Surface water and energy fluxes in South America : an integrated approach based on remote sensing and flux measurements

Abstract

South America is a water-abundant continent, home to the world's largest river basins and rainforest, which plays a crucial role in providing moisture to other regions of the continent through evapotranspiration (𝐸𝑇). 𝐸𝑇 is a crucial indicator of the earth's ecosystem functioning, linking the water, energy, and carbon cycles. Due to the great challenge of obtaining 𝐸𝑇 information based on in situ measurements, remote sensing data has become a great opportunity to obtain 𝐸𝑇 estimations. Based on measurements and estimations based on remote sensing data, this study aimed to evaluate the dynamics, patterns and controls of water and energy fluxes in South America, seeking to answer three main questions: i) can remote sensing data provide accurate information on the water balance?; ii) how do the factors controlling 𝐸𝑇 vary across different biomes and land use and land cover (LULC) conditions? and iii) can remote sensing models represent accurately 𝐸𝑇 patterns and its components under different LULC conditions? To answer the first question, we performed a water balance analysis, evaluating the uncertainties of precipitation and 𝐸𝑇 estimations using in situ measurements, and conducting an analysis to understand how much these uncertainties can be affected due to the basin’s scales. The results showed that due to the uncertainties related to each of the variable from remote sensing it is not yet possible to achieve the water balance closing. However, the approach proved to be a great alternative to evaluate the dynamics of water fluxes from small to large basins, especially in those where in situ measurement is still scarce. To seek to answer the second question, we evaluated the influence of biotic and abiotic factors on 𝐸𝑇 control processes, based on surface and aerodynamic conductances and the decoupling factor, at 20 flux measurement sites in South America. Through this analysis, different patterns of latent (𝐿𝐸) and sensible (𝐻) heat fluxes were verified, and different degrees of importance of biotic and abiotic controls on the 𝐸𝑇 process according to different LULC conditions. Finally, based on 11 flux measurement sites and four 𝐸𝑇 models (MOD16, GLEAM, PML and SSEBOP), we assessed the accuracy of 𝐸𝑇 estimates in the Amazon basin, and the representation of 𝐸𝑇 fluxes in forest, pasture, and soybean areas, in the Tapajós basin. The results showed that obtaining accurate 𝐸𝑇 estimates is still a major challenge in the Amazon basin, especially in humid and seasonally flooded sites. Significant discrepancies between the models and between measurements were found, and these discrepancies were even more significant when evaluated the individual 𝐸𝑇 components. However, even though each model did not perform significantly under all climatic and vegetation conditions, they present together a great opportunity to improve the accuracy of 𝐸𝑇 estimates, leading to an improved understanding of the impacts on water and energy fluxes due to human activities. Thus, these results demonstrate the potential and limitations of hydrological components obtained by remote sensing, especially for 𝐸𝑇, and how LULC changes may modify this flux in South America.

A América do Sul é um continente abundante em água, abrigando as maiores bacias hidrográficas e a maior floresta tropical do mundo, a floresta Amazônica. A Amazônia desempenha um papel crucial no fornecimento de umidade para outras regiões do continente por meio da evapotranspiração (𝐸𝑇). A 𝐸𝑇 é um indicador crucial do funcionamento do ecossistema terrestre, interligando os ciclos da água, energia e carbono. Devido ao grande desafio de obtenção de informações de 𝐸𝑇 por medições in situ, o uso de dados de sensoriamento remoto tem se mostrado uma grande alternativa para obter estimativas desta variável. Com base em dados medidos e estimados por sensoriamento remoto foi conduzido um estudo que visou analisar a dinâmica, os padrões e os controles dos fluxos de água e energia na América do Sul, buscando responder a três questões principais: i) os dados de sensoriamento remoto podem fornecer informações precisas sobre o balanço hídrico?; ii) como os fatores que controlam a 𝐸𝑇 variam em diferentes biomas e condições de uso e cobertura do solo (LULC)?; e iii) os modelos de sensoriamento remoto conseguem representar com acurácia os padrões de 𝐸𝑇 e das suas componentes em diferentes condições de LULC? Para responder a primeira pergunta realizou-se uma análise de balanço hídrico, na qual foi avaliada as incertezas das estimativas de precipitação e 𝐸𝑇 usando medições in situ, e uma análise do quanto essas incertezas podem ser afetadas devido ao efeito de escala das bacias analisadas. Os resultados mostraram que devido às incertezas relacionadas com cada uma das componentes estimadas por sensoriamento remoto ainda não é possível alcançar o fechamento do balanço hídrico. No entanto, a abordagem demonstrou ser uma grande alternativa para avaliar a dinâmica dos fluxos de água, de pequenas a grandes bacias, especialmente naquelas onde a medição in situ ainda é escassa. Para buscar responder a segunda pergunta analisou-se a influência dos fatores bióticos e abióticos no controle dos processos de 𝐸𝑇, por meio da análise das condutâncias de superfície e aerodinâmica e do fator de desacoplamento em 20 locais de monitoramento de fluxo na América do Sul. Por meio desta análise verificou-se diferentes padrões dos fluxos de calor latente (𝐿𝐸) e sensível (𝐻), além de diferentes graus de importância dos controles bióticos e abióticos sobre o processo de 𝐸𝑇 e de acordo com as diferentes condições de LULC. Por fim, com base em 11 locais de monitoramento de fluxo e quatro modelos de 𝐸𝑇 (MOD16, GLEAM, PML e SSEBOP), analisou-se a acurácia destas estimativas na bacia amazônica, e a representação dos fluxos de 𝐸𝑇 em áreas de floresta, pastagem e soja, na bacia do Tapajós. Os resultados mostraram que a obtenção de estimativas acuradas de 𝐸𝑇 ainda é um grande desafio na bacia Amazônica, principalmente em locais úmidos e sazonalmente inundados. Discrepâncias significativas entre os modelos e entre as medições foram encontradas, sendo estas discrepâncias ainda mais expressivas quando se analisou as componentes individuais de 𝐸𝑇. No entanto, os resultados deste estudo demonstraram que apesar de cada modelo não apresentar um desempenho significativo em todas as condições climáticas e de vegetação, estes apresentam em conjunto, uma grande oportunidade para melhorar a acurácia das estimativas de 𝐸𝑇, propiciando um aprimoramento na compreensão dos impactos nos fluxos de água e energia devido a atividades antrópicas. Deste modo, estes resultados enfatizam os potenciais e limitações das variáveis hidrológicos obtidas por sensoriamento remoto, especialmente para a 𝐸𝑇, e como as mudanças LULC podem modificar este fluxo na América do Sul.