Variabilidad anual e interanual en el escalamiento espacial del Índice Diferencial Normalizado de Vegetación (NDVI) en la Amazonía

El Índice Diferencial Normalizado de Vegetación (NDVI) ha sido utilizado ampliamente como una medida de la actividad vegetal y para la estimación de variables hidrológicas, como la evapotranspiración. Para caracterizar y cuantificar la dependencia de la variabilidad espacial del campo de NDVI con respecto a la escala, sobre la cuenca Amazónica, se utilizan herramientas de cuantificación de las propiedades estadísticas de escalamiento simple y múltiple de campos aleatorios, como el espectro de potencias de Fourier en dos dimensiones y el análisis del escalamiento de los momentos. La cuantifícación se efectúa para los campos mensuales del período 1982 a 1993 a una resolución espacial de 8 km. Los resultados permiten identificar que el espectro de Fourier se comporta como E(k)=c(t)k^a(t), con dos regiones en el espectro de potencias, separadas en la escala de 24 km, por encima del cual el exponente de escalamiento se comporta como 2<ß<0 y y por debajo del cual ß^~0 (nivel de ruido). La evolución mensual del exponente de escalamiento, ß(t), tiene una relación inversa con el valor medio de NDVI, y una relación directa con la desviación estándar, con valores de correlación estadísticamente significativos. También se encontró una alta correlación negativa (-0.8, P>0.95) entre las series de tiempo del exponente de escalamiento, ß(t), y del prefactor, c(t), así como entre la serie de tiempo del exponente, ß(t), y los valores medios mensuales de precipitación sobre la Amazonia (-0.77, P>0.95). Estos resultados ponen de manifiesto el gran poder de síntesis de las ideas de escalamiento con respecto a fenómenos físicos que gobiernan la dinámica hidro-ecológica de la cuenca Amazónica. El análisis de la variabilidad interanual asociada a la ocurrencia de las dos fases del fenómeno El Niño/Oscilación del Sur (ENSO) demuestra que el exponente, ß(t), presenta una disminución durante el evento de La Niña y un aumento durante la ocurrencia de El Niño. El análisis del comportamiento del escalamiento de los momentos permite identificar la presencia de escalamiento múltiple en el campo de NDVI. El conocimiento de las características de escalamiento de los campos de NDVI tiene importantes implicaciones en la dinámica hidrológica, ecológica y en los balances de agua, energía y Carbono sobre un rango muy amplio de escalas espaciales en la Amazonia.

The Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) has been widely used as a measure of vegetation activity and health, but also to estimate hydrological variables such as evapotranspiration. We characterize and quantify the spatial variability of NDVI and its dependence with scale over the Amazon River basin, using simple and multi-scaling properties of random fields, such as the bi- dimensional Fourier spectrum, and the moment-scaling analysis. Quantification is performed for the NDVI monthly fields for the period 1982 through 1993, at 8- km spatial resolution. Our results identified that the Fourier spectra behave as E(k,t)=c(t)k^d(t), with two different regions separated at the scale of 24 km, above which the scaling exponent 2<ß<0, and below which ß^~0 (noise level). The monthly evolution of scaling exponents, ß(t) is highly (negatively) correlated with the mean value of NDVI field, and positively correlated with the standard deviation. A strong negative correlation (-0.8, P>0.95) was found between the monthly values of the scaling exponent, ß(t), and the prefactor, c(t). Another remarkable finding is the high correlation between the exponent, ß(t), and the monthly average precipitation over the entire Amazon basin (-0.77, P>0.95). These findings point out the power of the scaling framework to synthesize the physical mechanisms underlying the hydro-ecological dynamics of the Amazon River basin. Results of interannual variability associated with the two phases of El Niño/Southern Oscillation (ENSO) show that the scaling exponent diminishes during La Niña, whereas it increases during El Niño. Results from the moment-scale analysis indicate the existence of multi-scaling associated with the spatial variability of NDVI fields. These scaling properties of NDVI have important implications on the hydro-ecological dynamics of Amazonia, involving water, energy and Carbon balances in a wide range of spatial scales.