A temperatura de superfície do solo (Land Surface Temperature - LST) é definida como a temperatura radiométrica da superfície sobre terra, correspondendo à radiação emitida no infravermelho (IV) térmico por uma camada com espessura da ordem da profundidade de penetração da radiação IV, da ordem do comprimento de onda. A LST é uma variável climatológica importante e, também, um parâmetro de diagnóstico das condições da superfície do solo. Pode ser utilizada para estimar fluxos de calor sensível à superfície, a humidade do solo, a evapotranspiração e propriedades da vegetação, incluindo o seu stress hídrico. A deteção remota, nomeadamente a efetuada através de satélites, constitui o único meio disponível para a obtenção de LST a uma escala espacial global e regular e com elevada frequência temporal. A Land Surface Analysis Satellite Application Facility (LSA-SAF) dissemina, de forma operacional e em tempo quase real, um produto de LST obtido por aplicação de um algoritmo do tipo “generalized split-window” a observações de temperatura de brilho no topo da atmosfera efetuadas pelo Spinning Enhanced Visible and InfraRed Imager (SEVIRI) a bordo dos satélites da série Meteosat Second Generation (MSG). A validação da LST da LSA-SAF envolve não só a sua comparação com medições in situ mas também com a LST obtida por sensores a bordo de outros satélites. As principais fontes de discrepâncias de LST entre satélites são: 1) a calibração do sensor, 2) as funções de resposta, 3) a resolução espacial e temporal, 4) a correção atmosférica aplicada, 5) as estimativas de emissividade de superfície adotadas, 6) a máscara de nuvens utilizadas e 7) a anisotropia angular. Destas, a sensibilidade da LST à anisotropia angular é um dos tópicos menos estudados. No entanto, os produtos de satélite de LST são, em geral, variáveis direcionais, isto é, a LST obtida para uma dada cena, utilizando o mesmo sensor, mas com ângulos de visão diferentes, frequentemente apresenta valores diferentes, dependendo de fatores como o tipo de superfície, as características do solo e a inclinação do terreno. A estrutura da superfície tem uma influência importante na temperatura, devido particularmente a efeitos de sombreamento pelos elementos de vegetação e inclinação do terreno que resultam numa dependência da LST dos ângulos zenital e azimutal de visão. Para superfícies homogéneas, a variabilidade da LST é essencialmente função da direccionalidade da emissividade, enquanto para superfícies heterogéneas a variabilidade angular está na sua maioria associada às proporções observadas pelo satélite de diferentes componentes que possuem as suas próprias temperatura e emissividade. Existem diversos modelos de transferência radiativa que tratam de diferentes formas a anisotropia da radiação em zonas vegetadas. Os modelos Ótico-Geométricos foram desenvolvidos em particular para descrever florestas e outros cobertos vegetais descontínuos. Estes modelos operam assumindo que a copa da vegetação pode ser descrita por objetos geométricos distribuídos espacialmente de acordo com determinado modelo estatístico. A interseção e reflecção de luz são calculadas analiticamente a partir de considerações geométricas. Nestes modelos a radiância de uma dada região é estimada como sendo uma média pesada das radiâncias de cada componente básico (normalmente, o solo ao sol e à sombra e a copa ao sol e à sombra). Neste estudo apresenta-se um modelo geométrico que permite estimar as áreas projetadas de cada componente utilizando geometria de raios paralelos para descrever a iluminação de um único elemento de vegetação tridimensional e a sombra que origina. Dada a forma e tamanho do elemento de vegetação e a geometria de visão e iluminação, as diferentes proporções podem ser estimadas recorrendo ao formalismo do modelo Booleano, desde que se possa assumir que os objetos possuem uma distribuição espacial aleatória. O modelo Booleano inclui ainda a possibilidade de sombreamento mútuo entre objetos e a sobreposição de copas. Este tipo de modelo ótico-geométrico tem sido bastante utilizado por vários autores em estudos de anisotropia de temperatura da superfície. O procedimento proposto no presente trabalho tem a vantagem de recorrer a um método computacional simples para calcular as projeções, em vez de utilizar um método analítico mais rígido e complexo. O método consiste em projetar um elemento de vegetação tridimensional (copa elipsoidal ou cónica) numa malha de elevada resolução, o que permite a utilização de qualquer forma e tamanho para a vegetação e até mesmo a combinação de diferentes formas e tamanhos. As radiâncias das componentes são obtidas a partir de medições in situ da temperatura de brilho provenientes da estação de validação de LSA-SAF em Évora. Estas medições são efetuadas a cada minuto por quatro radiómetros que observam o solo ao sol (em dois pontos diferentes), a copa de uma árvore e o céu a um ângulo zenital de 53º, sendo a última medição utilizada para estimar a componente de fluxo radiativo descendente refletido. Assume-se ainda que a temperatura da sombra é determinada pelos valores máximos diários das temperaturas do ar e do solo ao sol. O modelo é posteriormente aplicado ao pixel do MSG que contém a estação de Évora, utilizando-se informação de terreno sobre a densidade de árvores e a sua forma e tamanho médios. A temperatura do compósito resultante da combinação do modelo geométrico e das medições in situ é então comparada com a LST operacional disseminada pela LSA-SAF. Os resultados mostram uma boa concordância entre a temperatura do compósito e a LST, apresentando um viés de cerca de 1ºC e um erro médio quadrático de cerca de 1.5ºC. Acresce que os resultados mostram que existe um impacto significativo de heterogeneidades da superfície na LST e, especialmente, que esse impacto varia ao longo do dia e do ano uma vez que depende das temperaturas relativas do solo ao sol e à sombra e da copa. Em relação a outros estudos efetuados, o presente trabalho proporciona uma avaliação mais pormenorizada deste efeito, em particular graças à análise efetuada a uma grande variedade de ângulos de visão e iluminação, emissividades de superfície e coberto vegetal. A simplicidade do modelo permite a sua aplicação a qualquer satélite, geoestacionário ou de orbita polar. A LST foi, assim, igualmente comparada com o respetivo produto do sensor MODIS. A comparação dos dois produtos mostra a presença de um viés e de um desvio padrão dos erros de cerca de 3ºC. O modelo geométrico foi mais uma vez aplicado às medições in situ, de forma a estimar e corrigir desvios entre as estimativas de LST com base nos dois sensores, que estão associados a geometrias de visão diferentes. A aplicação desta correção resulta numa redução significativa do desvio padrão dos erros, resultado este expectável, dada a geometria de visão variável do MODIS. Quanto ao viés observado entre os dois sensores, este não pode ser atribuído a diferenças na geometria de visão, estando provavelmente relacionado com outras fontes persistentes de erro. As diferenças observadas podem eventualmente ser atribuídas às discrepâncias significativas observadas entre as emissividades utilizadas pela LSA-SAF e pelo MODIS. Com efeito, no período de estudo, as diferenças variam entre 0.005 e 0.01, com o MODIS a apresentar sempre valores mais elevados, facto consistente com o viés negativo observado. Os resultados obtidos sugerem que o procedimento proposto pode constituir uma ferramenta útil para a validação e comparação de LST de diferentes sensores. O modelo geométrico apresentado representa um ponto de partida para a compreensão dos efeitos direcionais na LST. Pode antecipar-se que este modelo virá a ser utilizado num estudo alargado de sensibilidade, a ser realizado para todo o disco MSG – e por isso para uma vasta variedade de tipos de superfície e geometrias de visão e iluminação – de modo a que sejam identificadas áreas e períodos do dia e do ano em que estes efeitos são mais pronunciados.

Satellite retrieved values of Land Surface Temperature (LST) over heterogeneous pixels generally depend on viewing and illumination angles as well as on the characteristics of the land cover. A geometrical model is presented that allows estimating LST of a given pixel for any viewing and illumination angles. The Boolean scene model is used to estimate the per-pixel fractions covered by the following three scene components: sunlit background, shaded background and vegetation. Estimates of the average area covered by canopies and by shadow are derived from the projection of a single arbitrarily-shaped vegetation element (e.g. ellipsoidal or conical tree canopies) onto a fine scale regular grid. The model is applied to time-series of continuous in situ brightness temperature measurements as obtained at the LSA-SAF validation site in Évora (Portugal) during 2011 and 2012. Measurements are performed every minute by four radiometers, two of them observing the sunlit background and the other two a tree crown and the sky at 53° zenith angle. It is assumed that the shadow temperature is determined by daily maxima of air and sunlit background temperatures. The resulting composite temperature is compared against LSA-SAF operational LST data as retrieved from the SEVIRI instrument on-board Meteosat-8. Results show a bias of order of 1 K and a RMSE of about 1.5K. LST data are also compared against MODIS (level 3) daily LST. The LST difference between MSG and MODIS shows a strong dependence on viewing geometry that suggests relying on the geometrical model to generate estimates of LST differences between the two sensors.Results obtained with the model reveal a significant decreasing of the standard deviation error between the sensors.

Tese de mestrado em Ciências Geofísicas, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2013