CLIMATOLOGIA DE GRELHAS GRID CLIMATOLOGY

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1 CLIMATOLOGIA DE GRELHAS GRID CLIMATOLOGY Álvaro Pmpão Slva, Vanda Cabrnha Insttuto de Meteorologa, Rua C ao Aeroporto de Lsboa, alvaro.slva@meteo.pt, vanda.cabrnha@meteo.pt Lsboa, SUMMARY The man goal of ths work s the producton of the mean ar temperature monthly grds for Portugal Manland, snce The modellng process uses geographcal nformaton system capabltes to combne lnear regresson wth nverse dstance weghtng nterpolaton. Ths work uses the verson 3 of the SRTM, an elevaton model wth a bass resoluton of 90 meters, as co-varable n the spatal nterpolaton and some correctons n the postonal accuracy of the meteorologcal statons. The obtaned grds can be further used n other works dealng wth clmate or envronmental analyss and modellng. Introdução A clmatologa de grelhas fo a tradução escolhda pelos autores para a desgnação anglo-saxónca grd clmatology (Tveto, 2005) e que consste em obter grelhas de elementos clmátcos e a partr destas analsar e modelar o clma. O rápdo desenvolvmento de modelos espacas nas cêncas ambentas e sóco-económcas, e a necessdade de nformação com elevada resolução em qualquer parte do terrtóro e não apenas onde exstem estações meteorológcas alada à resolução espacal dos modelos de re-análse anda nsufcente, para mutas das aplcações e utlzadores, faz com este domíno esteja em crescente exploração. Os Sstemas de Informação Geográfca têm apresentado uma utlzação crescente neste tpo de aplcação. A título de exemplo, no Met Offce uma combnação de regressão e IDW têm sdo utlzada no Arc Vew 3.2 para produzr grelhas de elementos clmátcos(holls; Dan, 2005); e no Norwegan Meteorologcal Insttute produzram-se recentemente as grelhas de város elementos clmátcos desde 1900 (Tveto, 2005). Objectvos Os objectvos deste trabalho são: Construção das grelhas mensas de temperatura desde 1941 em Portugal Contnental; Utlzação de ferramentas avançadas de nterpolação passíves de serem automatzadas; Utlzação da alttude como varável auxlar da nterpolação - SRTM3; Utlzação do maor número de estações possível; Construção de uma geodatabase com as grelhas produzdas que servrá de repostóro desta nformação; Metodologa O Modelo Dgtal do Terreno MDT utlzado fo o SRTM (Shuttle Radar Topographc Msson) versão 3 da USGS (Unted States Geologcal Survey), processado e corrgdo pela CGIAR-CSI (CGIAR, 2006). Este modelo dgtal do terreno tem uma resolução aproxmada de 90 metros tendo sdo resample para 1000 metros, através do método cubc convoluton, que na comparação com outros métodos revelou ser o que apresenta menores erros em (Nery, 2005). A projecção do SRTM é Geographc (Lat/Long), com o datum horzontal WGS84 e o EGM96 como vertcal datum. Houve a necessdade de reprojectar este MDT para a projecção de Gauss-Krüger, com o ponto central com as coordenadas geodéscas 39º N e 8º W (junto ao vértce geodésco da Melrça), com uma translação na orgem de 200 km para oeste e 300 km para sul, para uma posção a oeste do Cabo de S. Vcente e um factor de escala gual a 1. O elpsóde WGS 84 fo mantdo por forma a mnmzar as conversões entre as duas projecções e também para melhor possbltar uma eventual dssemnação da nformação fnal grelhas da nterpolação. Em relação ao método de nterpolação, a automatzação de todo o processo, uma vez que estamos a falar de 66 anos de dados mensas, sgnfcando cerca de 792 grelhas por varável, é um condconante ncal, pelo que a sua selecção teve de basear-se fundamentalmente em crtéros de automatzação. Não obstante este constrangmento optou-se por segur a metodologa descrta em Slva (2005) e Ferrera (2001), que consste na regressão com a alttude e krgagem dos resíduos que provou ser um dos dos métodos com menores erros na estmação da temperatura méda do ar. A necessdade de modelar os varogramas vsualmente

2 torna, contudo, nvável a utlzação da krgagem de forma automátca, pelo que os resíduos da regressão serão nterpolados utlzando o IDW, com um peso de 2 e 5 vznhos. Na equação 1 podemos observar as duas componentes referdas, a obtda por regressão com a alttude, à qual se adcona a componente resdual desta regressão. Υ = a + b X + e (1) Em que: Y é a varável dependente; X é a varável ndependentes ou explcatva (alttude); a é a ntersecção da regressão com o exo de Y; b é o coefcente da varável ndependente ou explcatva obtdo através do método dos mínmos quadrados; e é o resíduo da regressão. O desenvolvmento deste projecto realzou-se em Arc Objects e VB dsponível no Arc GIS 9.1. Relatvamente à rede de estações clmatológcas, esta apresenta uma evolução ao longo do período consderado ( ). Deste modo, como podemos observar na fgura 1, por exemplo, em Janero de 1941 foram consderadas 39 estações, opostamente ao máxmo de 69 estações em Janero de A alttude méda das estações clmatológcas (fgura 2) reflecte claramente uma concentração de estações em baxas alttudes, pos em todos os anos consderados esta é nferor à méda do terrtóro (calculada através do MDT, SRTM 3), apesar de em Janero de 1951 as duas médas serem próxmas. A este facto acrescente-se que, na generaldade dos anos, cerca de 50% das estações se localzam a cotas nferores a 150 metros, enquanto que apenas 30% do terrtóro apresenta alttudes nferores a esta. As alttudes mas elevadas, superores a 800 metros, são em geral mal amostradas pela rede de estações. Não obstante esta lmtação a nclusão da alttude na nterpolação da temperatura méda resulta em melhores resultados nas grelhas de estmação fnas, do que aqueles que seram obtdos se esta não fosse utlzada, como se provou anterormente (Slva, 2005 e Ferrera, 2001). Alt. (m) Fg. 1 Evolução da rede de estações clmatológcas (da esquerda para a dreta e de cma para baxo), Janero de: 1941, 1950, 1960, 1970, 1980, 1990, 2000.

3 Fg. 2 Evolução da alttude méda das estações clmatológcas, de Janero de 1941 a Janero de 2000 (alttude méda de Portugal Contnental: 320 metros) Resultados O resultado deste trabalho é, como já fo referdo, a obtenção do hstórco de grelhas de temperatura méda do ar em Portugal Contnental, mas também a sua análse estatístca por comparação aos habtuas valores calculados drectamente utlzando os dados das estações. A análse de varáves contínuas no espaço, anda que observadas de forma dscreta numa rede de estações, é neste sentdo possbltada com base em malhas regulares de elevada resolução espacal do elemento em estudo. O gráfco (fgura 3) com a evolução da temperatura méda anual desde 1941, permte-nos constatar que a méda calculada através das grelhas de nterpolação é nferor à que se obtém drectamente das estações, o que se justfca se tvermos em conta que as classes de alttude mas elevadas estão subamostradas na rede de observação, e que no modelo de nterpolação a ntegração da alttude na estmação faz como que uma correcção para baxo a essa méda. Se a temperatura decresce com a alttude, o envesamento da dstrbução das estações pelas cotas mas baxas faz com a méda da temperatura seja mas elevada que na realdade. Podemos anda verfcar que até à década de 60 as médas, calculadas pelos dos referdos métodos, apresentam as mas baxas dferenças de todo o período em estudo. Se olharmos para o gráfco da fgura 2 observamos que é precsamente nas décadas de 40, 50 e 60 que a alttude méda da rede de estações mas se aproxma da méda do terrtóro naconal, ou seja, é mas representatva, parecendo depos este facto reflectr-se em médas de temperatura mas semelhantes. Na fgura 4 podemos observar exemplos de produtos obtdos, caso da grelha de resíduos, da grelha fnal da estmação, resultado da soma da componente resdual com a de regressão, e anda a méda da temperatura méda do ar por concelho. Todos estes exemplos de mapas, respectvas grelhas e tabelas foram produzdas de uma forma sstemátca para todos os meses do período de 1941 a Estes produtos consttuem por s só nformação fnal mas para város utlzadores as aplcações que podem resultar desta nformação são númeras, ao nível da clmatologa e da modelação clmátca, da agrometeorologa, da bologa e de outras cêncas do ambente. ºC Méda anual grelhas Méda Est Ano Fg. 3 - Evolução da temperatura méda anual do ar desde 1941 até 2005, nas estações clmatológcas e nas grelhas de nterpolação.

4 Fg. 4 Temperatura méda do ar em Julho de 1978 (da esquerda para a dreta), resíduos da regressão com a alttude, mapa fnal, méda por concelhos. Conclusão Este trabalho explora metodologas, sobretudo ao nível da nterpolação, anterormente utlzadas noutros estudos, o seu carácter novador passa por aplcá-las usando ntegralmente os Sstemas de Informação Geográfca na elaboração das grelhas mensas de temperatura méda do ar e para um período tão vasto (desde 1941). A clmatologa de grelhas é uma metodologa recente pelo menos se a consderarmos numa perspectva de produção e a análse de grelhas para um longo período de tempo. A varação no número de estações e sua dstrbução é um condconante a uma análse mas rgorosa. A obtenção de grelhas mensas de temperatura méda do ar desde 1941 é relevante ao nível de detalhe e de resolução dos mapas produzdos e ao nível de nput para outro tpo de modelos e estudos, a dversas escalas. Apesar de prelmnares e do necessáro aprofundamento da valdação, os resultados dexamnos optmstas, e esta metodologa será aplcada a outros elementos clmátcos.

5 Bblografa ESPÍRITO SANTO, F.; PIRES, V. e SILVA, A. (2004): Clma de Portugal Contnental, n Desertfcação: Snas, Dnâmcas e Socedade (coord. Vctor Louro), Insttuto Paget, Lsboa, pp FERREIRA, J. et al, (2001): Representação Gráfca de Campos Clmatológcos Obtdos Objectvamente por Regressão Multvarada em Relação a Factores Físcos. Actas do 2º Smpóso da APMG, Évora, pp. TVEITO, O.E. (2005): Grddng of long-term clmatologcal nformaton n Norway, 5th ECSN Data Management Workshop, KNMI, De Blt, Holanda. GOOVAERTS, P.G. (1997): Geostatstcs for Natural Resources Evaluaton. Oxford Unversty Press, New-York, U.S.A., 483 p. GOOVAERTS, P.G. (2000): Geostatstcal approaches for ncorporatng elevaton nto the spatal nterpolaton of ranfall, Journal of Hydrology, no. 228, pp JOHNSTON, K. et al (2001): Usng ArcGIS Geostatstcal Analyst. ESRI, Redlands, U.S.A., 300 p. NERY, F. e MATOS, J.(2005): Avalação de Modelos Globas de Terreno em Portugal Contnental, IV Conferênca Naconal de Cartografa e Geodesa, Lsboa. NICOLAU, R. (2002): Modelação e Mapeamento da Dstrbução Espacal da Precptação Uma Aplcação a Portugal Contnental. Dssertação apresentada para obtenção do Grau de Doutor. Faculdade de Cêncas e Tecnologa da Unversdade Nova de Lsboa. 356 p. PERRY, M., e HOLLIS, D. (2005): The development of a new set of long-term clmate averages for the UK. Int. J. Clmatol. 25, pp SILVA, A., (2005): Estmação da temperatura méda do ar em Portugal Contnental: Teste e comparação de métodos de nterpolação em Sstemas de Informação Geográfca. Dssertação para a obtenção do grau de Mestre em Sstemas de Informação Geográfca. Insttuto Superor Técnco. Unversdade Técnca de Lsboa. SOUSA, A. (1988): Análse de Dados e Geoestatístca Multvarada. Aplcação à tpologa de mnéros. Dssertação de Doutoramento. Insttuto Superor Técnco, Lsboa. SRTM 90m Dgtal Elevaton Data: últmo acesso em