Evolução Temporal Da Localização Média Da Temperatura Do Ar Obtida Em Estações Da Rede Do...
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EVOLUÇÃO TEMPORAL DA LOCALIZAÇÃO MÉDIA DA TEMPERATURA DO AR OBTIDA EM ESTAÇÕES DA REDE DO INMET
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REVISTA GEONORTE, Edição Especial 2, V.1, N.5, p.573 – 584, 2012
EVOLUÇÃO TEMPORAL DA LOCALIZAÇÃO MÉDIA DA TEMPERATU RA DO AR OBTIDA EM ESTAÇÕES DA REDE DO INMET
Marcos José de Oliveira Universidade de Brasília (UnB)
Gustavo Macedo de Mello Baptista Universidade de Brasília (UnB)
Wátila Portela Machado Inst. Brasileiro do Meio Ambiente e dos Recursos Naturais Renováveis (IBAMA)
CLIMATOLOGIA: APORTES TEÓRICOS, METODOLÓGICOS E TÉC NICOS.
RESUMO:
O aspecto espacial é comumente desprezado nos estudos que envolvem diversas séries climatológicas
de temperatura do ar. Conforme o aumento da quantidade das estações nas redes mundiais e nacionais,
a posição média dessas estações também foi se alterando ao longo do tempo. Consequentemente, um
valor muitas vezes assumido como “global” ou “nacional” – representativo de todo o planeta ou de um
país – foi, na verdade, um valor cuja posição média teve variações espaciais significativas. A partir de
dados de 245 estações meteorológicas convencionais e 464 automáticas da rede do INMET, foram
elaborados mapas nacionais da evolução temporal da localização média das estações no período de
1900 a 2010. Revelou-se que a posição média das estações (ou da respectiva temperatura do ar)
deslocou-se da região nordeste do Brasil em sentido à região sudoeste do País, situando-se,
atualmente, próximo ao Distrito Federal. Ajustes serão necessários para considerar período de falhas
de registro de dados nas estações.
ABSTRACT:
The spatial aspect is commonly disregarded in studies involving climatological air temperature series.
With the increasing number of stations in national and global networks, the average position of these
stations has also changed over time. Consequently, a value often assumed to be “global” or “national”
– representative of the entire planet or a country – was, in fact, an average value whose position had
significant spatial variations. Based on data from 245 conventional stations and 464 automatic stations
from the INMET network, national maps were drawn to show the temporal evolution of the stations
average locations in the period 1900–2010. It was revealed that the average position of the stations (or
its air temperature) shifted from the northeastern Brazil to the southwest region of the country,and now
it is currently situated near the Federal District. Adjustments will be necessary to consider periods with
missing data in climatological stations records.
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1. INTRODUÇÃO
A temperatura do ar na superfície terrestre tem sido utilizada como variável básica no estudo do
clima na Terra. Grande parte das séries históricas de temperatura do ar é baseada em registros de
estações meteorológicas de superfície. Provenientes dessa modalidade, os gráficos geralmente
difundidos – por ex., pelo Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC)– possuem
séries consistentes de até 150 anos de dados.
As principais séries instrumentais utilizadas pelo IPCC são: 1. HadCRU: série da University of
East Anglia Climate Research Unit (CRU); 2. NCDC: National Climatic Data Center, série da
National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA); e 3. GISS: Goddard Institute for Space
Studies, série da National Aeronautics and Space Administration’s (NASA). As séries NCDC e GISS
usam dados da Global Historical Climatology Network (GHCN). (IPCC, 2007).
Existem problemas, todavia, quanto à representatividade, tanto espacial como temporal, das séries
de temperaturas observadas na superfície terrestre. Um dos maiores problemas com os dados globais é
adeterioração das redes mundiais de observação, que apresentam um “desaparecimento” das estações
de monitoramento da temperatura das redes depois de 1990. Em meados de 1970, mais de 6.000
estações estavam na base de dados da GHCN, mas apenas 1.500 ou menos, são usadas atualmente por
essa rede, quantidade equivalente ao número de estações ativas no ano 1900 (curva cinza, Figura 1-A).
Nesse sentido, surgiu o projeto Berkeley Earth Surface Temperature (BEST)1, com o propósito de
calcular uma série da temperatura média global a partir de 32.000 estações terrestres. A rede BEST
aumentou substancialmente a densidade de estações em algumas regiões do mundo (curvas azul e
vermelha na Figura 1-A). Assim, a base de dados não possui o mesmo declínio de disponibilidade de
dados que a GHCN.
Figura 1 – Rede de estações do projeto BEST. (A) Quantidade de estações ativas da rede BEST(azul e
vermelho) em relação à rede GHCN (cinza). (B) Comparação da localização das estações da rede GHCN
1Disponível em: <http://www.berkeleyearth.org/>. Acesso em: 6 ago. 2012.
(A) (B)
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(em azul, exibido na frente) com a localização das estações da rede BEST(em vermelho, exibido por trás).
Fonte: adaptado deBEST (2010).
A queda súbita do número de estações da rede GHCN em 1990 (Figura 2-A) é em grande parte
resultado da metodologia utilizada na compilação dos dados. A rede GHCN geralmente só aceita
registros de estações que, explicitamente, emitem um relatório de síntese mensal, porém, muitas
estações pararam de relatar os resultados mensais e atualmente relatam apenas os dados diários – estes
contemplados pela rede BEST. Apesar disso, a Figura 2-B mostra que a cobertura da superfície
terrestre permaneceu acima de 95%, refletindo a ampla distribuição das estações.
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Figura 2 – Evolução da (A) quantidade de estações e (B) cobertura da superfície mundial da rede GHCN.Fonte:
adaptado de BEST (2010).
O Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) possui a principal rede de estações climatológicas
no Brasil, totalizando atualmente 245 estações convencionais e 464 estações automáticas.
Analogamente à evolução da abertura de estações ao redor do mundo, a rede brasileira do INMET
também apresentou um gradual incremento ao longo do tempo.
Oliveira et al. (2012a) elaboraram estudo da distribuição e representatividade espacial da rede do
INMET. Como parte dos resultados desse estudo, a Figura 3apresenta a evolução, por décadas, da
distribuição espacial das estações meteorológicas no Brasil, no decorrer do período de 1900 a 2010.
Nota-se que a abertura das estações ocorreu consonante ao processo de crescimento e distribuição
populacional, ou seja, a partir do litoral em direção às regiões interiores do País. A primeira estação
aberta foi a de Quixeramobim/CE, no ano de 1896. Até o início do século XX, as primeiras estações se
concentravam na região Sul, Sudeste e Nordeste do Brasil. Na década de 20 destaca-se a abertura de
estações ao longo do Rio Amazonas. A região Centro-Oeste e partes da região Norte do País são áreas
em que a ausência de estações persistiu por mais tempo; o preenchimento de algumas áreas não
cobertas se deu de forma lenta. Na década de 2000, a abertura de novas estações automáticas foi
responsável por cobrir boa parte dessas áreas. Atualmente, restam relativamente poucas áreas ainda
(B) (A)
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não cobertas, enquanto outras regiões apresentam alta densidade de estações.
A Figura 4-A apresenta um gráfico com a evolução temporal do número de estações
convencionais (curva azul) e automáticas (curva vermelha); e a Figura 4-B apresenta a cobertura do
território nacional, considerando o raio de abrangência de 200 km de cada estação. Observa-se que o
primeiro grande salto do número de estações ocorreu em 1910, onde cerca de 50 estações resultaram
na cobertura de quase 40% do território nacional. Um segundo salto, em torno de 1925, aumentou a
cobertura para cerca de 60%. Até 1970 houve um aumento gradual do número de estações, totalizando
aproximadamente 175 estações e quase 70% de cobertura. Em 1980, após outro acréscimo
significativo das estações (total ~225 estações), a cobertura aumentou para 80%, valor que foi mantido
até a década de 2010. Com a abertura de estações automáticas, foi atingida a cobertura de 93,2% do
Brasil no final na década de 2010 (OLIVEIRA et al, 2012a).
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Figura 3 – Mapas nacionais da evolução da distribuição espacial de estações da rede do INMET, por década,
para o período de 1900 a 2010, considerando um raio de 200 km de abrangência de cada estação.Fonte:
Oliveira et al. (2012a).
Figura 4 – Evolução da (A) quantidade de estações e (B) cobertura do território brasileiro da rede do
INMET. Fonte: Oliveira et al. (2012a).
Assim, por meio daFigura 4 nota-se que os valores de temperatura do ar obtidos em estações da
rede do INMET não são espacialmente homogêneos ao longo do tempo, pois a distribuição espacial
das estações foi sendo alterada conforme a abertura das mesmas.
Oliveira et al. (2012a) ressalta que as análises de temperatura do ar devem envolver ajustes de
representatividade das estações – que medem dados do clima local – antes de terem os valores
extrapolados para a escala nacional os valores obtidos nelas. Ou seja, no caso da presença de poucas
estações, a simples média dos valores de temperatura dessas estações não deve ser o método utilizado
para obtenção da temperatura média nacional. Por exemplo, os dados dos primeiros anos de
funcionamento da estação de Quixeramobim/CE, aberta em 1896, não devem ser considerados como
representativos do Brasil inteiro.
No contexto do aquecimento global, regional ou local, enfim, das mudanças climáticas em geral,
os dados de temperatura média do ar são utilizados para indicar alguma tendência de aumento ou
redução desse elemento climático. Pouco se discute acerca da representatividade espacial das
medições obtidas em estações climatológicas e/ou meteorológicas terrestres. A ausência ou pouca
importância dada a essa questão induz erroneamente à impressão de que todas as séries de temperatura
do ar foram obtidas em estações que estão são espacialmente homogêneas, ou seja, distribuídas
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EVOLUÇÃO TEMPORAL DA LOCALIZAÇÃO MÉDIA DA TEMPERATURA DO AR OBTIDA EM ESTAÇÕES DA REDE DO INMET
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uniformemente, como se as redes de estações cobrissem igualmente cada porção da superfície
terrestre.
Portanto, no sentido de elaborar estudos da temperatura do ar no território brasileiro, é essencial
analisar a representatividade espacial das estações climatológicas existentes em cada período. Nesse
sentido, o presente estudo tem como objetivo apresentar a evolução temporal da “localização média”
da temperatura do ar obtida em estações da rede de estações do Instituto Nacional de Meteorologia
(INMET). Assume-se aqui como “localização média” a posição espacial média obtida a partir das
localizações das estações meteorológicas existentes em cada momento compreendido no período entre
1896 e 2012;por consequência, considera-se que a “localização média” representa a posição espacial
médiada “temperatura média do ar”– levando-se em consideração somente aspectos espaciais de
latitude e longitude, porém desconsiderando, nessa ocasião, aspectos quanto à altitude e outros
elementos de clima local.
Conforme apresentado, as redes mundial e brasileira foram avolumando gradativamente e suas
coberturas e representatividades espaciaisforam se alterando temporalmente. Nas análises que
envolvem o uso de muitas séries de temperatura, aspectos espaciais têm sido geralmente ignorados.
Com o intento de iniciar uma discussão sobre essa lacuna constatada, o propósito do estudo, em suma,
é responder à seguinte pergunta: Onde, de fato, está localizada espacialmente a “temperatura média do
Brasil”?
2. MATERIAL E MÉTODOS
Informações de245 estações convencionais 464 estações automáticas foram extraídas do sítio
eletrônico do INMET. Para agilizar a obtenção das informações, foi elaborado um script(rotina de
comandos) escrito em linguagem python, o que permitiu processar os dados automaticamente. A partir
dos mapas disponíveis das estações convencionais2 e automáticas3, foram, então, obtidos os dados de
latitude, longitude e data de abertura da estação.
Após as devidas conversões, os dados obtidos foram inseridos no programa ArcMap 10 por meio
das etapas de importação dos dados, inserção de mapa do Brasil georreferenciado e conversão de
sistema de coordenadas.
Para calcular alocalização média das estações foram utilizados dois métodos de cálculo
disponíveis no ArcMap 10: centromédio (mean center), que identifica o centro geográfico (ou centro
de concentração) de um conjunto de pontos; e centro mediano (median center), que identifica a
localização que minimiza a distância euclidiana total dos pontos em um conjunto de dados.
O centro médio é o ponto médio calculado a partir da média dos valores de X (longitude) e de Y
(latitude) das posições das estações (ARCGIS RESOUCE CENTER, 2012a).Matematicamente, o
centro médio é calculado conforme aEquação 1.
2 Disponível em: <http://www.inmet.gov.br/portal/index.php?r=estacoes/estacoesConvencionais>. Acesso 04/08/2012. 3 Disponível em: <http://www.inmet.gov.br/portal/index.php?r=estacoes/estacoesAutomaticas>. Acesso 04/08/2012.
EVOLUÇÃO TEMPORAL DA LOCALIZAÇÃO MÉDIA DA TEMPERATURA DO AR OBTIDA EM ESTAÇÕES DA REDE DO INMET
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1 1, = == =∑ ∑n n
i ii ix y
X Yn n
Equação 1
Onde xi e yi são as coordenadas (long, lat) de cada ponto i (estação), e n é a quantidade total de
estações.
A ferramenta de centro mediano é uma medida da tendência central; ela identifica a localização
que minimiza a distância a partir do ponto central até todos os pontos do conjunto de dados. Por
exemplo, usando o centro médio para calcular um conjunto compacto de pontos, o resultado seria um
local no centro desses pontos. Caso fosse adicionado um novo ponto longe desse agrupamento e fosse
recalculado o centro médio, notaria-se que o ponto resultante estaria localizado longe do agrupamento
anterior. No entanto, executando a mesma experiência usando a ferramenta centro mediano, seria
verificado que o novo ponto teria um impacto muito menor sobre a localização do ponto
centralresultante. Assim, o centro mediano é a localização que minimiza a distância entre todos os
pontos (ARCGIS RESOUCE CENTER, 2012b).
O método utilizado para calcular o centro mediano é um procedimento iterativo introduzido por
Kuhn e Kuenne (1962) e ainda descrito por Burt e Barber (1996). Conforme ilustra aEquação 2, em
cada etapa (t) no algoritmo, é encontrado um valor candidato para o centro mediano (Xt, Yt) e, então,
são feitas iterações de refinamento até obter a localização que minimiza a distância euclidiana (d) para
todos os pontos (i) no conjunto de dados.
( ) ( )2 2t t ti i id X X Y Y= − + −
Equação 2
Para o cálculo da evolução temporal da posição espacial média das estações, foi utilizado um loop
(rotina de iteração) no módulo ModelBuilder do ArcMap, que calculou automaticamente, a cada
iteração, a localização média das estações presentes em cada data. A Figura 5 apresenta um
fluxograma esquemático do modelo criado. O conjunto inicial de dados – contendo um arquivo
individual da posição de cada uma das 709 estações – é a entrada da função iterativa (iterate feature)
que sequencialmente seleciona uma estação por vez a cada iteração, tendo como saída uma estação(n),
em que o número da estação (n) varia de 1 a 709. A função append realiza a fusão das n estações
individuais com a primeira estação [estação(1)], a qual, a cada iteração, vai acrescendo e acumulando
o número de pontos;em outras palavras, a estação(1) é tanto a saída quanto a entrada da função
append, de modo que na primeira iteração é obtido um arquivo com as duas primeiras estações; na
segunda iteraçãoobtêm-se as três primeiras estações e, assim, sucessivamente. Por fim, a cada iteração,
a saída resultante do append é a entrada das funções mean center e median center, cada uma executada
EVOLUÇÃO TEMPORAL DA LOCALIZAÇÃO MÉDIA DA TEMPERATURA DO AR OBTIDA EM ESTAÇÕES DA REDE DO INMET
580
REVISTA GEONORTE, Edição Especial 2, V.1, N.5, p.573 – 584, 2012
em modelos separados, que calculam as posições médias e geram um resultado(n) para cada iteração
do modelo.
Figura 5 – Fluxograma esquemático do modelo criado para cálculo da evolução temporal da posição espacial
média das estações do INMET.
As 708 posições médias obtidas em cada método foram agrupadas em um único arquivo e,
posteriormente, gerou-se um mapa com a evolução temporal bem como gráficos com a variação de
longitude e latitude dos valores posicionais médios.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Figura 6apresenta o mapa da evolução espacial e temporal das localizações médias das estações
do INMET, o que podem ser consideradas, de um modo bem simplificado, as posições das
“temperaturas médias” do Brasil. Observa-se que as posições médias obtidas pelos dois métodos –
centro médio e centro mediano – apresentam comportamento semelhante, apesar das diferenças. De
modo geral, ambos os métodos indicam que a posição média da temperatura do ar, com início na
primeira estação (Quixeramobim/CE), foi se deslocando em direção ao sudoeste, acompanhando a
abertura de estações nas regiões Sul e Sudeste do Brasil.
Conjunto de dados
(estações)
Iterate feature Estação( )n Append
Estação(1)
Estação(1) Mean center/Median center
Resultado( )n
EVOLUÇÃO TEMPORAL DA LOCALIZAÇÃO MÉDIA DA TEMPERATURA DO AR OBTIDA EM ESTAÇÕES DA REDE DO INMET
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Figura 6 – Evolução espacial e temporal das localizações médias das estações do INMET. (A) Mapa nacional;
(B) Recorte e ampliação da região indicada pela linha pontilhada em (A).
Os gráficos daFigura 7ilustram as variações das componentes longitudinais (X) e latitudinais (Y)
das posições centrais médias das estações, para os dois métodos, de 1890 a 2010. Verifica-se que, em
torno do ano de 1910 o deslocamento observado na localização média ocorreu no sentido de Norte a
Sul e de Leste para Oeste. Entre 1920 a 1930, a latitude média das estações retornou um pouco para o
sentido Leste, em virtude da abertura de novas estações na Região Nordeste, enquanto que a longitude
permaneceu relativamente constante até próximo ao ano 2000. Em meados desta década, a abertura de
estações nas regiões do Mato Grosso, Mato Grosso do Sul bem com em estados da região Norte,
induziu a uma pequena alteração da posição média para o Sul e uma alteração maior para o sentido
Oeste.
40°0'0"W
40°0'0"W
45°0'0"W
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60°0'0"W
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1ª Estação (Quixeramobim)
(A)
(B)
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Figura 7 – Evolução temporal das componentes (A) longitudinais e (B) latitudinais das posições centrais
médias das estações.
4. CONCLUSÕES
Atualmente, a localização média das estações, assumida simplificadamente como a posição da
temperatura média do Brasil, está situada próxima ao Distrito Federal, região distante há mais de 1.000
km do centroide do território nacional, ponto que idealmente deveria ser posição da temperatura média
do ar no País. Mesmo com a abertura de novas estações na porção Oeste brasileira, a alta concentração
de estações nas regiões litorâneas ao Leste é responsável por tornar a posição média deslocada
conforme apresentado.
Salienta-se que o estudo elaborado apresenta os resultados considerando somente a data da
abertura das estações. Cabe destacar, entretanto, que tais estações possuem enorme quantidade de
falhas de dados presentes em diversas séries. Oliveira et al. (2012b) identificou que a média de falhas
de dados obtidos em de 291 estações convencionais doINMET, no período de 1961 a 2011, foi de
pouco mais de 30%, ou seja, na média, todas as séries apresentam 1/3 de dados não registrados; a série
com mais falhas, por exemplo, possui 89,8% de dados inexistentes. Desse modo, a partir do momento
em que uma estação deixa de coletar/registrar seus dados de temperatura do ar, ela deveria ser
desconsiderada no cálculo da posição média das estações. Portanto, os resultados aqui obtidos são, na
verdade, uma situação hipotética ideal em que todas as estações possuem séries sem
falhas,perfeitamente com dados completos desde a data do início de suas medições.
Levando-se em conta a ocorrência de falhas de dados no momento do cálculo da média, deve-se
considerar quais estações possuem dados e algum ajuste deve ser aplicado para corrigir tendências
oriundas da posição média das estações em utilização. Por exemplo, se muitas estações no Sul do
Brasil sofreram alguma falha simultânea por determinado tempo, a média de temperatura das estações
restantes pode ser maior por não ter estações que indicam valores menores, típicos de clima local mais
frio.
Logo, até que sejam consideradas as falhas de dados nas estações e realizados os devidos ajustes
para obtenção devalores médios representativos e adequados à realidade, os resultados apresentados
1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010-20
-18
-16
-14
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-8
Lat
itu
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(°)
1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010-48
-46
-44
-42
-40
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ngitu
de (
°)
Centro mediano
Centro médioN
S Centro mediano
Centro médioE
O
(A) (B)
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devem ser assumidos preliminarmente como ilustrativos e indicativos.
Além da quantidade muito maior de cálculos que serão demandados, a próxima etapa da pesquisa
em condução consistirá em considerar aspectos relativos à altitude das estações (para obtenção de uma
“altitude média”), fator determinante da temperatura do ar no clima local das medições; e, uma vez
consolidadosos métodos, algoritmos e modelos, uma análise será extrapolada ao nível global para
identificação da localização da temperatura média do ar na Terra.
5. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao Cientista da Computação Nelson A. de Oliveira pela elaboração do script em
python para extração automática dos dados das estações do INMET.
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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<http://help.arcgis.com/en/arcgisdesktop/10.0/help/index.html#/How_Mean_Center_works/005p0000
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Weber Problem in spatial economics. Journal of Regional Science, 1962, 4(2):21–33.
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