Avaliação das precipitações geradas pelo modelo climático regional ETA-HadGEM2-ES para o Estado de Sergipe

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1 VOL. 13, NUM do: /sc.plena Avalação das precptações geradas pelo modelo clmátco regonal ETA-HadGEM2-ES para o Estado de Sergpe Evaluaton of the precptaton generated by the regonal clmate model ETA-HadGEM2-ES for the State of Sergpe M. A. S. Cruz 1* ; P. V. M. Mota 1 ; R. Aragão 2 ; R. O. F. Rocha 1 1 Embrapa Tabuleros Costeros, CEP: , Aracaju-SE, Brasl 2 Centro de Tecnologas e Recursos Naturas, Unversdade Federal de Campna Grande, CEP: , Campna Grande-PB, Brasl *marcusascruz@gmal.com (Recebdo em 19 de junho de 2017; aceto em 30 de setembro de 2017) O modelo clmátco regonal ETA-HadGEM2-ES tem sdo utlzado como base para dversos estudos hdrológcos e clmatológcos em terrtóro naconal, no entanto anda há pouca avalação de sua condção de representatvdade das chuvas na regão Nordeste, prncpalmente em sua faxa ltorânea, que apresenta grande complexdade nos fenômenos atuantes. Este estudo utlzou dados mensas de chuva meddos em campo, complementados por bases de dados nterpolados vsando avalar a condção de representatvdade da sazonaldade das precptações geradas pelo RCM sobre as três regões clmátcas do estado de Sergpe: Agreste, Semárdo e Ltoral Úmdo. A performance do RCM fo avalada partr do coefcente de correlação de Pearson e da raz do erro médo quadrátco (RMSE). Os resultados apontaram para uma baxa capacdade de representação das chuvas médas mensas pelo modelo regonal, com subestmação dos volumes totas e baxos coefcentes de correlação, varando de 0,019 a 0,143 para as regões avaladas, além de altos valores de RMSE: 58,7 a 143,8 mm, com pequena melhora na regão Semárda. Tas resultados ndcam uma possível propagação do erro provenente do modelo global HadGEM2-ES para o ETA não apresentando nesta faxa do ltoral braslero uma melhora sgnfcatva na representação dos sstemas clmátcos atuantes. Palavras-chave: mudanças clmátcas, Nordeste, sazonaldade The ETA-HadGEM2-ES regonal clmate model has been used as the bass for several hydrologcal and clmatologcal studes n the natonal terrtory, however, there s stll lttle evaluaton of ts ranfall representatveness n the Northeastern regon, manly n ts coastal range, whch presents large complexty n the clmatc systems. Ths study used monthly ranfall data measured n the feld, complemented by nterpolated databases to evaluate the seasonalty of ranfall generated by the RCM n the three clmatc regons of the state of Sergpe: Agreste, Sem-Ard and Wet Ltoral. The RCM performance was evaluated from the Pearson correlaton coeffcent and the root mean square error (RMSE). The results ponted to a low capacty of representaton of the average monthly ranfall by the regonal model, wth underestmaton of the total volumes and low correlaton coeffcents, rangng from to for the regons evaluated, n addton to hgh RMSE values: 58.7 to mm, wth lttle mprovement n the sem-ard regon. These results ndcate a possble propagaton of the error from the global model HadGEM2-ES for the ETA, not showng n ths range of the Brazlan coast a sgnfcant mprovement n the representaton of the actve clmatc systems. Keywords: clmate change, Northeastern, seasonalty 1. INTRODUÇÃO A avalação dos efetos das alterações no clma sobre uma determnada regão tem sdo recentemente objeto de mutos estudos, prncpalmente em decorrênca dos mpactos que as mudanças nos regmes e quantdades de chuva e temperaturas começam a gerar sobre os sstemas econômcos, socedade e meo ambente [1]. Em escala mundal, os modelos globas de crculação clmátca (GCM) representam de forma satsfatóra o comportamento médo de varáves clmátcas, no entanto, estudos têm demonstrado defcêncas na representação dos processos ao consderar regões menores, uma vez que a resolução espacal de avalação é da ordem de 200 km [2]. Assm, nsttutos de estudos de clma de

2 M.A.S. Cruz et al., Scenta Plena 13, (2017) 2 dversos países têm adotado procedmentos de redução de escala por meo da aplcação de modelos regonas de clma (RCM), denomnados downscalng dnâmco, que utlzam as condções de contorno geradas pelos GCMs, permtndo a redução das células de estudo para valores médos da ordem de 20 km [3]. Desta forma, é esperado que os RCM possam melhorar os resultados das smulações dos GCM, capturando a ampltude de um fenômeno com maor precsão [4]. Dversos autores apresentaram tentatvas de aplcação de modelos regonas de prevsão clmátca sobre a Amérca do Sul [5, 6, 7, 8], com resultados que apontaram para a mportânca da aplcação do downscalng dnâmco vsando melhorar a qualdade da prevsão de precptação de modelos globas utlzados como forçante lateral. Segundo Sun et al. (2005) [15] o modelo Regonal Spectral Model (RSM) annhado ao European-Hamburg Model (MCGA ECHAM4.5) mostrou uma melhor representação da varabldade das chuvas na regão Nordeste do Brasl. Em estudo [16] desenvolvdo em três regões brasleras, Nordeste, Sudeste e Sul, fo verfcado que o modelo clmátco regonal RegCM3, annhado ao modelo global CPTEC/COLA mostrou desempenho superor na prevsão da chuva sazonal, sendo mas próxma da observada se comparada a prevsta pelo CPTEC/COLA. O RCM ETA-HadGEM2 ES, tem sdo utlzado como base para dversos estudos hdrológcos e clmatológcos em terrtóro naconal [9], no entanto anda há pouca avalação de sua condção de representatvdade das chuvas na regão Nordeste, prncpalmente em sua faxa ltorânea, que apresenta grande complexdade nos fenômenos atuantes. Em geral, os prncpas sstemas meteorológcos que governam o regme de chuvas na regão são: Zona de Convergênca Intertropcal (ZCIT) sobre o oceano Atlântco, Vórtces Cclôncos de Altos Níves (VCAN); Frentes Fras e Ondas de Leste. Além destes mecansmos, há também a atuação das lnhas de Instabldade (LI), dos Complexos Convectvos de Mesoescala (CCM), e do efeto das brsas marítma e terrestre na precptação [10]. Além dsso, a forma de atuação destes sstemas depende de uma combnação de forças de eventos El Nño-Osclação Sul (ENOS); Temperatura da superfíce do mar (TSM) na baca do oceano Atlântco, Ventos Alísos, Pressão ao Nível do Mar (PNM). Consderando-se uma abordagem por boma na regão Nordeste, o Prmero Relatóro de Avalação Naconal do Panel Braslero de Mudanças Clmátcas [1] forneceu os resultados da complação das projeções de modelos de mudança clmátca para cenáros futuros de temperatura e precptação, ndcando, por exemplo, projeções de redução nas chuvas da ordem de 35%, na Mata Atlântca da regão Nordeste, e de até 50% na Caatnga até o ano de Este estudo busca contrbur para a avalação da condção de representatvdade da sazonaldade das chuvas pelo modelo regonal clmátco ETA-HadGEM2 ES no estado de Sergpe vsando contrbur para a prevsão de cenáros futuros de precptação de médo e longo prazos. 2. MATERIAL E MÉTODOS A regão de estudo (Fgura 1) fo o estado de Sergpe, stuado na regão Nordeste do Brasl, entre as coordenadas geográfcas 9 31 S, W e S, W Datum SIRGAS2000, composto por 75 muncípos, que abrangem uma área de aproxmadamente 22 ml km² [11]. Abrga uma população total de 2,3 mlhões de habtantes, com grande concentração na regão metropoltana de Aracaju (cerca de 1,0 mlhão de hab.). As prncpas atvdades econômcas desenvolvdas são agrcultura, com destaque para cana de açúcar, mlho, mandoca, frutíferas (coco e laranja), cração de gado e exploração mneral, prncpalmente petróleo, gás natural e potásso. O menor Estado da Federação caracterza-se pela presença bem defnda de três regões clmátcas: Semárdo - em sua porção extremo oeste, com precptações anuas médas entre 500 e 800 mm; Agreste regão ntermedára do Estado, com precptações médas de 900 a 1200 mm ao ano e Ltoral Úmdo, junto ao oceano Atlântco, com precptações médas anuas superores a 1600 mm. O período chuvoso ocorre de abrl a agosto com concentração nos meses de mao, junho e julho [11].

3 M.A.S. Cruz et al., Scenta Plena 13, (2017) 3 Fgura 1: Localzação do estado de Sergpe com ndcação das três regões clmátcas e os pontos da grade do modelo clmátco regonal ETA-HadGEM2-ES. O modelo clmátco regonal ETA vem sendo utlzado pelo Insttuto Naconal de Pesqusas Espacas (INPE) desde 1997 para prevsão clmátca. Neste estudo fo utlzada a versão ETA HadGEM2-ES, que utlza os resultados do GCM HadGEM2-ES desenvolvdo pelo Hadley Centre for Clmate Change da Inglaterra como condções de contorno. O RCM ETA- HadGEM2-ES tem suas condções de contorno atualzadas a cada 6 horas, com resolução espacal de 20 km e 38 níves vertcas, cobrndo todo o terrtóro braslero, além de grande parte da Amérca do Sul e Central [9]. Foram utlzados no estudo os dados hstórcos de precptação (mm) em escala dára do RCM e seleconadas as séres de campo para as três regões clmátcas do estado de Sergpe. A baxa cobertura exstente no Estado com postos de séres hstórcas longas mostra-se como dfculdade para estudos neste tema. Assm buscou-se avalar dados espacalzados dsponíves que permtssem a avalação consderando as áreas estudadas na forma de grades. Esta prmera avalação fez uso de dados de campo de sete estações pluvométrcas espalhadas pelo estado, com séres hstórcas acma de 20 anos de dados, obtdas no portal Hdroweb da Agênca Naconal de Águas [12] e fo verfcada a concordânca entre os seus dados mensas e os dados extraídos na mesma localzação espacal a partr do produto Brazl Grdded Meteorologcal Data (BGMD) [13], que possu resolução espacal de 0,25 e cobertura sobre todo o terrtóro naconal. Este produto pode ser acessado em O grau de precsão da estmatva fo avalado por meo da consderação de dos crtéros de performance: coefcente de correlação de Pearson (r) e a Raz do Erro Médo Quadrátco (RMSE). Na estatístca descrtva o coefcente de correlação de Pearson (r) representa o grau de correlação, postva ou negatva entre duas amostras, varando de -1 a 1.

4 M.A.S. Cruz et al., Scenta Plena 13, (2017) 4 Tabela 1: Estações pluvométrcas utlzadas no estudo no estado de Sergpe [12] Códgo Nome Lattude Longtude Alttude (m) ARACAJU -10,917-37,050 4, CAPELA -10,483-37, , ESTÂNCIA -11,267-37,443 53, FAZENDA BELÉM -10,942-37,345 19, PROPRIÁ -10,215-36,824 17, SALGADO -11,030-37,478 92, SANTA ROSA DE LIMA (CAMBOATA) -10,653-37,193 47,00 r n 1 n Y Y X X 2 n Y Y X X 1 (1) Assocado ao coefcente de correlação, fo avalada a condção de smlardade das séres por meo da aplcação do teste t-student ao nível de sgnfcânca de 0,05. A Raz do Erro Médo Quadrátco (RMSE), é normalmente usada para avalar a precsão das estmatvas com relação a dados observados, apresentado valores de erro nas mesmas dmensões da varável. RMSE n 1 n 1 Y X onde X e Y representam, respectvamente, os valores de precptação mensal obtdos nas estações pluvométrcas e na grade do BGMD nas mesmas coordenadas das estações. O número de regstros mensas é representado por n. Desta forma, verfcada a condção adequada de representação do comportamento das chuvas no Estado pelo produto BGMD, foram extraídos deste produto as precptações mensas nas mesmas coordenadas da grade do ETA. Assm, foram obtdas duas séres hstórcas de trnta anos: campo (do BGMD) e ETA. A avalação da representatvdade do ETA sobre o comportamento das chuvas no Estado também fez uso dos crtéros acma ctados: r e RMSE. Para extração e manpulação de todos os dados foram desenvolvdos scrpts no software lvre R v [14]. 2 2 (2) 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO A verfcação da condção das séres de precptação obtdas do produto BGMD representarem adequadamente o comportamento sazonal das chuvas no estado de Sergpe fo realzada a partr da análse dos ndcadores de performance para os sete postos pluvométrcos exstentes. Pode ser observado na Tabela 2 os valores dos coefcentes obtdos para os postos. Verfca-se que, de forma geral, os dados extraídos do BGMD representaram muto bem as chuvas mensas nos postos, com o coefcente de correlação varando de 0,94 (estação Salgado) a 0,99 (estação Fazenda Belém). Os valores de RMSE também foram satsfatóros, varando de 16,21 mm, para a estação Fazenda Belém, a 33,70 mm, para Salgado. A partr dos gráfcos apresentados na Fgura 2, observa-se que que estas dferenças apontadas pelo RMSE ocorreram nos meses chuvosos, representando, em percentuas, algo em torno de 3,0 a 8,0% em méda dos valores no período úmdo. Nos meses com menos chuva as dferenças obtdas foram muto baxas. Consderando os valores obtdos para a probabldade (p), observa-se que em todos os postos não há ndcatvo de dferenças sgnfcatvas entre as séres avaladas, tendo em vsta que todos

5 M.A.S. Cruz et al., Scenta Plena 13, (2017) 5 foram superores ao nível de sgnfcânca adotado (p > 0,05). Tas resultados apontam para uma adequada representação da sazonaldade das chuvas nas dferentes regões clmátcas do Estado de Sergpe pelo produto BGMD. Tabela 2: Valores dos coefcentes de performance obtdos para as séres de precptação das estações pluvométrcas e do produto Brazl Grdded Meteorologcal Data (BGMD) para o estado de Sergpe Estação pluvométrca R p RMSE ARACAJU 0,96 0,337 27,53 CAPELA 0,98 0,273 19,07 ESTÂNCIA 0,98 0,140 22,80 FAZENDA BELÉM 0,99 0,506 16,21 PROPRIÁ 0,97 0,220 17,04 SALGADO 0,94 0,357 33,70 SANTA ROSA DE LIMA (CAMBOATA) 0,98 0,232 18,30 r coefcente de correlação de Pearson; p probabldade assocada ao r; RMSE Raz do Erro Médo Quadrátco Fgura 2: Precptações médas mensas para os sete postos seleconados no estado de Sergpe em comparação aos valores médos extraídos do produto Brazl Grdded Meteorologcal Data (BGMT) Uma vez que os resultados apontam para a vabldade de utlzação do BGMD como base de referênca, sobre todo o terrtóro do Estado de Sergpe, este fo consderado para análse

6 M.A.S. Cruz et al., Scenta Plena 13, (2017) 6 comparatva com os valores médos mensas hstórcos de modelos de mudanças clmátcas. Assm, foram extraídas do BGMD as séres de precptações referentes às coordenadas de localzação de todos os pontos da grade do ETA sobre o estado de Sergpe e avalada a performance por meo dos coefcentes já ctados. Na Tabela 3 estão apresentados os valores dos coefcentes para a análse comparatva entre as séres de precptação nas três regões clmátcas consderando os dados do BGMD e do ETA. Observa-se que os valores dos coefcentes obtdos ndcam muto baxa capacdade de representação da sazonaldade de forma adequada nas três regões clmátcas do Estado de Sergpe. Os valores do coefcente de correlação de Pearson (r), stuaram-se entre 0,019 e 0,143, não ndcando, portanto, a exstênca de correlação sgnfcatva. Na regão Semárda houve uma pequena melhora na correlação, no entanto, os valores anda foram muto baxos, com valor médo de 0,102. Tabela 3: Valores dos coefcentes de performance obtdos para as séres de precptação do produto Brazl Grdded Meteorologcal Data (BGMD) e hstórco do modelo ETA-HagGEM2 para o estado de Sergpe r p RMSE Regão Clmátca N. pontos Mn. Med. Max. Mn. Med. Max. Ltoral Úmdo 11 0,019 0,059 0,088 << 0,05 129,20 137,49 143,80 Agreste 15 0,020 0,052 0,102 << 0,05 111,20 123,89 136,70 Semárdo 20 0,043 0,102 0,143 << 0,05 58,70 74,34 93,80 Para todos os pontos da grade avalados em todas as regões, a probabldade p sempre apresentou valores nferores ao nível e sgnfcânca adotado (0,05), apontando para ndcatvos de dferenças sgnfcatvas entre as séres hstórcas comparadas. A nterpretação anteror é reforçada também pelos altos valores obtdos para o coefcente RMSE, varando de 58,70 mm na regão Semárda a 143,80 mm no Ltoral Úmdo. A dfculdade de representação da sazonaldade no Estado de Sergpe pelo modelo regonal deve estar assocada à complexdade dos sstemas clmátcos que atuam na faxa ltorânea do Brasl [10] e também às condções de contorno da versão do RCM utlzada neste estudo, que usa saídas do modelo global ETA-HadGEM2, o qual teve também os dados de precptação hstórcos avalados pelos autores e percebeu-se comportamento smlar ao do ETA, logcamente com problemas também decorrentes da dmensão da escala. Na Fgura 3 estão apresentados os gráfcos médos da sazonaldade nas três regões clmátcas avaladas. Observa-se pela Fgura 3, que os dados ETA ndcam em todas as regões volumes totas médos anuas nferores aos regstrados, sendo que para o Ltoral Úmdo, o volume anual estmado pelo RCM fo da ordem de 74% do volume fornecdo pelo BGMD, para o Agreste esta relação fcou em 61% e para o Semárdo, 39%. Ademas à subestmação dos volumes precptados anuas, verfcase também que o RCM não consegue fornecer uma representação perfeta da sazonaldade nas três regões do Estado, deslocando os meses de maores alturas pluvométrcas para março-abrl-mao, reduzndo sgnfcatvamente os volumes de chuva nos meses de mao, junho e julho, que concentram o período chuvoso no estado de Sergpe e medações. Segundo Chou et al. (2005) [17] o ETA, quando annhado ao CPTEC/COLA, mantnha alguns erros deste, com maores magntudes localzadas geografcamente ao longo da costa norte e nordeste do Brasl e sobre os Andes. Não foram encontrados estudos com esta avalação nas costas brasleras para esta versão do ETA HadGEM2-SE. Estudos apontam que a prevsão de chuva sobre o Nordeste do Brasl, prncpalmente nos meses de feverero a abrl, depende da anomala de temperatura da superfíce do mar (TSM) sobre o Atlântco tropcal. As maores falhas nestas prevsões ocorrem quando as anomalas de TSM, sobre o Atlântco tropcal norte, são grandes e não correlaconadas com os padrões de anomala sobre o Oceano Pacífco leste[18].

7 M.A.S. Cruz et al., Scenta Plena 13, (2017) 7 Fgura 3: Precptações médas mensas para as três regões clmátcas no estado de Sergpe obtdas do produto Brazl Grdded Meteorologcal Data (BGMT) e do RCM ETA-HadGEM2-ES.

8 M.A.S. Cruz et al., Scenta Plena 13, (2017) 8 4. CONCLUSÃO Os resultados obtdos no estudo apontam para uma baxa capacdade de representação da sazonaldade ntra-anual por parte do RCM ETA HadGEM2-ES nas três regões clmátcas exstentes no estado de Sergpe, uma vez que os valores dos coefcentes de correlação de Pearson para as chuvas mensas foram muto baxos, varando de 0,019 a 0,143 e a raz do erro médo quadrátco, mostrou-se bastante elevada, com varação entre 58,7 e 143,8 mm. Tas resultados são reflexo de que o modelo subestmou os volumes precptados nas regões entre 39 e 74%, ndcando o período chuvoso concentrado de março a mao, quando os maores volumes ocorrem na regão entre os meses de mao e julho. Este comportamento provavelmente está assocado às condções de contorno consderadas pelo ETA, provenentes do modelo global HadGEM2-ES, que por sua vez ndca, consderando a sua resolução espacal menos refnada, concentração de chuvas mas no níco do ano nas células que cobrem esta regão. 5. AGRADECIMENTOS À FAPITEC/SE pela cedênca da bolsa PIBIC ao aluno que desenvolveu o estudo. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. PBMC. Panel Braslero de Mudanças Clmátcas. Mudanças ambentas de curto e longo prazo: projeções, reversbldade e atrbução. In Prmero Relatóro de Avalação Naconal. Brasíla. 2016; Watanabe S, Kanae S, Seto S, Yeh PJ-F, Hrabayash Y, Ok T. Intercomparson of bas-correcton methods for monthly temperature and precptaton smulated by multple clmate models. J Geophys Res. 2012;117:D23114, do: /2012jd Maraun D, Wetterhall F, Ireson AM, Chandler RE, Kendon EJ, Wdmann M, Brenen S, Rust HW, Sauter T, Themel M, Venema VKC, Chun KP, Goodess CM, Jones RG, Onof C, Vrac M, Thele-Ech I. Precptaton downscalng under clmate change: Recent developments to brdge the gap between dynamcal models and the end user. Rev Geophys. 2010;48:RG3003, do: /2009rg Veljovc K, Rajkovc B, Fennessy MJ, Altshuler EL, Mesnger F. Regonal clmate modelng: Should one attempt mprovng on the large scales? Lateral boundary condton scheme: Any mpact? Meteor Z Jun;19(3): , do: 5. Chou SC, Nunes AMB, Cavalcant IFA. Extended range forecasts over South Amerca usng the regonal Eta Model. J Geophys Res Apr;105(D8): , do: /1999jd Nobre P, Moura AD, Sun L. Dynamcal downscalng of seasonal clmate predcton over Northeast Brazl wth ECHAM3and NCEP s Regonal Spectral Models at IRI. Bull Amer Meteor Soc 2001 Dec;82(12): , do: / (2001)082<2787%3addoscp>2.3.co%3b2. 7. Chou SC, Marengo JA, Lyra A, Suero G, Pesquero JF. Downscalng of South Amerca present clmate drven by 4-member HadCM3 runs. Clm Dyn Feb;38(3-4): , do: /s Fernandez JPR, Franchto SH, Rao VB. Smulaton of the summer crculaton over South Amerca by two regonal clmate models Part I Mean clmatology. Theor Appl Clmatol Sep;86: , do: /s Chou SC, Lyra A, Mourão C, Dereczynsk C, Plotto I. Evaluaton of the Eta Smulatons Nested n Three Global Clmate Models. Amercan J Clmate Change 2014 Dec;3: , do: /ajcc Ferrera AG, Mello NGS. Prncpas sstemas atmosfércos atuantes sobre a regão Nordeste do Brasl e a nfluênca dos oceanos Pacífco e Atlântco no clma da regão. Rev Bras Clmatol Dez;1(1):15-28, do: /abclma.v SERGIPE. Caracterzação Clmátca. Portal do Governo de Sergpe. Secretara de Estado do Meo Ambente e dos Recursos Hídrcos. Dsponível em: < Acesso em: Mar ANA. Sstemas de Informações Hdrológcas HIDROWEB. Agênca Naconal de Águas Dsponível em: Acesso em: 03 abr

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