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Revista de Teledetección. 2003. 20: 53-57.
Cálculo de la evapotranspiración en un bosque
boreal
1 1 1 2J. M. Sánchez , V. Caselles , R. Niclós y T. Laurila
Correo electrónico: JuanManuel.Sanchez@uv.es
1Departamento de Termodinámica, Facultad de Física, Universitat de València,
C/Dr. Moliner, 50, 46100 Burjassot
2Finish Meteorological Institute, Air Quality Research,
Sahaaankatu 20E,FIN-00880, Helsinki
RESUMEN ABSTRACT
El objetivo de este trabajo es mostrar un método ope- The objective of this paper is to show an operatio-
rativo para la determinación de la evapotranspiración en nal method for determining evapotranspiration in a
un bosque boreal mediante datos de teledetección. El boreal forest using remote sensing data. The specific
propósito concreto es estimar la resistencia aerodinámi- purpose is to estimate the aerodynamic resistance to
ca que debemos utilizar en la ecuación de balance de be used in the energy-balance equation. As a result,
energía con tal fin. Como resultado, hemos obtenido we have obtained this value for a boreal forest,
dicho valor (32,3±1,6 s m-1) y lo hemos comparado con (32,3±1,6 s m-1). It was also compared with values
valores de diferentes bosques dados en la bibliografía. for different forest given in the bibliography.
PALABRAS CLAVE: bosque boreal, temperatura de
cultivo, resistencia aerodinámica, evapotranspiración, KEY WORDS: boreal forest, canopy temperature,
flujo de calor. aerodynamic resistance, evapotranspiration, heat
flux.
INTRODUCCIÓN Finlandés situado en Sodankylä, 100 km al norte
del Círculo Ártico. Se trata de una zona de bosque
Uno de los aspectos más importantes a tener en boreal, con pinos (Pinus sylvestris L.) de más de 10
cuenta en estudios sobre hidrología o climatología, m de altura y con una antigüedad media de 100
es la determinación de la evapotranspiración. años (Figura 1, a).
Haciendo un breve resumen de los distintos modelos La temperatura de los pinos se midió median-
desarrollados, encontramos los modelos de una capa te un radiómetro multicanal infrarrojo térmico
(para cultivos homogéneos) y los de dos capas (para de la casa CIMEL Electronique (modelo CE312),
cultivos con vegetación dispersa). En este trabajo nos situado sobre una torre de 20 m construida con
centraremos en el segundo grupo de modelos. este objetivo (Figura 1, b). Mientras que los
Este estudio, además, tiene como marco el pro- diferentes flujos y la temperatura del aire se
yecto SIFLEX-2002 (Solar Induced Fluorescence midieron sobre una torre meteorológica a 23 m
Experiment-2002), financiado por la Agencia de altura, mediante un anemómetro Solent Sonic
Espacial Europea (ESA), cuya campaña de medidas y un indicador de temperatura Vaisala HMP 45,
se llevó a cabo entre los meses de Abril a Junio de respectivamente. Por su parte, la temperatura del
2002 en Sodankylä, en una región de bosque bore- suelo se midió a 2 cm de profundidad a través de
al del norte de Finlandia. un termopar.
En el siguiente apartado describiremos el
ÁREA DE ESTUDIO modelo propuesto para el cálculo de la resisten-
cia aerodinámica a partir de los valores de flujos
La zona de estudio fue el Artic Research Centre, y diferencia de temperaturas entre la superficie y
centro perteneciente al Instituto Meteorológico el aire.
N.º 20 - Diciembre 2003 53J. M. Sánchez, V. Caselles, R. Niclós y T. Laurila
ab
* Figura 1. (a) Área de estudio, (b) Torre de medidas
MODELO PROPUESTO diferencia de temperaturas entre los dos puntos ele-
gidos. Si tomamos como puntos de referencia la
La ecuación de balance de energía, que modeli- altura a la que se toman los datos meteorológicos,
za un sistema formado por la vegetación, el suelo en concreto la temperatura del aire, T , y por otroa
que la circunda y la atmósfera que rodea a ambos, lado, un punto de la superficie del cultivo, que pre-
se puede expresar de la forma: sentará una temperatura T , podemos escribir dichoc
flujo como (Brown y Rosenberg, 1973):
(1)
(2)
2donde R es el flujo de radiación neta (W/m ), G eln
2 3flujo geotérmico (W/m ), H el flujo de calor sensi- donde ρ es la densidad del aire (kg/m ), C es calorp
2ble (W/m ) y LE es el flujo de calor latente en la específico del aire (J/kg K) y r la resistencia aero-a
2capa límite de la atmósfera (W/m ). Éste último es dinámica (s/m).
el producto de la masa de vapor de agua evaporada, Pero si trabajamos con vegetación no homogé-
E (kg), y el calor latente de vaporización de agua nea, como es nuestro caso, la temperatura observa-
2por unidad de masa, L (W/m kg). El flujo de radia- da por el satélite va a depender de la proporción de
ción neta se puede medir directamente y el de calor vegetación, así como de las temperaturas de las dos
sensible se puede obtener fácilmente a partir de una fuentes establecidas, de forma que podemos escri-
diferencia de temperaturas entre dos puntos dados, bir esta temperatura radiativa, en una primera apro-
en cambio, la determinación de la evapotranspira- ximación, como (Caselles et al., 1992):
ción es más complicada.
Podemos suponer, por analogía con la ley de (3)
Ohm, que la diferencia de temperaturas entre esos
dos puntos de referencia representan una diferencia donde T es la temperatura del suelo y P es la pro-s v
de potencial entre dos puntos cualesquiera de un porción de vegetación.
conductor. De esta forma, H haría el papel de la Por analogía con la ecuación (2), podemos poner
corriente eléctrica, con lo que podemos definir una ahora:
resistencia aerodinámica, que modelizará la rela- (4)
ción que exista entre el flujo de calor sensible y la
Todas las figuras precedidas de asterisco se incluyen en el cuadernillo anexo de color
54 N.º 20 - Diciembre 2003Cálculo de la evapotranspiración en un bosque boreal
*donde r es la resistencia aerodinámica “equivalen-a (9)
te” (s/m), que depende de las resistencias que apa-
rezcan en el sistema.
De acuerdo con el modelo de resistencias en Para días claros, estos autores encontraron, a par-
paralelo propuesto por Norman et al. (1995), el tir de datos de tres años, un valor para la relación
flujo de calor, H, presenta dos contribuciones, ya R /R =0,30±0,03. De esta forma sólo necesitamosnd ni
*que el flujo de calor correspondiente al suelo, H , conocer el valor de r para obtener la evapotrans-s ai
se produce en paralelo con el proveniente de las piración diaria de una zona concreta.
hojas del cultivo, H , de manera que podemosc
escribir:
RESULTADOS
*Según la ecuación (4), la forma de calcular r(5) ai
será realizando un ajuste lineal del flujo de calor
sensible, H, frente a la diferencia de temperaturas
T -T ; éste dependerá de la velocidad del viento yrad a
(6) puede variar en un factor 6 dependiendo del tipo de
cultivo (desde hierba hasta árboles).
a Otra cuestión a tener en cuenta es que mientrasdonde r es la resistencia aerodinámica a la trans-a
s que las temperaturas del aire, T , y del suelo, T , seferencia de momento (s/m) y r es la resistencia a sa
miden de forma directa, la temperatura del cultivo,aerodinámica entre la superficie del suelo y el sumi-
T , se obtiene de una forma indirecta a partir dedero de momento en la vegetación (s/m). c
medidas de radiancia. Las medidas fueron tomadas
Penman y Long (1960) propusieron la siguiente cada 15 minutos mediante el radiómetro de infra-
expresión para calcular la resistencia aerodinámica, rrojo térmico CIMEL CE 312. Los valores de
ar , en condiciones de atmósfera neutra: radiancia medidos, L , se componen de dos contri-a i
buciones principales: (1) la emisión directa del cul-
tivo, y (2) la reflexión de la radiación atmosférica
(7) descendente, de forma que L , según la ecuación dei
transferencia radiativa, se expresa como:
donde z es la altura de referencia (m), z es el pará- (10)0
metro de rugosidad (m), d es la altura del plano de
desplazamiento cero (m), k es la constante de von donde B (T ) es la función de Planck para una tempe-i c
Karman (~0,41), y u es la velocidad del viento ratura T para el canal i; e es la emisividad efectiva dec i
(m/s) medida a la altura z. la superficie; y L es la radiación atmosférica des-Si
Si trabajamos a escala diaria, el flujo geotérmico cendente. La determinación de T requiere, pues, lac
se puede despreciar, y si, además tenemos en cuen- estimación tanto de la radiación atmosférica descen-
ta que H /R =H /R (Itier y Riou, 1982), la ecua- dente, como de la emisividad (Niclós et al., 2003).d nd i ni
ción (1) se puede simplificar como: Una vez hemos calculado los valores de T , yc
disponiendo de medidas de T y T , ya podemoss a
(8) obtener T (tomando para la porción de vegetaciónrad
un valor de P =0,38, determinado para nuestra zonav
donde los subíndices i y d representan valores ins- experimental) y consecuentemente las diferencias
tantáneos y diarios al mediodía, respectivamente. T -T . Para el cálculo de la resistencia aerodinámi-rad a
El coeficiente B se puede definir como un “coefi- ca hemos tomado los valores comprendidos entre
2ciente de intercambio” (W/m K) que viene pesa- las 12 y 14 horas. El resultado final, que se puede
do por el cociente R /R y que expresa la contri- apreciar en la Figura 2, es el siguiente:nd ni
bución relativa de la radiación neta al mediodía
cuando se integra el intercambio radiativo global.
(11)Dicho coeficiente viene, pues, dado por (Seguin e
Itier, 1983):
N.º 20 - Diciembre 2003 55
,J. M. Sánchez, V. Caselles, R. Niclós y T. Laurila
En la mayoría de los trabajos realizados hasta
ahora sobre bosque, el interés se centra principal-
amente en la obtención del valor de r , restandoa
* simportancia al cálculo de r y sobre todo de r . Ena a
la Tabla 1 se muestran algunos parámetros carac-
terísticos para otros bosques recopilados de la
abibliografía, así como los valores de r obtenidosa
a partir de ellos y asumiendo las mismas condicio-
nes que en nuestra experiencia particular (z=23 m
y u=3,4 m/s). Analizando la Tabla 1, vemos como
ael valor de r varía mucho según el tipo de bosqueFigura 2. Ajuste lineal del flujo de calor sensible, H, fren- a
considerado.te a la diferencia de temperaturas, T -T
rad a
aEn cuanto al valor de r que hemos obtenidoa
para nuestro bosque boreal, no se aleja demasiadocon un coeficiente de correlación de r=0,78. De
del valor medio para los distintos tipos de bosqueacuerdo con la ecuación (4), ya podemos extraer el
-1* (14,5 s m ) y coincide bastante bien con el valorvalor de la resistencia aerodinámica, r , para ela
dado por Sun y Mahrt (1995) para un bosque bore-bosque boreal. Para ello hemos asumido para las
al en Canadá. Además con los valores disponiblescondiciones de la zona unos valores de r=1,20 kg
*-3 -1 -1 de r , podemos comprobar cómo la relación entrem y de c =1006,25 J kg K . Con todo esto obte- ap
aésta y r se sigue cumpliendo para nuestro caso denemos un valor de: a
forma aproximada.
* -1r = 32,3±1,6 s ma Por otro lado, también hemos realizado el cálcu-
lo teórico de la resistencia aerodinámica a la trans-Por otro lado, a partir de la ecuación (7) obtene-
a -1a ferencia de momento, r = 12,5 ±1,8 sm .mos también el valor de r . Para ello seguimos la aa
* aAmbos valores (r y r ) están de acuerdo con loslínea de algunos autores como Savage et al. (1996), a a
obtenidos por otros autores (ver Tabla 1). que aceptan para bosque valores de d=2h/3 y
z =h/10, donde h es la altura de los árboles (en0
nuestro caso h=11m).
En cuanto a la altura de referencia z, la situamos CONCLUSIONES
en los 23 m.
La media de la velocidad del viento para el inter- En este trabajo hemos calculado de forma expe-
valo horario considerado y a esa altura es de rimental un valor para la resistencia aerodinámica
*u=3,4±0,5 m/s. Obtenemos con esto un valor de: correspondiente a un bosque boreal, r = 32,3±1,6a
-1
a -1 s m . Para ello, hemos necesitado, en primer lugar,r = 12,5±1,8 s ma
Tabla 1. Parámetros característicos y resistencias aerodinámicas obtenidas para diversos tipos de bosque
56 N.º 20 - Diciembre 2003Cálculo de la evapotranspiración en un bosque boreal
obtener las temperaturas de cultivo a partir de los NORMAN, J., KUSTAS, W. y HUMES, K. 1995.
valores medidos de radiancia, según el método Source approach for estimating soil and vegeta-
expuesto por Niclós et al (2003). tion energy fluxes in observations of directional
*Una vez conocido el valor de r y haciendo radiometric surface temperature. Agriculturala
uso de las ecuaciones (8) y (9), tenemos un méto- and Forest Meteorology. 77: 263-293.
do operativo para el cálculo de la evapotranspira- OHTA, T., HIYAMA, T., TANAKA, H., KUWA-
ción del bosque boreal a partir de medidas de DA, T., MAXIMOV, T.C., OHATA, T. y FUKUS-
teledetección. HIMA, Y. 2001. Seasonal variation in the energy
and water exchanges above and below a larch
forest in eastern Siberia. Hidrological Processes.
AGRADECIMIENTOS 15: 1459-1476.
PENMAN, H.L. y LONG, I.F. 1960 Weather in
Queremos expresar nuestra gratitud a la wheat - an essay in micro-meteorology, Quarterly
Agencia Espacial Europea (ESTEC Contrato nº Journal of the Royal Meteorological Society. 86:
16026/02/NL/SF), al Ministerio de Ciencia y 16-50.
Tecnología (Proyecto REN2001-3116) y a la SAVAGE, M. J., McINNES, K. J. y HEILMAN,
Unión Europea (Fondos Feder), por la financia- J.L. 1996. The “footprints” of eddy correlation
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N.º 20 - Diciembre 2003 57J. M. Sánchez, V. Caselles, R. Niclós y T. Laurila
NOTICIAS
La revista de Teledetección insertará figuras EN
COLOR, acompañando los textos de los artículos
seleccionados.
Mediante esta decisión, se vuelve a recuperar uno de
los objetivos iniciales de la revista. Parecía una nece-
sidad obvia incluir los resultados gráficos en color
para alcanzar mayor calidad de este instrumento de
comunicación entre los miembros de la comunidad
científica española que trabaja en Teledetección.
Por tanto, desde estas páginas se anima de nuevo a
todos aquellos profesionales involucrados en estudios
científicos o técnicos de Teledetección a que envíen
sus trabajos a la revista, considerando esta nueva posi-
bilidad.
Seguimos trabajando en la mejora de calidad de la
revista. Serán bienvenidas todas aquellas sugerencias
que permitan alcanzar ese objetivo.