Ciclo de Palestras sobre Técnicas Estatístico- Estocásticas em Hidroclimatologia e Meteorologia...

Ciclo de Palestras sobre Técnicas Estatístico- Estocásticas em Hidroclimatologia e Meteorologia Geral” MÓDULO 0

Teresinha de Maria Bezerra S. Xavier Airton Fontenele Sampaio Xavier

Este módulo consiste de discussão básica sobre os conceitos de Tempo e Clima no contexto dos estudos ambientais, além de envolver assuntos correlatos.

0.1 Estatística e Probabilidade nos Estudos Ambientais

Os fenômenos ambientais, em grande parte, seriam não determinísticos ou de caráter probabilístico; em particular, os fenômenos meteorológico-climáticos. Por sinonímia fala-se ainda em aleatório (do latim alea = sorte/azar) ou estocástico (do grego stochos = alvo).

Para analisar tais fenômenos, partindo dos dados numéricos que os descrevem faz-se, pois, indispensável a intervenção de técnicas estatísticas e emprego de modelos probabilístico-estocásticos.

Não se leva em conta nesse contexto outro aspecto bem mais profundo, que é a discussão sobre a natureza da aleatoriedade envolvida nesses fenômenos, se intrínseca ou se apenas uma maneira formal e conveniente de tratar irregularidades de origem caótica ou, ainda, se as duas formas (probabilística e caótica) não seriam complementares entre si.

Exemplos de dados numéricos de interesse na Meteorologia e na Climatologia : precipitação pluviométrica, temperatura do ar, intensidade e direção de ventos, umidade do ar, pressão atmosférica, nebulosidade, radiação solar, temperatura do solo, temperatura da superfície do mar (TSM), etc.

XAVIER & XAVIER DCA/IAG/USP março-maio-2010

Para sua análise, em geral, são submetidos a tratamento prévio, isto é, pela elaboração de tabelas, estimativas de parâmetros diversos (médias, quantis, medidas de variabilidade, etc.), além de representações gráficas pertinentes. As técnicas aí empregadas pertencem ao domínio da Análise Exploratória de Dados (como extensão à Estatística Descritiva tradicional). Na análise exploratória há especial ênfase nos procedimentos gráficos. As técnicas permitem a "organização" dos dados originais e visualização de aspectos do seu comportamento, de sorte que regularidades ou eventuais irregularidades, enfim suas características próprias, possam ficar evidentes. Isso orienta para uma análise mais aprofundada e construção de modelos teóricos a “posteriori”. É etapa imprescindível, que se designaria de “namoro com os dados”. (*)

XAVIER & XAVIER DCA/IAG/USP março-maio-2010 XAVIER & XAVIER DCA/IAG/USP março-maio-2010 XAVIER & XAVIER DCA/IAG/USP março-maio-2010

(*) Com as atuais facilidades para o emprego de recursos computacionais não é infrequente que as pessoas mostrem tendência de submeter os dados, de forma indiscriminada, ao processamento automático através da máquina (computador). É óbvio que tais recursos tornam-se imprescindíveis pois agilizam essa análise preliminar, permitindo assim a obtenção de “pistas” importantes sobre o comportamento dos fenômenos estudados. O que não se pode, contudo, é aceitar o emprego dos recursos computacionais em termos de meras “caixas pretas”, ou seja, sem que se saiba exatamente o que a máquina (o computador) executa, quando daí poderiam decorrer interpretações falsas e conclusões apressadas ou inapropriadas; à parte da mera utilização de procedimentos inadequados.


Em muitos contextos os dados obtidos consideram-se referindo a uma variável numérica X. Por exemplo, observações diárias da altura da chuva medidas através de um pluviômetro ou de um pluviógrafo. Nesses casos, estamos diante de uma variável aleatória, no sentido de haver incerteza sobre o valor da pluviometria a ser observada, ou medida, em cada dia.

Também não é fora do comum que, simultaneamente, esteja em jogo um elenco de muitas variáveis aleatórias, quando seu tratamento poderá exigir a intervenção de técnicas de análise multidimensional, tais como a regressão múltipla, a análise de componentes principais, a análise discriminante, a classificação automática, etc.


Para dada variável aleatória X dispõe-se, usualmente, de certo número N de observações x1 , x2 , .... , xN. Essas observações podendo ser coletadas ou medidas : (i) no mesmo instante, mas em pontos ou locais distintos, envolvendo pois uma variabilidade espacial; (ii) no mesmo local, porém em instantes distintos, donde nesse caso está em jogo uma variabilidade temporal. Há, evidentemente, muitas situações nas quais coexiste a concorrência das variabilidades espacial e temporal.No primeiro caso, seria a altura da chuva na Grande Fortaleza (Ceará-Brasil) acumulada no mês de abril de 1983, em postos distintos: CAMPUS DO PICI (UFC), FUNCEME (sede), CASTELÃO, MARACANAÚ, MONDUBIM, CAUCAIA, etc. No segundo caso, poderíamos estar interessados na altura da chuva no CAMPUS DO PICI, medida em cada um dos meses de junho, de 1964 a 2003 (N = 40 observações). Quando se leva em conta a chuva ao longo do tempo e também em locais distintos, situação não incomum, estarão envolvidas as variabilidades temporal e espacial, simultaneamente, que poderão ser tratadas em conjunto, mas também em separado.


0.2 Distinção entre Meteorologia e ClimatologiaPara conceituar tempo e clima focamos de início a distinção entre os domínios próprios à Meteorologia e à Climatologia. A Meteorologia é definida como a ciência da atmosfera, ou seja, estuda o envoltório gasoso do nosso planeta sob todos seus aspectos. Assim, considerando os estados físico, dinâmico e químico da atmosfera e suas interações com a superfície terrestre subjacente, ou seja, com os continentes, a vegetação e oceanos, a par da influência de eventos externos, como o vento solar e os raios cósmicos. Já na Climatologia, interessam as condições meteorológicas de um lugar ou de uma região, porém observadas em prazo mais ou menos dilatado, levando em conta suas características de estabilidade ou de variabilidade.


Decerto observações meteorológicas isoladas, como também de curto ou médio prazo, não oferecem maior interesse do ponto de vista climatológico. Para fins da maior validade ou significação no contexto dos estudos climáticos faz-se necessário, portanto, dispor de séries de dados numéricos coletados ao longo de muitos anos, ou séries climáticas, além de arquivos seqüenciais de imagens, de satélites, radar, etc.

São muito apreciadas, no contexto, séries centenárias ou multicentenárias, embora haja necessidade de avaliar sua “fidedignidade” e “homogeneidade”. Porém, essas séries são relativamente raras.


De fato, a ausência de uma sistemática para a coleta dos dados e o descuido quanto a seu rigoroso controle de qualidade, especialmente no passado, mas também podendo ocorrer no presente, tornam os dados pouco fidedígnos. Ademais, deslocamentos dos locais de coleta, mudanças na aparelhagem e nos métodos de medida, etc., podem ser responsáveis pela heterogeneidade das séries climáticas, além da introdução de artefatos e desvios que as tornem impróprias às finalidades da pesquisa, ou exigindo correções difíceis de cumprir.

Evidentemente, para coleções de imagens, os períodos cobertos são em geral um tanto curtos, devido dependerem do emprego de tecnologias não disponíveis no passado. Uma exceção são as cartas e respectivos arquivos de dados para temperaturas da superfície do mar e de ventos nos oceanos, construídas a partir de dados coletados por navios, à parte das coleções de cartas sinópticas.

Em resumo, é possível apresentar o seguinte esquema :

COLETA E INTERPRETAÇÃO DOSDADOS METEOROLÓGICOS, ALÉM ---------- > domínio da DA PREVISÃO DE SUA OCORRÊNCIA METEOROLOGIAPOR CURTOS OU MÉDIOS PRAZOS

ANÁLISE DESSES DADOS QUANTOA SEUS ASPECTOS ESTATÍSTICOS, ----------- > domínio da DINÂMICOS, ETC., A LONGO PRAZO CLIMATOLOGIA

Conforme se pode daí depreender, a importância dos métodos estatísticos e dos modelos probabilísticos (aleatórios/estocásticos) torna-se ainda mais significa tiva no âmbito da Climatologia, uma vez que na própria conceituação dessa ciência tais procedimentos intervêm de forma direta e decisiva.

Sem dúvida, deve ter ficado claro que a disponibilidade de informações meteorológicas é fundamental na pesquisa climática. Por outro lado, com a expansão e modernização das redes de coleta de dados de superfície incluindo dados hidrológicos automatizados, a multiplicação do uso de balões-sonda e foguetes meteorológicos para a obtenção de dados de altitude e, especialmente, com o advento dos radares e satélites meteorológicos, além de sistemas de bóias coletoras de dados nos oceanos, etc., passamos a dispor de enormes massas de observações as quais, muitas vezes, na verdade são sub-utilizadas.

Remete-se, ainda, a Xavier, T.deMa.B.S, 2006, Avanços na Área de Climatologia no Brasil : Algumas Considerações, BSBMET (Boletim SBMET), ago-nov/2006, pp. 53-61


No que concerne, ainda, à utilização de tais massas de dados, deve-se distinguir: (i) informações do passado que, antes da sua incorporação aos arquivos eletrônicos necessitam ser submetidas ao crivo de um controle de qualidade com a finalidade da garantia da disponibilidade de informações seguras, ou seja, isentas de erros; (ii) informações correntes, para as quais o problema básico é o da presteza de sua incorporação aos Bancos de Dados, para seu pronto uso. Daí, a importância das modernas redes de coleta e transmissão automática de dados.


0.3 Os Conceitos de Tempo e ClimaÉ tradicional a distinção entre as noções de Tempo e de Clima. Quando se fala em Tempo, são consideradas as condições meteorológicas vigentes em determinado lugar, ou estado atmosférico, com respeito: 1) a um dado instante, portanto em termos pontuais ou de instantaneidade; 2) a um intervalo cronológico relativa mente curto, em geral menor que quinze dias, quando se pressupõe certa estabilidade dos sistemas atmosféricos atuantes naquele lugar (de fato, a permanência de tais sistemas oscila o mais das vezes em termos de cinco a sete dias, a menos do efeito de alguns sistemas transientes de duração um pouco maior).


Na nossa língua, como em outras línguas românicas, este último vocábulo “tempo” infelizmente se presta a alguma confusão pois diz respeito tanto ao "tempo meteorológico” [em inglês, "weather"] como a “instante de tempo” [em inglês, "time"]. Assim, quando for imprescindível deixar clara uma distinção, somos obrigados a fazê-lo mediante o emprego de expressões como “tempo meteorológico” (ou “atmosférico”) e “tempo cronológico”, respectivamente. Nos canais de TV e entre o vulgo, principalmente, há certa confusão.


Quanto a Clima, em resumo, constitui um conceito bem mais complexo, pois se refere à maneira como evolui o tempo meteorológico ou estado atmosférico ao longo de instantes consecutivos, para um prazo mais longo. Em geral, para esse fim, tem-se de considerar como se dá tal evolução ao longo de muitos anos. Aí, acha-se envolvida conceituação de natureza estatística. Enfim, o Tempo e o Clima podem ser considerados como uma conseqüência e a demonstração da ação de processos complexos na Atmosfera, nos Oceanos e na Terra.Uma definição clássica de Clima é aquela proposta por Hann (1903), no início do século: Clima é o conjunto dos estados meteorológicos que definem o estado médio da atmosfera em um ponto qualquer da Terra.


Na verdade tal definição é de certa forma ambígua e já defasada. Embora nela esteja privilegiada a noção estatística de "média", há uma ambigüidade no que se refere aos períodos de tempo ou aos instantes para os quais calculam-se essas médias. Ademais, a definição é incompleta no sentido de não insistir (explicitamente) no aspecto da "variabilidade”, que pode ser sazonal, plurianual, secular, etc., com respeito às condições meteorológico-climáticas. Contudo, este foi o conceito dominante até à primeira metade da última centúria ou sec. xx. Aliás, é a concepção que ainda se vai encontrar no excelente manual de Conrad, V. (1944).


Na maioria dos livros mais recentes já está, porém, incorporada a concepção correta de “clima”. Por exemplo, em Eagleman, J.R. (1980), lê-se à pág. 329 na abertura do Capítulo 15 (“climatology”): Climate is more than just average weather since it includes all the various weather events that occur over an extended period of time [ou seja : O clima é mais do que uma média do “tempo”, pois inclui todos eventos de “tempo” que ocorrem ao longo de um dado período]. E continua: A realistic description of the climate of a region must, therefore, include the extremes as well as the average weather [ou seja : Uma descrição realista do clima de uma área deve incluir os extremos além dos valores médios].


Em Cole, F.W. (1975) encontra-se à pág. 379, também em seu Cap. 15 (“climate and climate controls”) uma definição bastante sucinta, com a vantagem de implicita mente incorporar todos os aspectos relativos não só ao comportamento médio, como à variabilidade e ainda a persistência/alternância de condições meteorológicas, ao longo do tempo we can define climate as the statistical collective of weather during a specified interval of time” [que se consegue traduzir mais ou menos assim: pode-se definir clima como uma coleção de tempos meteorológicos num intervalo de tempo geralmente longo]


No caso da variabilidade temporal nos interessamos, de fato: 1) pela variabilidade sazonal, aquela determinada pelo ciclo solar ou o ciclo das estações); 2) pela variabilidade multi-anual, quando se procura possível existência de “ciclos” mais longos para os principais elementos climáticos (mais exatamente, quase-ciclos”, com “quase-períodos” de alguns anos). Variabilidade para horizonte de tempo ainda mais longo poderá ter interesse em bioclimatologia para avaliar impactos sobre a vida na terra de um ponto de vista histórico ou mesmo paleontológico, inclusive também em termos de um interesse climatológico geral quanto à possibilidade do retorno de condições climáticas desfavoráveis, seja por causas naturais, seja como conseqüência da ação antrópica.

Uma discussão mais detalhada usa figuras, como estão no texto que está sendo distribuído. Veja-se [FIG 0.1]. Veja-se

[FIG 0.1] O “Tempo” Φ(t) em um ponto A da superfície terrestre

0.4 O Clima e o Meio-AmbienteO conceito de Clima apresentado na secção precedente, embora bastante completo no que concerne ao escopo estrito das ciências atmosféricas clássicas, merece uma revisão ou reparo, em vista de nos dias de hoje haver necessidade do seu acoplamento às idéias modernas a respeito do meio-ambiente. Com efeito, classicamente e também para a maioria das pessoas, a idéia de clima guarda uma ligação direta com a variabilidade do tempo meteorológico, ou seja, com a freqüência das chuvas, com variações da temperatura, do vento, da nebulosidade e da umidade à superfície, etc., i.e., condições que podem ser agradáveis ou difíceis de suportar. Porém, numa concepção mais geral na qual dominem pontos de vista antropológico e sócio-econômico, o clima passa a ligar-se a condições ambientais favoráveis, ou não, no seu sentido mais amplo, para o desenvolvimento dos grupos humanos e das suas atividades econômicas e sociais.

Note-se que os processos ocorrendo na atmosfera afetam ou influenciam os processos ambientais na hidrosfera (oceanos, lagos, rios, etc.), na litosfera (solos e rochas) e, enfim, na biosfera (grupos humanos, fauna e flora). Demais, os quatro domínios ATMOSFERA, HIDROSFERA, LITOSFERA e BIOSFERA permutam, entre si, matéria e energia. De sorte que ao supor ocuparem quatro vértices ou nós de um “grafo”, teremos um total de A4,2 =4 x 3=12 (doze) arestas orientadas ou setas, capazes de os interligar, indicando em princípio os possíveis sentidos de transferência de matéria ou energia. (*)


(*) Por exemplo, 1] da Biosfera para a Atmosfera : o metano, resultante da decomposição de matéria orgânica; CO2, da queima de carbono fóssil ou da vegetação, ou ainda, pelo processo de eliminação pelos órgãos respiratórios de animais e de plantas; o caso de pólens e microorganismos carreados para a atmosfera; o O2 (oxigênio) resultante da fotossíntese; etc. 2] da Atmosfera para a Biosfera : "fotons" (da radiação solar transmitida através da atmosfera); o CO2 (gás carbônico), que será utilizado diretamente no processo de fotossíntese nas plantas; o O2 (oxigênio), indispensável ao processo respiratório de animais; a poeira atmosférica depositada nas partes aéreas das plantas; a chuva ácida; bem como, a deposição de outros poluentes; etc. 3] da Litosfera para a Atmosfera : a poeira do solo carreada para o ar, em especial a oriunda de extensas regiões desérticas do planeta; a poeira e os gases vulcânicos originados de erupções; etc. Omitimos, aqui, inúmeros outros possíveis exemplos. As trocas de H2O (água), por sua vez, são importantes no chamado ciclo hidrológico.


Sem dúvida, qualquer que seja o significado lhe seja atribuído, é indispensável que, atualmente, a relação entre clima e ambiente passe a assumir um caráter indissolúvel. Nesse sentido, os parâmetros meramente meteorológicos devem ser analisados em conjunto com outros parâmetros ambientais, como aqueles ligados à poluição (do ar, água e solo), com a disponibilidade e qualidade dos recursos hídricos, com as características da cobertura vegetal e uso do solo etc. Aspectos sobre a temperatura e umidade dos solos, decerto, são igualmente fundamentais.


0.5 Elementos e Fatores do Clima. Variáveis Climáticas.Os conceitos de Elementos e Fatores do Clima são tratados com detalhes nas notas (Módulo 0) postos ao dispor dos alunos. As variáveis que definem a situação da atmosfera num determinado local ou região são os Elementos do Tempo e do Clima. Por outro lado, à parte de suas inter-relações múltiplas, esses elementos poderão ser modulados por outros fatores, denominados Fatores do Tempo e do Clima : radiação solar, latitude, natureza e revestimento do solo (cobertura vegetal, áreas desertificadas, pavimentação urbana, etc.), relevo e altitude, circulação geral da atmosfera, extensão das calotas polares (períodos em que o gelo ocupa maior ou menor extensão), como ainda as condições físicas das grandes massas de água (em termos da temperatura superficial e a distintas profundidades, além da salinidade e do comportamento das correntes marinhas), etc.

Em resumo, as variáveis meteorológicas (ou outras variáveis físicas, químicas, biológicas, etc.) utilizadas para a caracterização do Clima serão doravante designadas como variáveis climáticas. Nas notas para o Módulo 0 são considerados os tipos ou modalidades de variáveis (qualitativas, discretas, contínuas). Bem como os procedimentos para codificação de variáveis, que permitem passagens de um tipo para outro.

0.6 Dados Hidrológicos nos Estudos ClimáticosA Hidrologia é a ciência que estuda a água na Terra, em termos da sua ocorrência, distribuição e movimento (ou circulação) e das suas propriedades físicas e químicas, bem como, no que se refere a suas interações com o meio ambiente, incluindo suas relações com os seres vivos (biosfera).

Várias ciências particulares podem ser consideradas como partes da Hidrologia : a Hidrometeorologia (que trata especificamente do estudo da água na atmosfera e da sua precipitação e também da sua movimentação e acumulação na superfície da terra); a Limnologia (estudo dos lagos e reservatórios); a Potamologia (estudo dos cursos de água, i.e., arroios e rios); a Glaciologia (que estuda a água armazenada sob a forma de neve e gelo, nos cumes de montanhas e geleiras, como nas regiões polares); a Hidrogeologia (que trata das águas subterrâneas).


Por outro lado, a Hidrologia pode ser considerada como uma ciência multidisciplinar por envolver a contribuição de especialistas de áreas as mais diversas, engenheiros, agronômos, meteorolo gistas, matemáticos, estatísticos, geólogos, geógrafos, biólogos, etc. De uma parte, pode ser considerada como uma ciência que se relaciona ao campo da Geografia Física. Por outro lado, guarda relações com as Ciências Humanas (Geografia Humana, História, Sociologia), bastando para isso recordar que, historicamente, a ocupação geográfica das populações humanas dava-se de preferência nas proximidades de recursos hídricos abundantes (ou seja, de rios e lagos), como aliás ocorreu no caso das grandes civilizações antigas, tais as civilizações mesopotâmicas, a egípcia, etc. Somente com o desenvolvimento da tecnologia é que se tornou possível ao homem desvencilhar-se dessa restrição, ao adquirir a capacidade de trazer os recursos hídricos para junto de si e de os controlar (construção de canais, aquedutos, reservatórios, etc.). Finalmente, o deslocamento de populações em função da construção de grandes obras hidráulicas envolve aspectos sociológicos e sócio-econômicos.

Importância dos Dados Hidrológicos

Os dados hidrológicos (vazões e alturas de rios, alturas de lagos, etc.) possuem importância muito grande nos estudos climáticos, desde que refletem as ocorrências da precipitação pluviométrica em cada particular bacia hidrográfica. Assim, constituem uma integração da precipitação, na bacia. Ademais, esses dados podem incorporar, de maneira nítida, "sinais" geofísicos que eventualmente sejam capazes de influir nas chuvas (como a "Oscilação Sul", efeitos das variações de temperaturas das massas oceânicas, atividade solar, etc.). Finalmente, a “integração” a que se acabou de referir funciona como processo de “filtragem” capaz de suavizar outras interferências, bem como, ainda, as irregularidades da precipitação dentro de cada bacia.

Verificar: Xavier, T.deMa.B.S, Xavier, A.F.S., Silva-Dias, Ma.A.F.da & Silva-Dias, P.L.da, 2003, Interrela ções entre eventos ENOS (ENSO), a ZCIT (ITCZ) no Atlântico e as Chuvas nas Bacias Hidrográficas no Ceará, Revista Brasileira de Recursos Hídricos (número especial sobre o semi-árido nordestino), Vol. 8 (2), pp. 111-126 [versão mais detalhada corresponde a palestra no XV Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos, 2001, PWP, 48 “slides” ]


Obs : Cuidado com homogeneizações !!! Veja-se em Xavier, T.deMa.B.s, Palestra sobre Modelos de Previsão, FUNCEME, 2010. Também, Xavier, T.deMa. B.s, Palestra no III ESBM – Encontro Sul Brasileiro de Meteorologia, Santa Maria-RS, 2009.


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