Análise do conforto térmico da cidade de Maringá

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1 Análise do conforto térmico da cidade de Maringá Sônia Maria Soares Stivari 1, Juraci Salete Triaca, Maria de Lourdes Orsini Fernandes Martins 1, Marcos Vinicius Bueno de Morais 1, Jonas Teixeira Nery 2 stivari@dfi.uem.br Departamento de Física Universidade Estadual de Maringá 1 Curso de Geografia - Unidade Experimental da UNESP Ourinhos 2 Resumo Neste trabalho é investigado o efeito do crescimento urbano sobre o CTH na cidade de Maringá, PR. A análise é feita através de índices que indicam o CTH utilizando dados de máxima, média e mínima temperatura e umidade relativa do ar e do vento. Para este trabalho foram utilizadas as séries de dados meteorológicos coletados na Estação Climatológica Principal de Maringá do período entre 1977 e 23. Para a avaliação do impacto da urbanização sobre o CTH foram selecionados anos considerados normais sem a influência dos fenômenos La Niña e El Niño. Os resultados mostram que o impacto do crescimento urbano da cidade de Maringá, sobre o CTH ocorre nos meses de janeiro e abril, para anos considerados normais, ou seja, sem a influência dos fenômenos La Niña e El Niño. ABSTRACT This work investigates the impact of the urbanization of Maringá city, located at Paraná State, around the Human Thermal Comfort HTC. This analyze has been done using index that indicates the HTC using maximum, medium and minimum air temperature, relative humidity and wind intensity data. For this work were used the data of the Climatologic Station of the Maringá comprehending the period between 1977 and 23. To the investigation were selected years without influence of the La Niña and El Niño phenomenal. The results show that the impact of the urban growing of Maringá city on the HTC occur during the months of January and April, on the years considered normal, in other words, without the influence of the La Niña and El Niño phenomenal. 1. Introdução O processo de urbanização que a sociedade moderna tem experimentado, desde o final da revolução industrial, pode ser considerado como um dos mais impressionantes fenômenos da história de nosso planeta. A expansão das áreas urbanas tem provocado modificações significativas na paisagem natural. A substituição da vegetação por áreas construídas e superfícies pavimentadas, juntamente com as outras atividades humanas, modificam a rugosidade, as propriedades térmicas da superfície e a disponibilidade de umidade no solo para evaporação, elevando a temperatura da região urbana, gerando

2 uma diferença de temperatura entre região urbana e rural podendo causar um desconforto térmico ao homem. O Conforto Térmico Humano (CTH) e sua resposta fisiológica ao estresse térmico dependem da produção de calor metabólico, do nível de fatores ambientais tais como velocidade do vento, temperatura e umidade relativa do ar e do tipo de vestimenta que o indivíduo estiver usando. O efeito conjugado destes fatores é que define o grau de conforto ou desconforto térmico sentido pelas pessoas. O desconforto térmico, além de influenciar diretamente no desempenho de nossas atividades diárias, pode também provocar acidentes (MAIA, 22). O planejamento urbano pode minimizar o efeito da urbanização sobre o CTH. Este trabalho avalia o efeito da urbanização da cidade de Maringá sobre o Conforto Térmico Humano através de dois índices de desconforto que leva em conta dados de temperatura e umidade relativa do ar e intensidade do vento. A motivação para este estudo se dá devido à característica impar da cidade de Maringá, conhecida como cidade verde devido à sua arborização. Maringá situa-se geograficamente no Noroeste do Paraná (latitude de 23º 2' S e longitude de 1º 7' W) a 43 km de Curitiba. A sede urbana possui uma área de m 2. O Município situa-se em zona de altitude compreendida entre as cotas 42 e 9 metros em relação ao nível do mar. A qualidade ambiental urbana é uma das prioridades dos habitantes de Maringá. Assim a avaliação do impacto da urbanização sobre o CTH é importante, pois a cidade tem crescido vertical e horizontalmente e o diagnóstico do efeito deste crescimento e da ocupação do solo sobre o bem-estar dos moradores servirá de subsídios para o planejamento urbano. 2. Metodologia O impacto da urbanização da cidade de Maringá sobre o conforto térmico foi analisado a partir da série de dados meteorológicos da Estação Climatológica Principal de Maringá (23º24 S; 1º W) (ECPM) situada no campus da Universidade Estadual de Maringá (UEM), compreendendo o período de 1977 a 23. Para a realização deste trabalho foi feito um levantamento dos dados de urbanização da cidade de Maringá, junto à Prefeitura do Município de Maringá, quanto ao crescimento populacional, pavimentação e construção civil, pois estas informações podem ajudar a entender possíveis alterações no microclima e no CTH.

3 Da série de dados da ECPM foram selecionados anos que não sofressem a influência dos fenômenos El Niño e La Nina, utilizando para isto a tabela de Trenberth (1997) modificada por Baldo (2) e atualizada até 24. Segundo Nery et al (1997) e Grimm e Ferraz (1997), para o Estado do Paraná, as ocorrências dos eventos El Niño e La Niña são um dos maiores responsáveis pelos desvios em relação às normais climatológicas ocorridas no Estado. Foram então escolhidos anos 1977, 1981, 1991, 2 e 23 (por ser este o último ano da série de dados analisados) que pudessem representar as mudanças na urbanização à aproximadamente cada década e que não fossem anos anômalos. Utilizando os dados de temperatura do ar, umidade relativa do ar e intensidade do vento destes anos, foram feitas as análises da evolução temporal dos índices de desconforto e a contagem dos dias com conforto térmico para todos os meses. Na análise de índice de desconforto (ID) utiliza-se uma versão alternativa da expressão desenvolvida por Thom em 199 (Equação 1) onde a temperatura (T) é a temperatura do bulbo seco em ºC e UR é a umidade relativa (GILES et al.,199 apud MAIA, 22, p.14). ID = T,(1,1UR )( T 14,) (1) Este índice representa o estresse devido ao calor excessivo e pode também ser encontrado na literatura sob o nome de higro-térmico - THI (BARRADAS, 1991, apud MAIA, 22, p.37). Valores de ID acima de 2 C já causam sensação de desconforto, e valores acima de 32 C indicam estado de emergência médica (MAIA, 22, p. 63). De acordo com Brandão e Lucena (199, p. 67 apud GOMES et AMORIM, 23, p.1) este é um índice muito útil para a região tropical. O outro índice utilizado TEv (Equação 2) (SUPING et al.,1992) leva em conta a umidade relativa, a temperatura do ar (ºC) e a velocidade do vento v (m/s), que é determinante na troca de calor por convecção entre o corpo e o meio ambiente, quanto mais intensa for a ventilação maior quantidade de calor será trocada entre o corpo humano e o ar.,7 [,68,14UR + 1 (1,76 + 1,4v )],29T (1 UR 1) TE v = 37 (37 T) (2) O ID foi calculado para cinco combinações diferentes de temperatura e umidade relativa do ar e o TEv foi calculado para seis combinações diferentes, para cada dia de cada ano de estudo conforme a Tabela 1.

4 Tabela 1: Indexação do ID e TEv para diferentes combinações de temperatura e umidade. Temperatura Umidade Intensidade do vento ID 1 Máxima Mínima ID 2 Mínima Máxima ID 3 Máxima Máxima ID 4 Mínima Mínima ID Média Média TE v1 Média Mínima Máxima TE v2 Máxima Mínima Máxima TE V3 Máxima Máxima Máxima TE V4 Mínima Mínima Máxima TE V Média Média Máxima TE V6 Média Média Mínima Fonte: Juraci Salete Triaca O número de dias de conforto térmico foi contado contemplando os indivíduos cujos índices ficaram na faixa de 22 á 2ºC, considerados em estado confortável, ou seja, com neutralidade térmica. 3. Resultados e Análise 3.1 Urbanização A figura 1 mostra a evolução do crescimento populacional na região urbana e a diminuição da população no campo. A população passou de 7. na década de 19 para aproximadamente 33. habitantes na área urbana em 23, conforme previsão do censo. Com o crescimento populacional também aumentaram as construções e a pavimentação da cidade conforme pode ser visto nas Figuras 2 e 3. A figura 2 mostra que a área aprovada para construção civil passou de m 2 na década de 6 para um total acumulado de m 2. A cada década tanto a área construída quanto a pavimentação praticamente dobra de valor em relação à década anterior. A figura 3 mostra a evolução da área pavimentada no perímetro urbano de Maringá que passou de aproximadamente,4 km 2 no início dos anos 6 para 9,2 km 2 em 24. Estes dados mostram que a área urbana da cidade de Maringá sofreu grandes modificações

5 Número de Habitantes (x1 3 ) Rural urbana Ano Área em alvenaria aprovada para construção (m 2 ) 1.8x x x x1 7 1.x1 7 8.x1 6 6.x1 6 4.x1 6 2.x Ano Figura 1: Evolução temporal do crescimento e decréscimo populacional da área urbana e rural respectivamente, da região de Maringá. Fonte: Dados fornecidos pela Prefeitura Municipal de Maringá Figura 2: Evolução temporal da área aprovada para construção em alvenaria para a região urbana de Maringá. 1 8 Pavimentação (km 2 ) Períodos (ano) Figura 3: Evolução temporal da pavimentação asfaltica da cidade de Maringá. Os períodos correspondem aos mandatos de cada gestão política da cidade. Fonte: Dados fornecidos pela Prefeitura Municipal de Maringá Com a substituição da vegetação por áreas construídas e superfícies pavimentadas, juntamente com as outras atividades humanas, a rugosidade da superfície se modificou como também as propriedades térmicas desta e a disponibilidade de umidade no solo para evaporação, neste caso é esperado que ocorra o aumento da temperatura da região urbana, gerando uma diferença de temperatura entre região urbana e rural podendo gerar ilha de calor urbano e desconforto térmico ao homem. 3.2 Conforto Térmico A figura 4 mostra a evolução temporal do índice de desconforto para as cinco configurações de ID ano 2. Neste gráfico as barras horizontais delimitam a região considerada confortável. Nas combinações de ID, utilizando a temperatura máxima

6 observam-se os maiores valores de desconforto principalmente nos meses mais quentes do ano. A combinação da temperatura e umidade relativa máxima (ID 3 ), que representa os dias quentes e úmidos, alcançou valores próximos ao da emergência médica (acima de 32ºC) com um máximo de 32,9 ºC no dia 18 de janeiro. O ID 1 que combina a temperatura máxima com a umidade relativa mínima apresenta valores menores que ID 3, mas também somente a partir de maio até final de agosto, exceto julho, apresenta valores dentro da faixa do conforto térmico. Para o ano 2 o mês de julho foi desconfortável para todas as combinações de ID. As combinações com a temperatura mínima (ID 2 e ID 4 ) apresentaram ao longo desse ano valores abaixo do confortável, com mínimo valor de 2,3 ºC para a combinação temperatura mínima e umidade relativa máxima (ID 2 ) no dia 14 de julho (dia Juliano 19) Ano 2 Índice de Desconforto (ºC) Ano 2 ID1 ID2 ID3 ID4 ID Dia juliano Índice TEv(ºC) TEV1 TEV2 TEV3 TEV4 TEV TEV Dia juliano Figura 4: Evolução temporal do índice de desconforto (ID) para cinco configurações diferentes, para o ano 2. As barras horizontais representam a região de conforto térmico. Figura : Evolução temporal do índice de temperatura efetiva (TEv) para seis configurações diferentes, para o ano 2. As barras horizontais representam a região de conforto térmico. Ao utilizar os valores médios de temperatura e umidade relativa (ID ), os valores de ID apresentam-se dentro da faixa do conforto térmico na maioria dos meses do ano 2, exceto entre os dias 12 de julho (dia juliano 193) e 7 de agosto (dia juliano 219). A figura mostra a evolução temporal de todas as combinações do TEv para o ano 2. Pode ser observado que, aplicando os TEvs, índice que inclui o vento, aumenta o número de dias na faixa do conforto térmico nas combinações com a temperatura máxima (TEv 2 e TEv 3 ) e o maior número de dias com conforto térmico ocorre na primavera, verão e outono. Na combinação com a temperatura mínima (TEv 4 ) a presença do vento aumenta o desconforto chegando a patamares de extremo estresse ao

7 frio em julho de 2. Nos dias do final do outono até final do inverno, mesmo em dias mais quentes a presença do vento torna os dias desconfortáveis. A associação entre temperatura mínima, umidade relativa mínima, e vento máximo (TEv 4 ) apresentou o menor índice registrado no ano de 2 (,6 ºC) nos dias 22 e 2 de julho (dias juliano 23 e 26), foi um índice que teve pouca representatividade também para os outros anos analisados, ficando na casa de a 3 dias considerados confortáveis no ano. Para avaliar se o processo de urbanização sofrido pela cidade de Maringá estaria modificando o CTH da cidade ao longo das décadas, foi então necessário fazer a análise dos dias com conforto térmico para cada mês. O mês de janeiro (Figura 6) apresentou um decréscimo nos dias de conforto térmico ao longo das décadas para ID ao contrário de abril (Figura 7) que apresentou um aumento no número de dias confortáveis, nas condições de temperatura e umidade relativa do ar média. Ao longo das décadas o ID (combinação da temperatura e umidade relativa média) apresenta um acréscimo no número de dias na zona do conforto térmico no mês de abril passando de 6 dias em 1977 para 22 dias no ano 2, no ano 23 não se verifica esta tendência o que pode ser justificado por ser um ano anômalo sob a influência do fenômeno La Niña. Dias com conforto térmico IDIjan TEV 2jan ID3ja n TEV 3jan IDja n TEV jan TEV 6jan Dias com conforto térmico 3 ID1a bril TEV 2a bril ID3a bril 2 TEV 3a bril IDa bril TEV a bril TEV 6a bril Ano A no Figura 6: Número de dias de conforto térmico para o mês de janeiro dos anos 1977, 1981, 1991, 2 e 23 contados utilizando os índices ID e TEv conforme a legenda. Figura 7: Número de dias de conforto térmico para o mês de abril dos anos 1977, 1981, 1991, 2 e 23 contados utilizando os índices ID e TEv conforme a legenda. Ao analisar as séries das temperaturas máximas e mínimas para todos os meses do período de estudos (1977 a 23) observou-se que para janeiro e abril havia tendência de mudança nestes parâmetros da série.

8 As figuras 8 e 9 mostram a evolução temporal da temperatura mínima dos meses de janeiro e abril para o período compreendido entre 1976 e 23 A série não compreende um período de 3 anos que seria necessário para uma análise estatística com resultado seguro de análise de tendência, mas estes são os dados disponíveis e confirmam a observação feita nos dias de conforto térmico. A evolução temporal da temperatura mínima para o mês de janeiro apresentou uma tendência positiva com R 2 =,34 com P <,2 e para o mês de abril apresentou R 2 =,3 com P <,6.com P <,2 e para o mês de abril apresentou R 2 =,3 com P <,6. 28 Temperatura mínima - Janeiro 28 Temperatura mínima - Abril Temperatura C Temperatura C Ano Ano Figura 8: Evolução temporal da temperatura mínima média dos meses de janeiro do período compreendido entre 1976 e 23. Figura 9: Evolução temporal da temperatura mínima média dos meses de abril do período compreendido entre 1976 e 23. Nos meses de maio, junho e julho (final do outono e no inverno) destaca-se o número de dias com conforto térmico para ID 1 temperatura máxima e umidade mínima e ID 3 temperatura máxima e umidade máxima, decrescendo drasticamente a contribuição do ID que representa as medidas médias e também os índices com associação do vento (TEvs). Este comportamento se justifica, pois nesta época do ano a temperatura cai e, portanto, os índices que levam em conta a temperatura máxima umidade máxima vão expressar mais dias de conforto térmico, a contribuição do vento vai gerar desconforto térmico, exceto para o TEv 3 que leva em conta a umidade relativa máxima. No inverno temperaturas altas com umidade alta colaboram para o CTH. Em setembro (Figura 1) todos os índices aparecem com alguns dias de conforto térmico, e estes dados podem ser justificados por representarem a transição de mudança de estação do final do inverno, para primavera. Em dezembro (Figura 11) observa-se que com a mudança da do final da primavera e inicio do verão o índice ID é destaque entre os dias considerados confortáveis, ficando entre 14 e 22 dias, somente 23 não registrou

9 dias confortáveis com este índice, embora este mês não sofra mais a influencia do fenômeno La Niña. Dias com conforto térmico 3 ID1 set TEV 2set ID3 set 2 TEV 3set ID set TEV set 2 TEV 6set 1 Dias com conforto térmico 3 ID 1d ez TE V2dez ID 3d ez 2 TE V3dez ID d ez TE Vdez TE V6dez An o Figura 1: Número de dias de conforto térmico para o mês de setembro dos anos 1977, 1981, 1991, 2 e 23 contados utilizando os índices ID e TEv conforme a legenda Figura 11: Número de dias de conforto térmico para o mês de dezembro dos anos 1977, 1981, 1991, 2 e 23 contados utilizando os índices ID e TEv conforme a legenda. 199 A no Conclusão O maior número de dias com conforto térmico ocorre quando aplicado o índice que leva em consideração os dados de temperatura média e umidade relativa média diária. Aplicando o índice com a combinação dos dados de temperatura máxima e umidade relativa máxima e com temperatura máxima e umidade mínima, nos meses de maio, junho e julho estas combinações apresentam mais dias de conforto térmico. A combinação da temperatura máxima, umidade relativa máxima e vento máximo, apresentaram os menores números de dias com conforto térmico, pois apresentaram valores fora da zona de conforto térmico, acima de 2ºC, exceto para alguns dias de inverno. As outras combinações que incluem o vento mostraram que no verão a contribuição do vento é importante para o conforto térmico humano, pois irão ajudar na troca de calor entre o corpo humano e o ambiente através da transferência de calor por convecção. Este estudo mostrou que o número de dias com conforto térmico sofreu alteração ao longo das décadas somente nos meses de janeiro e abril. Em janeiro, a cada período de estudo, o índice que leva em conta a temperatura e umidade relativa média apresentou um decréscimo no número de dias com conforto térmico, enquanto que para o mês abril este índice apresenta um acréscimo no número de dias com conforto térmico ao longo

10 dos anos. A análise da regressão dos dados da temperatura mínima e máxima para todos os meses confirma o observado no conforto térmico. A regressão apresentou resultados mais significativos nos meses de janeiro e abril para a temperatura mínima com uma tendência positiva. A elevação da temperatura mínima em janeiro (verão) diminui os dias com conforto térmico, em abril (outono) esta tendência influenciou positivamente nos dias de conforto térmico em razão da sazonalidade. Estes resultados revelam a importância da cidade de Maringá ter sido uma cidade planejada com avenidas largas, que facilita a circulação do vento, e densa arborização, que reduz a carga térmica recebida pela pavimentação e edifícios, pois mesmo com todo o crescimento nestas últimas décadas, não se observou alterações no conforto térmico humano significativos para a cidade de Maringá. Referências Baldo, M.C. et al. (2). Análise da precipitação pluvial do Estado de Santa Catarina associada com a anomalia da temperatura da superfície do oceano Pacífico. Revista Brasileira de Agrometeorologia. Universidade Federal de Santa Maria. Departamento de Fitotecnia, Santa Maria, v.8, n.2,. p Barradas, V. Lair (1991) Temperature and Humidity and Human Confort Index of Some City Parks of México City. International Journal of Biometeorology. Vol. 3, nº XX, p Gomes e Amorin (23). Arborização e conforto térmico no espaço urbano: estudo de caso nas praças públicas de Presidente Prudente (SP) C. C. T, Caminhos da Geografia revista on line Net p 94-16, set. Grimm, A. M. e Ferraz, S. E. T (1997). Variabilidade Sazonal e Interanual da Precipitação no Estado do Paraná: Efeitos de El Niño e La Niña, SIMPÓSIO BRASILEIRO DE RECURSOS HÍDRICOS, 12., Vitória, Anais Bases Técnicas para Implementação dos Sistemas de Gestão de Recursos Hídricos. Vitória,. 1 CD Maia, J. André. (22) Uma Análise do Conforto Térmico e suas Relações Meteorotrópicas na Cidade de São Paulo. Tese de Doutorado, Departamento de Ciências Atmosféricas-IAG-USP. Nery, J.T., Vargas, M.W.; Martins, M.L.O.F. (1997) Variabilidade interanual da precipitação do Paraná. Revista Brasileira de Agrometeorologia, Santa Maria, (1),. p Suping, Z., Guanglin, M., Yanwen, W., Ji, L. (1992). Study of the Relationships Between Wather Conditions and the Marathon Race, and Of Meteorotropic Effects on Distance Runners. International Journal of Biometeorology, vol. 36, nº XX, p Trembert, Kevin E. (1997). The definition of El Niño. Bulletin of American Meteorological Society, vol. 78, nº 12, December, p