -16 5 40 15 0 Ano 899 1530 631 - - 0 102 93 87 72 54 41 36 41 68 86 91 98 867 DEF EXC A evapotranspiração real (ETr), é calculada conforme os seguintes critérios: ETr será igual a ETp sempre que P > ETp, ou seja, não ocorre restrição de água para a cultura se a precipitação é maior que a demanda de evapotranspiração. Se P ETp ETr = ETp Balanço hídrico climatológico de Thornthwaite e Mather (1955) Meses Jan. Fev. Mar. Abr. Maio Jun. Jul. Ago. Set. Out. Nov. Dez. Ano ETp 102 93 87 72 55 45 44 58 68 86 91 98 899 P P-ETp N. Ac. ARM ALT ETr 272 192 174 67 41 28 23 25 73 126 213 296 170 99 87 -5 -14 -17 -21 -33 5 40 122 198 0 0 0 -5 -19 -36 -57 -90 -78 -16 0 0 100 100 100 95 82 69 56 40 45 85 100 100 0 0 0 -5 -13 -13 -13 -16 5 40 15 0 102 93 87 72 54 41 36 41 68 86 91 98 1530 631 - - 0 869 DEF EXC Nos outros casos, ETr será igual a P somada ao valor absoluto da alteração; nesse caso, como P é inferior à ETp, tudo que chove é utilizado na ETr e ainda a cultura retira água do solo em relação ao armazenamento do mês anterior. Se P < ETp ETr = P + I Alt I Balanço hídrico climatológico de Thornthwaite e Mather (1955) Meses ETp P P-ETp N. Ac. ARM ALT ETr DEF Jan. Fev. Mar. Abr. Maio Jun. Jul. Ago. Set. Out. Nov. Dez. 102 93 87 72 55 45 44 58 68 86 91 98 272 192 174 67 41 28 23 25 73 126 213 296 170 99 87 -5 -14 -17 -21 -33 5 40 122 198 0 0 0 -5 -19 -36 -57 -90 -78 -16 0 0 100 100 100 95 82 69 56 40 45 85 100 100 0 0 0 -5 -13 -13 -13 -16 5 40 15 0 102 93 87 72 54 41 36 41 68 86 91 98 0 0 0 0 1 4 8 17 0 0 0 0 Ano 899 1530 631 - - 0 869 30 EXC A deficiência hídrica, (DEF), representa a deficiência de evapotranspiração, ou seja, o quanto faltou de água para que ETr tivesse sido igual ao valor da ETp. Portanto, calcula-se pela diferença entre ETp e ETr. DEF = ETp - ETr Balanço hídrico climatológico de Thornthwaite e Mather (1955) Meses ETp P P-ETp N. Ac. ARM ALT ETr DEF EXC Jan. Fev. Mar. Abr. Maio Jun. Jul. Ago. Set. Out. Nov. Dez. 102 93 87 72 55 45 44 58 68 86 91 98 272 192 174 67 41 28 23 25 73 126 213 296 170 99 87 -5 -14 -17 -21 -33 5 40 122 198 0 0 0 -5 -19 -36 -57 -90 -78 -16 0 0 100 100 100 95 82 69 56 40 45 85 100 100 0 0 0 -5 -13 -13 -13 -16 5 40 15 0 102 93 87 72 54 41 36 41 68 86 91 98 0 0 0 0 1 4 8 17 0 0 0 0 0 0 0 0 Ano 899 1530 631 - - 0 869 30 161 A última coluna , de excesso hídrico, é calculada conforme os seguintes critérios: a) Sempre que P - ETp for negativo, o excesso será igual a 0 (zero) ou, havendo deficiência, não haverá excesso hídrico; Balanço hídrico climatológico de Thornthwaite e Mather (1955) Meses ETp P P-ETp N. Ac. ARM ALT ETr DEF EXC Jan. Fev. Mar. Abr. Maio Jun. Jul. Ago. Set. Out. Nov. Dez. 102 93 87 72 55 45 44 58 68 86 91 98 272 192 174 67 41 28 23 25 73 126 213 296 170 99 87 -5 -14 -17 -21 -33 5 40 122 198 0 0 0 -5 -19 -36 -57 -90 -78 -16 0 0 100 100 100 95 82 69 56 40 45 85 100 100 0 0 0 -5 -13 -13 -13 -16 5 40 15 0 102 93 87 72 54 41 36 41 68 86 91 98 0 0 0 0 1 4 8 17 0 0 0 0 170 99 87 0 0 0 0 0 0 0 107 198 Ano 899 1530 631 - - 0 869 30 161 b) Para os demais meses, o excesso será igual ao valor de P - ETp subtraindo o valor da alteração. EXC = (P-ETp) - ALT Balanço hídrico climatológico de Thornthwaite e Mather (1955) Meses ETp P P-ETp N. Ac. ARM ALT ETr DEF EXC Jan. Fev. Mar. Abr. Maio Jun. Jul. Ago. Set. Out. Nov. Dez. 102 93 87 72 55 45 44 58 68 86 91 98 272 192 174 67 41 28 23 25 73 126 213 296 170 99 87 -5 -14 -17 -21 -33 5 40 122 198 0 0 0 -5 -19 -36 -57 -90 -78 -16 0 0 100 100 100 95 82 69 56 40 45 85 100 100 0 0 0 -5 -13 -13 -13 -16 5 40 15 0 102 93 87 72 54 41 36 41 68 86 91 98 0 0 0 0 1 4 8 17 0 0 0 0 170 99 87 0 0 0 0 0 0 0 107 198 Ano 899 1530 631 - - 0 869 30 161 FIM