ABSTRACT Climate is a determining factor in agricultural production and climate change can affect this productivity. This, study aims to analyze the consequences of climatic change in the soil water dynamic and growth soybean in Southern Brazil. Scenarios were created for conditions of a 2 ºC temperature increase, a 20% reduction, and a 50% increase in precipitation rates, representing hot, dry and wet scenarios, respectively. The atmospheric forcing generated were used as input data for the agricultural version of the Integrated Biosphere Simulator model (Agro-IBIS) and simulations were carried out for a soybean growing season in the northwestern Rio Grande do Sul, Brazil. The following variables estimated by Agro-IBIS were analyzed: soil moisture, soybean leaf area index, evaporation, and transpiration. The results showed that the climatic changes projected by the simulations influence soybean growth in the study area. By increasing the temperature in 2 °C, the Agro-IBIS model indicated the occurrence of shorter crop growth cycles and even more impactful results on the leaf area index, with a 70% reduction in the highest values. Furthermore, a 50% increase in precipitation rate showed positive effects on agriculture, indicated by increased LAI in the reproductive period. On the other hand, a 20% reduction in precipitation has a negative effect, as it exposes the crop to water deficit conditions, impacting soil moisture and decreasing LAI. The soil evaporation is also intensified with increased temperatures due to the higher evaporative demand of the atmosphere and a significant decline in LAI. The transpiration for the hot scenario is more strongly impacted during the vegetative growth stage and leaf senescence.

RESUMO O Clima é um fator determinante na produção agrícola e as mudanças climáticas podem afetar esta produtividade. Assim, este estudo tem como objetivo analisar as consequências das mudanças climáticas na dinâmica da água no solo e do crescimento da soja no sul do Brasil. Foram criados cenários para condições de aumento de temperatura de 2 ºC, redução de 20% e aumento de 50% nas taxas de precipitação, representando cenários quentes, secos e úmidos, respectivamente. Os forçamentos atmosféricos gerados foram utilizados como dados de entrada para a versão agrícola do modelo de Simulação Integrada da Biosfera (Agro-IBIS) e simulações foram executadas para uma estação de cultivo de soja no noroeste do Rio Grande do Sul, Brasil. Analisaram-se as seguintes variáveis estimadas pelo Agro-IBIS: umidade do solo, índice de área foliar (LAI) da soja, evaporação e transpiração. Os resultados mostraram que as mudanças climáticas projetadas pelas simulações influenciam o crescimento da soja na área de estudo. Ao aumentar a temperatura em 2 °C, o modelo Agro-IBIS indicou a ocorrência de ciclos de crescimento de safra mais curtos e resultados ainda mais impactantes no LAI, com redução de 70% nos valores mais altos. Além disso, o aumento de 50% na taxa de precipitação mostrou efeitos positivos na agricultura, indicados pelo aumento do LAI no período reprodutivo. Por outro lado, a redução de 20% na precipitação tem efeito negativo, pois expõe a cultura a condições de déficit hídrico, impactando a umidade do solo e diminuindo o LAI. A evaporação do solo também é intensificada com o aumento das temperaturas devido à maior demanda evaporativa da atmosfera e um declínio significativo do LAI. A transpiração para o cenário quente é mais fortemente afetada durante o estádio de crescimento vegetativo e a senescência das folhas.

Resumo Durante a estação fria, episódios de uma ventania conhecida como Vento Norte (VNOR) são frequentes na região central do Rio Grande do Sul (RS). O fenômeno é caracterizado por intensas rajadas de vento de direção norte, acompanhadas de um aumento abrupto de temperatura e acentuado secamento. O estudo aponta que uma metodologia, baseada nas observações do desvio padrão de temperatura, permite identificar o início e término do fenômeno. Adicionalmente, o estudo mostra resultados de diferentes variáveis micrometeorológicas durante a ocorrência do evento. Perfis atmosféricos de início da manhã e de início da noite exibem uma camada mistura elevada sobre o centro do RS em associação com os fortes ventos do VNOR, indicando a presença de mistura turbulenta forçada mecanicamente durante o período noturno.

Abstract During the cold season, episodes of a windstorm known as Vento Norte (VNOR) are frequently observed in the city of Santa Maria, situated in the central region of Rio Grande do Sul (RS). The onset of this windstorm is characterized by strong gusts with northerly component which are accompanied by a sharp increase in temperature and abrupt drying. A methodology based on the observed behavior of the standard deviation of temperature during VNOR was successful in identifying the onset and demise of the windstorm. Additionally, the research shows the results of different micrometeorological variables during the event. Early morning and evening atmospheric profiles exhibit an elevated mixed layer over central RS in association with the strong VNOR winds, indicating the presence of mechanically-forced mixing during nighttime hours.

ABSTRACT This study evaluated the adequacy of the One-Source Energy Balance (OSEB) and Surface Energy Balance Algorithm for Land (SEBAL) models to estimate evapotranspiration in grain growing areas with humid subtropical climate in Rio Grande do Sul, southern Brazil. The dataset was obtained from a micrometeorological station (Eddy Covariance) and MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) products during 84 observation days between 2009 and 2011. The OSEB and SEBAL models were used to estimate the partition of net radiation (Rn) into the components latent heat flux (LE), sensible heat flux (H), and ground heat flux (G) estimated from the MODIS images while the experimental data measured in situ were used to compare the results. Analyses indicated that the Energy Balance (EB) components were estimated from the MODIS images satisfactorily despite the spatial resolution limitations. Furthermore, the SEBAL model estimated the EB components satisfactorily only for summer crops. There are uncertainties associated with determining the hot and cold pixels due to the region humid subtropical climate and the spatial resolution of the sensor used in the other periods. The OSEB model has the lowest errors and the most adequate partitioning of the EB components throughout the year, and therefore, it is the most suitable for the climatic conditions of Rio Grande do Sul.

The processes of water transfer in the soil-plant-atmosphere system are strongly affected by soil use and management. Differences in the dynamics of soil water transfer between no-tillage (NT) and conventional tillage (CT) practices during a soybean (Glycine max) growing season in southern Brazil were assessed in this study. All the water balance components were analyzed during the soybean growing season (2009/2010). Rainfall, runoff, soil water storage and hydro-physical soil properties were analyzed under two tillage systems. The land-atmosphere water vapor exchanges, obtained from eddy covariance stations, were analyzed with regard to the soybean agroecosystem. Characterizations of soil water storage were also formulated in the 2006/2007 and 2008/2009 soybean growing seasons under the NT system. During the periods without rain, the soil water content under NT was greater than under CT. The soil superficial layer, more porous under NT, contributed to less runoff during rainy events. Moreover, under NT conditions the water supply was always high, between 0.2 - 0.5 m. The total evapotranspiration in the soybean agroecosystem growing season was 410.8 mm.

O presente estudo teve como objetivo avaliar a eficiência do algoritmo SEBAL na estimativa dos componentes de balanço de energia e da evapotranspiração para áreas de cultivo de soja irrigada no município de Cruz Alta (RS), assim como analisar a variação temporal e espacial da evapotranspiração a partir de imagens do sensor TM Landsat 5. O algoritmo Surface Energy Balance Algorithm for Land (SEBAL) foi aplicado a seis imagens distribuídas ao longo do ciclo fenológico da cultura da soja, no município de Cruz Alta, RS, nas safras 2009 e 2010. As estimativas obtidas foram comparadas com os dados de superfície, obtidos por meio da estação micrometeorológica localizada na área de estudo. As estimativas mais precisas foram as do saldo de radiação, enquanto que a estimativa que apresentou maior erro foi a do fluxo de calor no solo. O SEBAL mostrou potencial para mapear a variabilidade espacial e temporal da evapotranspiração, evidenciando sensibilidade aos diferentes tipos de ocupação do solo e aos diferentes estádios de desenvolvimento da cultura.

The present study aimed to evaluate the efficiency of SEBAL algorithm in estimating the energy balance components and evapotranspiration for irrigated soybean areas, near the municipality of Cruz Alta, RS, Brazil, and to analyze the temporal and spatial variation of evapotranspiration from Landsat TM5 image. The Surface Energy Balance Algorithm for Land (SEBAL) was applied to six images distributed throughout the soybean growth season in 2009 and 2010 harvests. The estimates were compared to micrometeorological data retrieved from a station located in the studied area. The most accurate modeled parameter estimatives was net radiation while the one which presented the highest error was soil heat flux. The SEBAL showed potential to map the spatial and temporal evapotranspiration variability, showing sensitivity to different types of land cover and to different crop development stages.

O aumento das emissões dos gases de efeito estufa (GEE) se configura, atualmente, como um dos principais problemas ambientais, o que pode afetar significativamente as atividades humanas e os ecossistemas terrestres. Um dos principais GEE é o CO2, o qual tem sido emitido indiscriminadamente em função do estilo de vida atual, assim como pela intensificação das atividades agrícolas. Neste contexto, o objetivo da pesquisa foi estudar a relação entre o comportamento espectral da cultura de soja ao longo de seu ciclo de desenvolvimento, utilizando imagens NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) e o fluxo de CO2, calculado pelo método de covariância de vórtices (eddy covariance), gerando informações e metodologia para investigar as trocas de carbono em uma área de cultivo de soja no estado do Rio Grande do Sul, durante a safra de 2008/2009. Utilizou-se imagens TM do satélite Landsat 5, dados fenológicos e dados coletados em estação micrometeorológica ao longo do ciclo de desenvolvimento da soja. Os resultados mostraram que o padrão temporal do fluxo de CO2 ao longo do dia é cíclico, sendo que no período diurno apresenta valores negativos (captura) e no período noturno, positivos (liberação). A radiação solar global determina a magnitude do aprisionamento de CO2 pela cultura da soja, mas o fluxo é modulado pelo estádio fenológico da cultura. A atividade fotossintética das plantas de soja é maior durante o estádio vegetativo, quando coincide a maior incidência de radiação solar e o maior aparato fotossintético. O NDVI, obtido de imagens Landsat, é um indicador da evolução da biomassa da soja ao longo do ciclo. Existe correlação entre o NDVI e o fluxo negativo de CO2 (captura), ocorridos no período diurno. Portanto, técnicas de sensoriamento remoto demonstram potencialidade na geração de informações úteis sobre as trocas de CO2 entre a superfície e a atmosfera.

The increasing on the greenhouse gases (GHG) emissions is today one of the main environmental problems, which can significantly affect human activities and land ecosystems. One of the main GHG is CO2, which has been emitted indiscriminately due to the current lifestyle, as well as the intensification of agricultural activities. In this context, the objective of this investigation was to study the relationship between the spectral behavior of soybean during the crop cycle, using NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), and the CO2 fluxes, calculated by the eddy covariance method, generating information and methodology to investigate the carbon exchange in a soybean crop area in the State of Rio Grande do Sul, during the 2008/2009 soybean crop. For this, Landsat images 5 (TM), the phenological information and collected data from micrometeorological station throughout the development cycle of soybean were used. The results showed that the temporal pattern of CO2 flux during the day was cyclical, showing negative values (capture) during daytime and positive values (liberation) at night. The global solar radiation determines the magnitude of the trapping of CO2 by soybean, but the flow is modulated by the phenological stage of the crop. The photosynthetic activity of soybean plants is higher during the vegetative stage, coinciding to the higher incidence of solar radiation and the greater photosynthetic apparatus. The NDVI, obtained from Landsat images, is an indicator of the evolution of soybean biomass during the cycle. NDVI and negative CO2 flow (capture) are correlated during the day. Therefore, remote sensing techniques show potentiality in generating of useful information on CO2 exchange between the surface and atmosphere.

O objetivo deste trabalho foi testar um método de geração de informações da distribuição espacial e temporal da radiação fotossinteticamente ativa absorvida (RFAa), pela cultura da soja, a partir da quantificação da relação entre o índice de vegetação por diferença normalizada (NDVI) e a fração da radiação fotossinteticamente ativa absorvida (FRFAa) pela cultura. O estudo abrangeu o município de Cruz Alta, um dos grandes produtores de soja do Rio Grande do Sul, durante duas safras: 2008/2009 e 2009/2010. Os dados de radiação fotossinteticamente ativa incidente (RFAi) foram monitorados em área experimental e os dados orbitais, provenientes de duas plataformas: Landsat/TM e Terra/MODIS, ambos com distribuição gratuita, mas com características distintas. Foi estabelecida uma relação linear simples entre o NDVI das imagens MODIS e a FRFAa obtida em dois períodos importantes do ciclo, semeadura e máximo desenvolvimento das plantas. Pelos resultados, observou-se que existe associação entre o NDVI e FRFAa, a qual pode, portanto, ser usada na geração de informações da RFAa pela cultura da soja ao longo do ciclo de desenvolvimento, permitindo, assim, um monitoramento temporal deste elemento.

The objective of this study was to test a methodology of data generation of the spatial and temporal distribution of the absorbed photosynthetically active radiation (RFAa) by the soybean crop based on the quantification of the relation between the normalized difference vegetation index (NDVI) and the fraction of absorbed photosynthetically active radiation (FRFAa) by the crop. The study covered the county of Cruz Alta, one of the largest producers of soybean in Rio Grande do Sul, Brazil, during the period of two harvest seasons: 2008/09 and 2009/10. The data of the incident photosynthetically active radiation (RFAi) were collected on the experimental area and the orbital data came from two platforms: Landsat/TM and Terra/MODIS, both with free distribution, but with distinct characteristics. A simple linear relation was established between the NDVI of the MODIS images and the FRFAa, obtained during two important periods of the cycle: sowing and maximum plant growth. The results showed that there is an association between the NDVI and the FRFAa that can, therefore, be used on the generation of RFAa data by the soybean crop throughout the development cycle, allowing the temporal monitoring of this element.

Um modelo estocástico Lagrangeano é utilizado para simular a dispersão e o transporte de contaminantes, sob condições estáveis, com velocidade do vento fraco, no experimento traçante realizado no Idaho National Engineering Laboratory (INEL). Neste trabalho é testada uma nova parametrização dos parâmetros que representam as freqüências associadas ao fenômeno de meandro do vento, presentes nas equações de Langevin para as componentes do vento horizontal. Esta nova parametrização é descrita em termos de uma quantidade adimensional que controla a freqüência de oscilação de meandro do vento e da escala de tempo, associada às estruturas coerentes em uma turbulência bem desenvolvida. As simulações demonstram que o modelo Lagrangeano considerado, incorporando esta nova parametrização, reproduz corretamente a difusão de escalares passivos em uma camada limite atmosférica estável com velocidade do vento fraco.

A Lagrangian stochastic particle model is utilized to simulate the dispersion and the transport of contaminants under low wind stable conditions in the tracer experiment carried in the Idaho National Engineering Laboratory (INEL). In this work a new parameterization for the parameters representing the frequencies associated to the meandering phenomenon is tested. The new parameterization is expressed in terms of a non-dimensional quantity that controls the frequencies of the meandering oscillation and of the time scale associated to a coherent structure in a fully developed turbulence. The simulations show that the considered Lagrangian model, incorporating this new parameterization, reproduces correctly the diffusion of passive scalars in a low wind speed stable atmospheric boundary layer.