As mudanças climáticas globais e a expansão da cultura da cana-de-açúcar para regiões com menor suprimento hídrico elevaram a importância de estimativas consistentes das necessidades de água da cultura. Na tentativa de contribuir nesse campo, o presente trabalho buscou analisar o consumo hídrico da cana-de-açúcar em três diferentes escalas espaciais: folha, planta e dossel, além de uma ferramenta de simulação (DSSAT/CANEGRO) quanto ao seu desempenho na estimativa do consumo hídrico da cana-de-açúcar. Foram realizadas medidas de evapotranspiração do dossel pelo método do balanço de energia-razão de Bowen (MRB) e de transpiração das plantas por meio do balanço de calor nos colmos (BC) e das folhas com um analisador de gás à infravermelho (IRGA). Duas áreas experimentais foram utilizadas, sendo a primeira com a variedade CTC 12, na safra 2011/2012, irrigada por gotejamento subsuperficial; a segunda área com a variedade RB867515, irrigada por aspersão por meio de um pivô central, na safra 2012/2013. O acoplamento planta-atmosfera também foi avaliado. As análises do MRB indicaram um fluxo de calor latente médio de 70% da energia disponível no ambiente, com 25% de fluxo de calor sensível e 5% no fluxo de calor no solo. Com a mesma metodologia a evapotranspiração da cultura média (ETc) foi estimada em 3,92 e 3,25 mm dia-1 para as variedades CTC 12 e RB867515, respectivamente, resultando em um coeficiente de cultura (Kc) médio de 1,37, na fase de pleno desenvolvimento vegetativo. No período experimental, o canavial permaneceu mais acoplado à atmosfera (Ω médio=0,37) e a transpiração avaliada pelo BC chegou a 4,7 e 3,62 mm dia-1, respectivamente para CTC 12 e RB867515. A metodologia do IRGA resultou em perda de água ao nível foliar da faixa de até 1 mm h-1. Conforme a demanda atmosférica, o Kc da cultura apresentou-se variável em função da evapotranspiração de referência (ETo). O modelo DSSAT/CANEGRO mostrou-se eficiente na simulação da ETc e transpiração do canavial, com resultados mais satisfatórios (R2=0,59) quando utiliza-se a metodologia FAO 56 nas simulações. / Global climate change and the sugarcane crop expansion to regions with lower water supply became more important the real estimate of crop water requirements. This study aimed to contribute on this regard by analyzing the sugarcane water consumption at three different spatial scales: leaf, plant and canopy. The DSSAT/CANEGRO crop model was also evaluated with respect to sugarcane transpiration and evapotranspiration. Bowen ratio energy balance (BREB) method was performed to measure crop canopy evapotranspiration and the transpiration were measured with sap flow by stem heat balance for plant scale and infra-red gas analyzer (IRGA) for leaf scale. Two experimental sites were used: the first with CTC 12 cultivar and drip irrigation, on 2011/2012 season; in the second experiment the RB867515 variety was grown under sprinkler irrigation by a central pivot, on the 2012/2013 growing season. The plant-atmosphere decoupling factor was also evaluated. BREB method showed latent heat flux representing 70% of the available energy, 25% for sensible heat flux, and 5% for soil heat flux. BREB crop evapotranspiration (ETc) ranged from 3.92 to 3.25 mm day-1 for CTC 12 and RB867515, respectively, resulting in a mean crop coefficient (Kc) of 1.37 at the full vegetative growth stage. In the experimental period, sugarcane crop was coupled to the atmosphere (Ω=0.37) and transpiration assessed by HB reached 4.7 and 3.62 mm day-1 for CTC 12 and RB867515, respectively. IRGA method showed a leaf water loss up to 1 mm h-1. Kc varied with reference evapotranspiration (ETo) The DSSAT/CANEGRO crop model was efficient in the ETc and transpiration simulation, with better results (R2=0.59) when using FAO 56 ETo method in the simulations.

As mudanças climáticas globais e a expansão da cultura da cana-de-açúcar para regiões com menor suprimento hídrico elevaram a importância de estimativas consistentes das necessidades de água da cultura. Na tentativa de contribuir nesse campo, o presente trabalho buscou analisar o consumo hídrico da cana-de-açúcar em três diferentes escalas espaciais: folha, planta e dossel, além de uma ferramenta de simulação (DSSAT/CANEGRO) quanto ao seu desempenho na estimativa do consumo hídrico da cana-de-açúcar. Foram realizadas medidas de evapotranspiração do dossel pelo método do balanço de energia-razão de Bowen (MRB) e de transpiração das plantas por meio do balanço de calor nos colmos (BC) e das folhas com um analisador de gás à infravermelho (IRGA). Duas áreas experimentais foram utilizadas, sendo a primeira com a variedade CTC 12, na safra 2011/2012, irrigada por gotejamento subsuperficial; a segunda área com a variedade RB867515, irrigada por aspersão por meio de um pivô central, na safra 2012/2013. O acoplamento planta-atmosfera também foi avaliado. As análises do MRB indicaram um fluxo de calor latente médio de 70% da energia disponível no ambiente, com 25% de fluxo de calor sensível e 5% no fluxo de calor no solo. Com a mesma metodologia a evapotranspiração da cultura média (ETc) foi estimada em 3,92 e 3,25 mm dia-1 para as variedades CTC 12 e RB867515, respectivamente, resultando em um coeficiente de cultura (Kc) médio de 1,37, na fase de pleno desenvolvimento vegetativo. No período experimental, o canavial permaneceu mais acoplado à atmosfera (Ω médio=0,37) e a transpiração avaliada pelo BC chegou a 4,7 e 3,62 mm dia-1, respectivamente para CTC 12 e RB867515. A metodologia do IRGA resultou em perda de água ao nível foliar da faixa de até 1 mm h-1. Conforme a demanda atmosférica, o Kc da cultura apresentou-se variável em função da evapotranspiração de referência (ETo). O modelo DSSAT/CANEGRO mostrou-se eficiente na simulação da ETc e transpiração do canavial, com resultados mais satisfatórios (R2=0,59) quando utiliza-se a metodologia FAO 56 nas simulações. / Global climate change and the sugarcane crop expansion to regions with lower water supply became more important the real estimate of crop water requirements. This study aimed to contribute on this regard by analyzing the sugarcane water consumption at three different spatial scales: leaf, plant and canopy. The DSSAT/CANEGRO crop model was also evaluated with respect to sugarcane transpiration and evapotranspiration. Bowen ratio energy balance (BREB) method was performed to measure crop canopy evapotranspiration and the transpiration were measured with sap flow by stem heat balance for plant scale and infra-red gas analyzer (IRGA) for leaf scale. Two experimental sites were used: the first with CTC 12 cultivar and drip irrigation, on 2011/2012 season; in the second experiment the RB867515 variety was grown under sprinkler irrigation by a central pivot, on the 2012/2013 growing season. The plant-atmosphere decoupling factor was also evaluated. BREB method showed latent heat flux representing 70% of the available energy, 25% for sensible heat flux, and 5% for soil heat flux. BREB crop evapotranspiration (ETc) ranged from 3.92 to 3.25 mm day-1 for CTC 12 and RB867515, respectively, resulting in a mean crop coefficient (Kc) of 1.37 at the full vegetative growth stage. In the experimental period, sugarcane crop was coupled to the atmosphere (Ω=0.37) and transpiration assessed by HB reached 4.7 and 3.62 mm day-1 for CTC 12 and RB867515, respectively. IRGA method showed a leaf water loss up to 1 mm h-1. Kc varied with reference evapotranspiration (ETo) The DSSAT/CANEGRO crop model was efficient in the ETc and transpiration simulation, with better results (R2=0.59) when using FAO 56 ETo method in the simulations.

Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, den Einfluss der Rückkopplung zwischen Landoberfläche und Atmosphäre auf den regionalen Wasserhaushalt abzuschätzen. Dazu erfolgen Modellsimulationen mit dem gekoppelten Vegetations-Grenzschichtmodell HIRVAC (HIgh Resolution Vegetation Atmosphere Coupler) für das Einzugsgebiet Sperrgraben (Bayerische Alpen). Im Ergebnis wird der Zusammenhang zwischen dem Entkopplungsfaktor Omega und der Verdunstung als Wasserhaushaltsgröße für einen festgelegten Zeitraum untersucht. Die Kombination eines vertikal hochaufgelösten Grenzschichtmodells (HUB) mit einem mechanistischen Photosynthesemodell (PSN6) im Modell HIRVAC ermöglicht eine detaillierte physikalische Beschreibung der turbulenten Austauschprozesse innerhalb der atmosphärischen Grenzschicht. Gleichzeitig werden die Wechselwirkungen zwischen Vegetation und Atmosphäre für jede Modellschicht innerhalb des Bestandes und zu jedem Modellzeitschritt simuliert. Die Definition des Entkopplungsfaktors erfordert die Festlegung eines geeigneten Referenzniveaus über der Vegetationsobergrenze zur Ermittlung der Widerstände gegen den turbulenten Austausch von Wärme und Feuchte. Die Bestimmung dieser Modellschichthöhe wird nach Untersuchungen zur Ausbildung der dynamischen Grenzschicht sowie der Vertikalprofile der Transportwiderstände und des Omega-Faktors vorgenommen. Die dabei erzielten Ergebnisse zum höhenabhängigen Verlauf des Entkopplungsfaktors über der Wiesenfläche und dem Fichtenbestand zeigen, dass mit dem Modell HIRVAC das unterschiedliche Kopplungsverhalten von kleinen Beständen mit glatter Oberfläche (Oberflächenrückkopplung) und hohen, rauen Beständen (Grenzschichtrückkopplung) qualitativ und auch quantitativ sehr gut wiedergegeben werden kann. Die Sensitivitätsstudien für die Landnutzungsarten Fichte und Wiese verdeutlichen den Einfluss veränderter Bestandesparameter wie Bestandeshöhe, LAI und Kronenschlussgrad auf den Entkopplungsfaktor und die Evapotranspiration. Sehr gut ersichtlich wird außerdem das unterschiedliche atmosphärische Turbulenzspektrum durch die Verwendung verschiedener Schließungsansätze im Modell und deren Einfluss auf die turbulenten Diffussionskoeffizienten. Die Ergebnisse werden mit dem Ziel der Ableitung einfacher Zusammenhänge zu Landschaftskennziffern parametrisiert. Zur Bereitstellung von flächenhaften Klimadaten wird das Modell HIRVAC mit einem Geographischen Informationssystem (ArcView) gekoppelt. Das Modell HIRGIS bietet eine geeignete Basis für die Regionalisierung von Klimagrößen im kleinräumig strukturierten Gelände. Auf der Grundlage der digitalen Gelände- und Landnutzungsdaten können topoklimatisch beeinflusste Größen, wie z.B. Einstrahlung, Temperatur, Strahlungsbilanz und Verdunstung für Gebiete flächendeckend berechnet werden. In den Ergebniswerten sind die Rückkopplungseffekte zwischen Bestand und Atmosphäre in aktueller Form enthalten. Außerdem entfallen Generalisierungseffekte, wie sie bei statistischen Übertragungsmethoden (Interpolation von Messwerten) auftreten. Durch die Möglichkeit der messwertunabhängigen Modellierung kann HIRGIS prinzipiell für Regionen mit anderem Gebietscharakter eingesetzt werden. Bei der Anwendung von HIRGIS auf das Einzugegebiet Sperrgraben wird allerdings deutlich, wie wichtig eine präzise Anpassung der Modellparametrisierung, insbesondere der Vegetation, an den Standort ist. Die erzeugten Karten zu den Klimagrößen liefern dem Nutzer eine gute Grundlage für klimatologische Gebietsinformationen. Eine Quantifizierung des Einflusses der Rückkopplung auf die Verdunstung im Einzugsgebiet Sperrgraben erweist sich für den untersuchten Zeitraum als schwierig. Die Ergebnisse zur Verdunstung zeigen trotzdem eine sehr gute Übereinstimmung mit Transpirationswerten aus Saftflussmessungen für Buche und Fichte im Einzugsgebiet Sperrgraben und decken sich mit den Transpirationswerten aus der Literatur für vergleichbare Bestände.

Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, den Einfluss der Rückkopplung zwischen Landoberfläche und Atmosphäre auf den regionalen Wasserhaushalt abzuschätzen. Dazu erfolgen Modellsimulationen mit dem gekoppelten Vegetations-Grenzschichtmodell HIRVAC (HIgh Resolution Vegetation Atmosphere Coupler) für das Einzugsgebiet Sperrgraben (Bayerische Alpen). Im Ergebnis wird der Zusammenhang zwischen dem Entkopplungsfaktor Omega und der Verdunstung als Wasserhaushaltsgröße für einen festgelegten Zeitraum untersucht. Die Kombination eines vertikal hochaufgelösten Grenzschichtmodells (HUB) mit einem mechanistischen Photosynthesemodell (PSN6) im Modell HIRVAC ermöglicht eine detaillierte physikalische Beschreibung der turbulenten Austauschprozesse innerhalb der atmosphärischen Grenzschicht. Gleichzeitig werden die Wechselwirkungen zwischen Vegetation und Atmosphäre für jede Modellschicht innerhalb des Bestandes und zu jedem Modellzeitschritt simuliert. Die Definition des Entkopplungsfaktors erfordert die Festlegung eines geeigneten Referenzniveaus über der Vegetationsobergrenze zur Ermittlung der Widerstände gegen den turbulenten Austausch von Wärme und Feuchte. Die Bestimmung dieser Modellschichthöhe wird nach Untersuchungen zur Ausbildung der dynamischen Grenzschicht sowie der Vertikalprofile der Transportwiderstände und des Omega-Faktors vorgenommen. Die dabei erzielten Ergebnisse zum höhenabhängigen Verlauf des Entkopplungsfaktors über der Wiesenfläche und dem Fichtenbestand zeigen, dass mit dem Modell HIRVAC das unterschiedliche Kopplungsverhalten von kleinen Beständen mit glatter Oberfläche (Oberflächenrückkopplung) und hohen, rauen Beständen (Grenzschichtrückkopplung) qualitativ und auch quantitativ sehr gut wiedergegeben werden kann. Die Sensitivitätsstudien für die Landnutzungsarten Fichte und Wiese verdeutlichen den Einfluss veränderter Bestandesparameter wie Bestandeshöhe, LAI und Kronenschlussgrad auf den Entkopplungsfaktor und die Evapotranspiration. Sehr gut ersichtlich wird außerdem das unterschiedliche atmosphärische Turbulenzspektrum durch die Verwendung verschiedener Schließungsansätze im Modell und deren Einfluss auf die turbulenten Diffussionskoeffizienten. Die Ergebnisse werden mit dem Ziel der Ableitung einfacher Zusammenhänge zu Landschaftskennziffern parametrisiert. Zur Bereitstellung von flächenhaften Klimadaten wird das Modell HIRVAC mit einem Geographischen Informationssystem (ArcView) gekoppelt. Das Modell HIRGIS bietet eine geeignete Basis für die Regionalisierung von Klimagrößen im kleinräumig strukturierten Gelände. Auf der Grundlage der digitalen Gelände- und Landnutzungsdaten können topoklimatisch beeinflusste Größen, wie z.B. Einstrahlung, Temperatur, Strahlungsbilanz und Verdunstung für Gebiete flächendeckend berechnet werden. In den Ergebniswerten sind die Rückkopplungseffekte zwischen Bestand und Atmosphäre in aktueller Form enthalten. Außerdem entfallen Generalisierungseffekte, wie sie bei statistischen Übertragungsmethoden (Interpolation von Messwerten) auftreten. Durch die Möglichkeit der messwertunabhängigen Modellierung kann HIRGIS prinzipiell für Regionen mit anderem Gebietscharakter eingesetzt werden. Bei der Anwendung von HIRGIS auf das Einzugegebiet Sperrgraben wird allerdings deutlich, wie wichtig eine präzise Anpassung der Modellparametrisierung, insbesondere der Vegetation, an den Standort ist. Die erzeugten Karten zu den Klimagrößen liefern dem Nutzer eine gute Grundlage für klimatologische Gebietsinformationen. Eine Quantifizierung des Einflusses der Rückkopplung auf die Verdunstung im Einzugsgebiet Sperrgraben erweist sich für den untersuchten Zeitraum als schwierig. Die Ergebnisse zur Verdunstung zeigen trotzdem eine sehr gute Übereinstimmung mit Transpirationswerten aus Saftflussmessungen für Buche und Fichte im Einzugsgebiet Sperrgraben und decken sich mit den Transpirationswerten aus der Literatur für vergleichbare Bestände.