EVOLUÇÃO TEMPORAL DA LOCALIZAÇÃO MÉDIA DA TEMPERATURA DO AR OBTIDA EM ESTAÇÕES DA REDE DO INMET

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1 EVOLUÇÃO TEMPORAL DA LOCALIZAÇÃO MÉDIA DA TEMPERATURA DO AR OBTIDA EM ESTAÇÕES DA REDE 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 TÉCNICOS. RESUMO: O aspecto espacial é comumente desprezado nos estudos que envolvem diversas séries climatológicas de temperatura do ar. Conforme o aumento da quantidade 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 e 464 automáticas da rede do INMET, foram elaborados mapas nacionais da evolução temporal da localização média no período de 19 a 21. Revelou-se que a posição média 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 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. REVISTA GEONORTE, Edição Especial 2, V.1, N.5, p ,

2 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 15 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, 27). 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 de monitoramento da temperatura das redes depois de 199. Em meados de 197, mais de 6. estações estavam na base de dados da GHCN, mas apenas 1.5 ou menos, são usadas atualmente por essa rede, quantidade equivalente ao número de estações ativas no ano 19 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. 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. A) B) Figura 1 Rede de estações do projeto BEST. A) Quantidade de estações ativas da rede BESTazul e vermelho) em relação à rede GHCN cinza). B) Comparação da localização da rede GHCN 1 Disponível em: < Acesso em: 6 ago REVISTA GEONORTE, Edição Especial 2, V.1, N.5, p , 212

3 em azul, exibido na frente) com a localização da rede BESTem vermelho, exibido por trás). Fonte: adaptado debest 21). A queda súbita do número de estações da rede GHCN em 199 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 da superfície terrestre permaneceu acima de 95%, refletindo a ampla distribuição. A) B) Milhares de estações ativas Área coberta %) Figura 2 Evolução da A) quantidade de estações e B) da superfície mundial da rede GHCN.Fonte: adaptado de BEST 21). O Instituto Nacional de Meteorologia INMET) possui a principal rede de estações climatológicas no Brasil, totalizando atualmente 245 estações 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. 212a) 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 meteorológicas no Brasil, no decorrer do período de 19 a 21. Nota-se que a abertura 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 Até o início do século XX, as primeiras estações se concentravam na região Sul, Sudeste e Nordeste do Brasil. Na década de 2 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 2, a abertura de novas estações automáticas foi responsável por cobrir boa parte dessas áreas. Atualmente, restam relativamente poucas áreas ainda REVISTA GEONORTE, Edição Especial 2, V.1, N.5, p ,

4 EVOLUÇÃO TEMPORAL DA LOCALIZAÇÃO MÉDIA DA TEMPERATURA DO AR OBTIDA EM ESTAÇÕES DA REDE 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 curva azul) e automáticas curva vermelha); e a Figura 4-B apresenta a do território nacional, considerando o raio de de 2 de cada estação. Observa-se que o primeiro grande salto do número de estações ocorreu em 191, onde cerca de 5 estações resultaram na de quase 4% do território nacional. Um segundo salto, em torno de 1925, aumentou a para cerca de 6%. Até 197 houve um aumento gradual do número de estações, totalizando aproximadamente 175 estações e quase 7% de. Em 198, após outro acréscimo significativo total ~225 estações), a aumentou para 8%, valor que foi mantido até a década de 21. Com a abertura de estações automáticas, foi atingida a de 93,2% do Brasil no final na década de 21 OLIVEIRA et al, 212a) REVISTA GEONORTE, Edição Especial 2, V.1, N.5, p , 212

5 automáticas 25 5 Figura 3 Mapas nacionais da evolução da distribuição espacial de estações da rede do INMET, por década, para o período de 19 a 21, considerando um raio de 2 de de cada estação.fonte: Oliveira et al. 212a). Quantidade de estações A) automáticas Cobertura 1% 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% B) 5 1% % Figura 4 Evolução da A) quantidade de estações e B) do território brasileiro da rede do INMET. Fonte: Oliveira et al. 212a). 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 foi sendo alterada conforme a abertura das mesmas. Oliveira et al. 212a) ressalta que as análises de temperatura do ar devem envolver ajustes de representatividade 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 577 REVISTA GEONORTE, Edição Especial 2, V.1, N.5, p , 212

6 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 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 meteorológicas existentes em cada momento compreendido no período entre 1896 e 212;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 s 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 464 estações automáticas foram extraídas do sítio eletrônico do INMET. Para agilizar a obtenção das informações, foi elaborado um scriptrotina de comandos) escrito em linguagem python, o que permitiu processar os dados automaticamente. A partir dos mapas disponíveis 2 e automáticas 3, 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 1 por meio das etapas de importação dos dados, inserção de mapa do Brasil georreferenciado e conversão de sistema de coordenadas. Para calcular alocalização média foram utilizados dois métodos de cálculo disponíveis no ArcMap 1: 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 ARCGIS RESOUCE CENTER, 212a).Matematicamente, o centro médio é calculado conforme aequação 1. 2 Disponível em: < Acesso 4/8/ Disponível em: < Acesso 4/8/ REVISTA GEONORTE, Edição Especial 2, V.1, N.5, p , 212

7 X n x = 1 i y i i= 1 =, Y = n n n i Equação 1 Onde x i e y i 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, 212b). 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 X t, Y t ) 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 2 ) ) d = X X + Y Y Equação 2 t t t i i i Para o cálculo da evolução temporal da posição espacial média, foi utilizado um loop rotina de iteração) no módulo ModelBuilder do ArcMap, que calculou automaticamente, a cada iteração, a localização média 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 79 estações é a entrada da função iterativa iterate feature) que sequencialmente seleciona uma estação por vez a cada iteração, tendo como saída uma estaçãon), em que o número da estação n) varia de 1 a 79. A função append realiza a fusão das n estações individuais com a primeira estação [estação1)], a qual, a cada iteração, vai acrescendo e acumulando o número de pontos;em outras palavras, a estação1) 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 579 REVISTA GEONORTE, Edição Especial 2, V.1, N.5, p , 212

8 em modelos separados, que calculam as posições médias e geram um resultadon) para cada iteração do modelo. Conjunto de dados estações) Estação1) Iterate feature Estação n) Append Estação1) Mean center/ Median center Resultado n) Figura 5 Fluxograma esquemático do modelo criado para cálculo da evolução temporal da posição espacial média do INMET. As 78 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 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. REVISTA GEONORTE, Edição Especial 2, V.1, N.5, p ,

9 45 '"W 7W 6W Centroide do Brasil 1ª Estação Quixeramobim) 7W 6W 15 '"S 15 '"S Centro médio 2S 2S Centro mediano 3S A) S B) '"W Figura 6 Evolução espacial e temporal das localizações médias 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, para os dois métodos, de 189 a 21. Verifica-se que, em torno do ano de 191 o deslocamento observado na localização média ocorreu no sentido de Norte a Sul e de Leste para Oeste. Entre 192 a 193, a latitude média 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 2. 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. 581 REVISTA GEONORTE, Edição Especial 2, V.1, N.5, p , 212

10 A) Centro médio Centro mediano N S B) -8-1 Centro médio Centro mediano E O -12 Longitude ) Latitude ) Figura 7 Evolução temporal das componentes A) longitudinais e B) latitudinais das posições centrais médias CONCLUSÕES Atualmente, a localização média, assumida simplificadamente como a posição da temperatura média do Brasil, está situada próxima ao Distrito Federal, região distante há mais de 1. 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. Cabe destacar, entretanto, que tais estações possuem enorme quantidade de falhas de dados presentes em diversas séries. Oliveira et al. 212b) identificou que a média de falhas de dados obtidos em de 291 estações doinmet, no período de 1961 a 211, foi de pouco mais de 3%, 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. 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 em utilização. Por exemplo, se muitas estações no Sul do Brasil sofreram alguma falha simultânea por determinado tempo, a média de temperatura 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 582 REVISTA GEONORTE, Edição Especial 2, V.1, N.5, p , 212

11 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 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 do INMET. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ARCGIS RESOUCE CENTER. How Mean Center works. 212a. Disponível em: < 1s/>.Acesso em 15 set ARCGIS RESOUCE CENTER. How Median Center works. 212b. Disponível em: < 1t/>. Acesso em 15 set BEST. Berkeley Earth Surface Temperature Analysis. 21. Disponível em: < Acesso em: 6 ago BURT, J. E; BARBER, G.. Elementary statistics for geographers. New York: Guilford, IPCC. Climate Change 27: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge: Cambridge University Press, p. KUHN, H. W.; KUENNE, R. E. An efficient algorithm for the numerical solution of the Generalized Weber Problem in spatial economics. Journal of Regional Science, 1962, 42): OLIVEIRA, M. J.; BAPTISTA, G. M. M.; MACHADO. W. P. Distribuição e representatividade espacial da rede brasileira de estações climatológicas do INMET para uso potencial dos dados de temperatura do ar. In: XVII Congresso Brasileiro de Meteorologia, 212, Gramado. Anais... Gramado: SBMET, 212a. REVISTA GEONORTE, Edição Especial 2, V.1, N.5, p ,

12 OLIVEIRA, M. J.; BAPTISTA, G. M. M. Temperatura do ar no Brasil:Análise preliminar de dados obtidos na rede do INMET, de 1961 a 211. In: XVII Congresso Brasileiro de Meteorologia, 212, Gramado. Anais do XVII Congresso Brasileiro de Meteorologia.. Anais... Gramado: SBMET, 212b. REVISTA GEONORTE, Edição Especial 2, V.1, N.5, p ,