Precipitação 16/03/2016. Revisão: ATMOSFERA: ATMOSFERA: TROPOSFERA: Prof. Luis César de Aquino Lemos Filho Dr. Engenharia de Água e Solo

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1 Revisão: Precipitação de Aquino Lemos Filho Dr. Engenharia de Água e Solo Universidade Federal Rural do Semi-Árido Mossoró, RN ATMOSFERA: Camada gasosa que envolve a terra, constituída por uma mistura complexa de gases que variam em função do tempo, da situação geográfica, da altitude e das estações do ano. Os gases predominantes são o nitrogênio (78%) e o oxigênio (21%). O vapor de água no ar atmosférico varia até um máximo próximo de 4%. Em percentagens menores o ar atmosférico também contém partículas orgânicas e inorgânicas, que tem papel fundamental no ciclo hidrológico, pois formam núcleos de condensação (higroscópico) do vapor de água nas nuvens. ATMOSFERA: AR Seco AR Natural Vapor d água Partículas sólidas em suspensão Nitrogênio + Oxigênio = 99% AR Seco Vapor d água Partículas sólidas (aerossóis) Argônio = 0,93% CO 2 = 0,03% Outros (Ozônio, Hidrogênio, Hélio, Neônio, etc.) Varia de 0 a 4% 0% - Regiões desérticas 4% - Florestas tropicais Sais de origem orgânica e inorgânica Explosões vulcânicas Combustão de gás, carvão e petróleo TROPOSFERA: A maior parte do ar atmosférico e do vapor de água encontra-se na camada mais próxima à superfície, chamada troposfera. Esta camada tem uma espessura de 10 a 12 Km. A temperatura do ar na troposfera é maior ao nível do mar e menor no topo da camada. O gradiente de temperatura é de aproximadamente 6,5 o C a cada quilômetro. Assim, se ao nível do mar a temperatura é de 20 o C, no topo da troposfera a temperatura é de, aproximadamente, -45 o C. 1

2 Circulação da atmosfera se a terra NÃO girasse... Circulação geral aproximada... Se analisarmos a circulação geral das massas de ar na Terra, podemos verificar a distribuição geral das precipitações......são as chamadas Células de Hadley... CÉLULAS DE HADLEY: Zonas de pressão atmosférica: Circulação idealizada Circulação real Precipitação média anual: Precipitação média em Janeiro: 2

3 Precipitação média em Julho: Circulação idealizada CLIMA: Circulação real CONCEITOS DE PRECIPITAÇÃO: É denominada precipitação, toda água proveniente do meio atmosférico que atinge a superfície terrestre, independente do seu estado físico (líquida, gasosa ou sólida); Tipos de precipitação: neblina, garoa, chuva, saraiva, granizo, orvalho, geada e neve. TIPOS DE PRECIPITAÇÃO O que diferencia é o estado em que se encontra a água e a possibilidade de gerar volume líquido. Neblina: A neblina é a condensação que ocorre junto à superfície, causada pelo resfriamento do ar quente e úmido quando entra em contato com um solo frio ou superfície líquida. Ocorre quando há formação de nuvens muito baixas. Neblina: 3

4 Garoa: Precipitação líquida constituída por gotas com diâmetro inferior a 0,5 mm, apresentando, em geral, baixa intensidade (< 1 mm h -1 ): Chuva: Precipitação na forma líquida e com gotas apresentando diâmetro superior a 0,5 mm. Chuva: Saraiva: Precipitação sob forma de pedras de gelo de pequeno diâmetro (< 5 mm). Tipo Intensidade (mm h -1 ) Diâmetro da gota (mm) Velocidade terminal (m s -1 ) Chuva fina (Garoa) 0,3 0,5 4,2 Chuva moderada 1,2-3,8 1,2-1,5 5,0 Chuva pesada ,5-6,5 7,6 Granizo: Precipitação sob forma de pedras de gelo de grande diâmetro (> 5 mm). Orvalho: Precipitação sob a forma de vapor d água, ocorre condensação do vapor em superfícies sólidas que se resfriam durante a noite (folhas, por exemplo). 4

5 Geada: Precipitação sob a forma de vapor d água, formam-se cristais de gelo em superfícies que se resfriam à noite. Neve: Precipitação de cristais de gelo a partir do vapor de água quando a temperatura do ar é inferior a 0ºC. CONCEITOS DE PRECIPITAÇÃO: Variável climática mais importante e representa a alimentação dos sistemas hídricos (Ciclo hidrológico). A precipitação esta relacionada com o total ocorrido num tempo definido. O valor isolado não tem significado. Por ex. 100 mm é muito em 1 hora e pouco num ano. A variabilidade temporal e espacial da precipitação influencia o comportamento da disponibilidade hídrica de uma bacia. Esta variabilidade é aleatória. MECANISMO DE PRECIPITAÇÃO: Tamanhos das gotículas nas nuvens : diâmetros de 0,01 a 0,03 mm, espaçadas por cerca de 1 mm, com massa de 0,5 a 1 g de água/m 3 - A quantidade total varia de 1,5 a 7 g/m 3. Gotas de chuva: diâmetro de 0,5 a 2 mm, velocidade de queda de 9 m/s. A formação de vapor de água na atmosfera não é garantia de que o líquido contido irá precipitar. Para que ocorra precipitação é necessário que as gotas engordem e seu peso seja superior as forças que a sustentam no ar. MECANISMO DE PRECIPITAÇÃO: Partículas higroscópicas na atmosfera (núcleos de condensação): sais marinhos, partículas de minerais (argilas), matéria orgânica (pólen), partículas químicas, etc. Sobre estes núcleos de condensação ocorre a condensação e crescimento das gotas, através de fenômenos como a coalescência e difusão de vapor. Nem toda precipitação atinge o solo, algumas podem evaporar antes disso (fenômeno conhecido como Virga). Existem várias teorias sobre os processos que desencadeiam as precipitações nos diferentes tipos de nuvens. Tipos de nuvens: 5

6 MECANISMO DE PRECIPITAÇÃO: Massa de ar úmido se eleva, a temperatura diminui, mais vapor se condensa, gotas crescem e se precipitam. TAMANHO DAS GOTAS: Nuvem: 0,02 mm Chuva: 0,5 a 2 mm RESUMO: Formação da precipitação. Elementos necessários: 1. Umidade 2. Resfriamento do vapor (elevação das massas de ar) 3. Condensação do vapor (gotículas com 0,01 a 0,03 mm) 4. Presença de núcleos higroscópicos 5. Crescimento de gotículas Chuva: diâmetros médio de gotas entre 0,5 a 2,0 mm PRECIPITAÇÃO: CHUVA. MAIOR VOLUME PRECIPITADO NO MUNDO! Precipitação: Chuvas. Elo entre a fase atmosférica e a fase terrestre do ciclo hidrológico. Entrada ( input ) do sistema hidrológico. Maior forma de entrada de água em uma bacia hidrográfica. Fonte primária da água para o uso do homem. Problemas em BH s são, em sua grande maioria, conseqüência de chuvas de grande intensidade e/ou volume e da ausência de chuvas em longos períodos de estiagem. Chuvas de grandes intensidades ou volumes. Enchentes; Danos a obras hidráulicas; Prejuízos à agricultura e pecuária. 6

7 Chuvas de grandes intensidades ou volumes. Enchentes; Danos a obras hidráulicas; Prejuízos à agricultura e pecuária. Chuvas de grandes intensidades ou volumes. Enchentes; Danos a obras hidráulicas; Prejuízos à agricultura e pecuária. Chuvas de grandes intensidades ou volumes. Enchentes; Danos a obras hidráulicas; Prejuízos à agricultura e pecuária. Chuvas de baixa intensidade e longa duração. Promovem aumento da infiltração; Favorecem recarga de aqüíferos; Podem causar problemas à agricultura e à conservação do solo. Ausência de chuvas por longos períodos. Redução de vazão; Redução de nível dos reservatórios; Prejuízos à agricultura e pecuária. 7

8 Ausência de chuvas por longos períodos. Redução de vazão; Redução de nível dos reservatórios; Prejuízos à agricultura e pecuária. Ausência de chuvas por longos períodos. Redução de vazão; Redução de nível dos reservatórios; Prejuízos à agricultura e pecuária. Tipos de chuva. TIPOS DE CHUVA Classificadas de acordo com os diferentes processos pelos quais ocorre ascensão das massas de ar. Do ponto de vista do hidrólogo a chuva tem três mecanismos fundamentais de formação: a) Frontais ou ciclônicas; b) Orográficas ou chuvas de relevo; c) Convectivas térmicas (chuvas de verão). Tipos de chuva: Frontais ou ciclônicas. Encontro de duas grandes massas de ar, de diferentes temperatura (quente e fria) e umidade (úmida e seca). Quando chega uma frente fria forma-se junto a frente um grande gradiente de temperatura. Os dias anteriores a chegada da frente ficam quentes. O ar frio é a mais denso e penetra, fazendo o ar quente mais leve subir condensar e precipitar. Predominam em regiões temperadas. Tipos de chuva: Frontais ou ciclônicas. Movimentam-se de forma relativamente lenta e seu movimento depende dos sistemas de pressão regional. Caracterizam-se pela longa duração e por atingirem grandes extensões, apresentando baixa intensidade na maioria das vezes. Processos frontais de grande extensão e duração são os que produzem inundações em grandes bacias. Porém, podem ficar estacionárias provocando enchentes em pequenas bacias. 8

9 Tipos de chuva: Frontais ou ciclônicas. Tipos de chuva: Frontais ou ciclônicas. Frente fria Frente quente Tipos de chuva: Frontais ou ciclônicas. Tipos de chuva: Frontais ou ciclônicas. Tipos de chuva: Frontais ou ciclônicas. Tipos de chuva: Frontais ou ciclônicas. 9

10 Tipos de chuva: Frontais ou ciclônicas. Tipos de chuva: Orográfica. Ventos quentes e úmidos provenientes do oceano encontram barreiras físicas, sobem, condensam e precipitam sobre áreas montanhosas. O vento que ultrapassa a barreira física é seco, retirando umidade do ambiente, podendo gerar áreas desérticas (sombra pluviométrica) na região de sotavento. A precipitação varia com a altitude, tendo algumas alturas onde a precipitação é muito alta. Atua sobre bacias pequenas com intensidade variável. Geralmente, com baixa intensidade e longa duração, cobrindo pequenas áreas. Tipos de chuva: Orográfica. Tipos de chuva: Orográfica. Tipos de chuva: Orográfica. Tipos de chuva: Convectiva térmica. Massas de ar úmidas são aquecidas nas vizinhanças da superfície do solo, ficam menos densas, ascendem bruscamente, diminuem a temperatura, condensam e precipitam. São formações locais com pequena abrangência espacial, alta intensidade e curta duração. Geralmente, só ocasionam enchentes pontuais ou em pequenas áreas (bacias). Por isso é muito importante para pequenas bacias hidrográficas com pequeno tempo de concentração. Ocorre principalmente no verão em climas tropicais e regiões equatoriais (conhecida como chuva de verão). 10

11 Tipos de chuva: Convectiva térmica. Tipos de chuva: Convectiva térmica. Tipos de chuva: Convectiva térmica. Tipos de chuva: Convectiva térmica. Tipos de chuva: Convectiva térmica. Tipos de chuva: Convectiva térmica. 11

12 Frontais x Orográficas x Convectivas Frontais x Orográficas x Convectivas Frontais x Orográficas x Convectivas Grandezas que caracterizam as precipitações: Lâmina precipitada; Duração da precipitação; Intensidade de precipitação; Período de retorno e freqüência de probabilidade Escala da precipitação. Lâmina precipitada: Altura pluviométrica ou total precipitado; Espessura média da lâmina de água precipitada que recobriria a região atingida pela precipitação admitindo-se que essa água não se infiltrasse, não se evaporasse, nem se escoasse para fora dos limites da região ; Unidade: milímetro (mm). 1 mm = 1 L/m 2 = 10 m 3 /ha Recordes de lâminas de chuva: DURAÇÃO TOTAL (mm) LOCAL 1 min 32,20 EUA 8 min 126,00 Bavária 1 hora 381,00 EUA 2 horas 457,00 EUA 1 dia 1.168,00 Filipinas 2 dias 1.676,00 China 1 semana 3.327,00 Índia 1 mês 9.296,00 Índia 1 ano ,00 Índia 12

13 Duração da precipitação (tempo): Período de tempo durante o qual a chuva cai; Unidade: minuto ou hora. Intensidade de precipitação (I p ): Lâmina total precipitada por unidade de tempo; I p P t P Variação de I p : Padrão Aleatório (Real) Medida do Pluviômetro P Unidade: mm/hora ou mm/minuto; Apresenta grande variabilidade temporal, mas, para análise dos processos hidrológicos, geralmente são definidos intervalos de tempo nos quais é considerada constante. 1 hora t 1 hora t Padrões de I p : Classificação da chuva conforme I p : INTENSIDADE Ip (mm/h) Uniforme Intermediário Avançado Retardado Chuva muito fraco 0,1 a 1,0 Chuva fraca 1,1 a 5,0 Chuva moderada 5,1 a 25,0 Chuva forte 25,1 a 50,0 Chuva muito forte > 50,00 Exemplo de registro de chuva: Exemplo de registro de chuva: Tempo Chuva Início 03:00 Fim: 13:00 Duração = 10 horas Total precipitado: 61 mm; Duração da chuva: 10 h; Intensidade média: 6,1 mm/h; Intensidade máxima: 12 mm/h, entre 6 e 7 h; Intensidade média do dia: 2,5 mm/h (61mm/24h). 13

14 Período de retorno (T): Também conhecido como: Período ou Tempo de recorrência (T); T 1 P É o número médio de anos durante o qual espera-se que a precipitação analisada seja igualada ou superada; Frequência (F): número de vezes que um evento é igualado ou superado em um determinado período de tempo (um ano, por exemplo); Probabilidade (P): é a razão entre a frequência (F) de um determinado evento e o número total de observações. Frequência (F): probabilidade. Chuvas fracas são mais frequentes; Chuvas intensas são mais raras; Exemplo: Todos os anos ocorrem alguns eventos de 10 mm em 1 dia em Porto Alegre. Chuvas de 180 mm em 1 dia ocorrem uma vez a cada 10 ou 20 anos, em média. Frequência (F): probabilidade. Frequência (F): probabilidade. Bloco F P = zero 5597 P < 10 mm < P < 20 mm < P < 30 mm < P < 40 mm < P < 50 mm < P < 60 mm < P < 70 mm < P < 80 mm < P < 90 mm < P < 100 mm < P < 110 mm < P < 120 mm < P < 130 mm < P < 140 mm < P < 150 mm < P < 160 mm < P < 170 mm < P < 180 mm < P < 190 mm < P < 200 mm 0 P < 200 mm 0 Total 8279 Frequência (F): probabilidade. Período de retorno (T): Microdrenagem urbana: 2 a 5 anos; Drenagem urbana: 5 a 25 anos; Pontes e bueiros com pouco trânsito: 10 a 100 anos; Pontes e bueiros com muito trânsito: 100 a 1000 anos; Grandes obras hidráulicas: anos 14

15 Valores mínimos de T para projetos de barragens: Maior altura do barramento H (m) Período de retorno (T): Região de influência a jusante Sem risco para habitação ou pessoas Com risco para habitação ou pessoas H anos 500 anos 5 < H anos anos H > anos anos Exemplo hipotético: Chuva crítica para Mossoró I p >= 48 mm/h. Contagem chuvas superiores à chuva crítica ocorridas anualmente nos últimos 30 anos: 5. Frequência de chuvas iguais ou superiores à crítica (F): 5 vezes em 30 observações (anos). Probabilidade (P) da chuva crítica ocorrer: F/N = 5/30 = 0,1666. Período de retorno (T) da chuva crítica: 1/P = 1/0,1666 = 6 anos. Escalas de chuva: Total anual: Chuva horária; Total de chuva diária; Total de chuva semanal; Total de chuva quinzenal; Total de chuva mensal; Total de chuva anual; Média diária mensal; Média diária anual; Média do total mensal anual (meses de anos diferentes); Média do total anual; Entre outras. Total anual: Média anual: 15

16 Média anual: Total mensal: Média mensal anual: Média mensal anual: Medição de dados de chuva: Pluviômetros; MEDIÇÃO E ANÁLISE DE DADOS DE CHUVA Pluviógrafos; Sensores pluviométricos; Radares meteorológicos; Satélites; Entre outros. 16

17 1,5 m obstrução 16/03/2016. D >2h h Pluviômetros: São aparelhos medidores de formato cilíndricos (com área que pode variar de 100, 200, 400 (Ville de Paris) ou 1000 cm 2 ) colocado de 1 a 1,5 m do solo, livre de obstruções. Valores com precisão de décimo de milímetro obtidos por: V P 10x A Em que, V é o volume em cm 3 e A é a área cm 2. Pluviômetros: Ville de Paris Pluviômetros: Pluviômetros: Pluviômetro Tipo Hellmann Pluviômetro Tipo Hellmann Pluviômetros: Tipo Therené ou Paulista Pluviômetros: São medidores sem registradores; Dados coletados pelo observador 1 vez ao dia (pela manhã). Em algumas entidades utiliza-se duas vezes ao dia; O totalizador de um dia não permite conhecer como a precipitação se distribui ao longo do dia; Fontes de erros: anotações, somar a medição de precipitações altas (valores de 20 mm). 17

18 Pluviômetros: As medições são pontuais; O recipiente deve ter volume suficiente para conter as maiores precipitações dentro do intervalo de tempo das leituras; O valor medido num dia t+1 é transferido para o dia t, pois a maior parte do tempo ocorreu no dia anterior. Isto pode ser fonte de erro de processamento de dados. Período de totalização do dia t Dia t Dia t+1 Leitura 7:00am Chuva de 1 dia X Chuva de 24 horas Dados Pluviométricos: Dados pluviométricos históricos de cerca de 8800 estações do Brasil podem ser obtidos: -Sistema de Informações Hidrológicas ( -Sistema Nacional de Informações sobre Recursos Hídricos ( Exemplo prático de Pluviômetros: Determine a lâmina precipitada num período de 24 horas, no qual utilizouse, como um pluviômetro artesanal, uma lata de leite em pó, cuja 'boca' possui diâmetro de 11 cm e após as 24 horas, foi registrado, com auxílio de uma proveta, um volume de 425 mililitros (ml) de água dentro da lata: Pluviógrafos: Objetivo: O equipamento automático pode ser necessário devido a falta de observador e dificuldade de acesso e/ou para conhecer a distribuição da precipitação dentro do dia, ou seja, o equipamento mede variação temporal da lâmina precipitada Sensores: com cubas basculantes ou reservatório com sifão; Registradores: (a) mecânico: tambor com relógio e pena sobre papel milimetrado; (b) eletrônico. Pluviógrafos: Pluviógrafos: reservatório com sifão. Transmissão: coleta por observador, equipe de campo; transmissão por rádio, satélite e celular, dependendo da distância e custos; Os aparelhos mecânicos apresentam maior custo de processamento e erros; Os equipamentos digitais sofrem de interferências, principalmente impactos dos raios. 18

19 Precipitações (mm) Pluviógrafos: reservatório com sifão. Tipo monjolo Pluviograma: Tempo (horas) Pluviógrafos: cubas basculantes. Pluviograma: CAPTAÇÃO: A água que entra pela boca do pluviômetro passa pelos funis superior e inferior. REGISTRO: Cada vez que uma das duas básculas excede a capacidade de receber água e transborda, elas se movimentam como uma gangorra e emitem sinais elétricos para a estação meteorológica que, posteriormente, são transmitidos a uma rede de computadores. SAÍDA: Por estes tubos laterais escoa a água da chuva, já registrada pelo equipamento. Pluviógrafo X Pluviômetro Pluviógrafo X Pluviômetro Chuva de 24 horas X Chuva de 1 dia; Pluviômetros são mais baratos e menor custo de operação; Pluviógrafos quando é desejada a intensidade da chuva (variabilidade temporal da chuva ao longo do dia); Autonomia e automatização dos aparelhos; Rede de observação (OMM); Regiões de difícil acesso. 19

20 Fontes de erros nas leituras: Obstruções físicas tais como árvores, edifícios, muros, etc; Perda, por evaporação, de parte da precipitação captada (funil-tela); Perda de parte da precipitação pela aderência às paredes do recipientes e das provetas medidoras; Erros de leitura na medição do volume da água coletada; Respingos da chuva de dentro para fora ou de fora para dentro do recipiente. Fontes de erros nas leituras: FONTES % DO ERRO TOTAL Evaporação 1 Aderência 0,5 Inclinação do pluviômetro 0,5 Respingos 1 Outros 0,5 Vento 5 a 80 Sensores pluviométricos: Pluviógrafo com Telemetria: Radar meteorológico: Radar meteorológico: A palavra RADAR é da expressão inglesa RAdio Detection And Ranging; Equipamento em terra utiliza sensores para estimar a variabilidade temporal e espacial dos processos de chuva; Vantagens de ter melhor resolução espacial; Alto custo de operação do sistema. 20

21 Precipitação diária (mm) Precipitação diária (mm) 16/03/2016 Radar meteorológico: Radar meteorológico: Satélite: Satélite: Satélite: utiliza a freqüência de sensores para estimar temperatura das nuvens e outras características, como o brilho no topo da nuvem, para estimar a chuva; Quanto mais quente a nuvem parece, mais água ela contém; Bons resultados com Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) em climas tropicais; Boa resolução espacial se comparadas as medidas pontuais das medidas de terra dos pluviômetros; Pode ter limitado resultados pontuais. Satélite: Satélite: Chuva média interpolada dos postos Chuva média do TRMM Chuva média interpolada dos postos Chuva média do TRMM Satélite atrasa Satélite adianta Diferença nas magnitudes /6/1998 4/7/1998 3/8/1998 2/9/1998 2/10/1998 1/11/ Estiagem bem representada 4/6/1998 4/7/1998 3/8/1998 2/9/1998 2/10/1998 1/11/

22 Variabilidade das chuvas: Espacial: característica inerente às precipitações sendo influenciada pelo relevo e é representada pelas isoietas. Temporal: característica inerente ao clima predominante nas diferentes regiões e é representada por hietogramas. Influenciada por: - Latitude e altitude; - Distância do mar ou outras fontes de umidade; - Orientação das encostas; - Vegetação. Variabilidade das chuvas: Isoietas Hietograma Variabilidade das chuvas: Uma série de precipitações ao longo do tempo deve definir a duração dos intervalos, por exemplo: diária, mensal ou anual; A série de precipitações mensais permite caracterizar a sazonalidade climática do local; A série de precipitações totais anuais caracteriza a série de longo período de chuvas de um local; A série de um local não significa a ocorrência sobre uma determinada área. Análise preliminar dos dados de chuva: É bastante difícil a aquisição de dados de chuva de boa qualidade, embora a medições e os aparelhos sejam simples. Por isso, é muito raro encontrar uma série de dados pluviométricos e/ou pluviográficos confiáveis. NECESSIDADE DE ANÁLISE DE CONSISTÊNCIA E PREENCHIMENTO DE FALHAS. Análise dos dados de chuva: 1. Preparo preliminar de dados; 2. Preenchimento de falhas; 3. Verificação de homogeneidade (análise de consistência dupla massa). Preparo preliminar dos dados: Eliminação e correção de erros grosseiros ou sistemáticos: - Observações marcadas em dias que não existem (ex.: 31 de abril); - Quantidades absurdas (ex.: 500 mm em um dia); - Erro de transcrição (ex.: 0,36 mm em vez de 3,6 mm). No caso de pluviógrafos, para verificar se não houve defeito na sifonagem, acumula-se a quantidade precipitada em 24 horas e compara-se com a altura lida no pluviômetro que fica ao lado. 22

23 Preenchimento de falhas: Média aritmética: Falhas: ausência de observações humanas ou por defeitos dos aparelhos; Necessárias séries contínuas de dados; Registros de pelo menos 3 estações pluviométricas; Não se preenche falhas de dados diários; Métodos: 1. Média aritmética; 2. Ponderação regional; 3. Regressão linear; 4. Ponderação regional com base em regressões lineares. P Y Px 1 Px 2 Px Py i P Y i PY i PY i n i1 Px n i X ,33 mm X 1 Y X 2 Ponderação regional: Ponderação regional: Utilizado para precipitação e duração superior a 1 semana. Preferencialmente com duração superior a 1 mês, ideal para séries mensais e anuais; Preenchimento com base em postos vizinhos: Postos vizinhos utilizados: intervalo mínimo de 30 anos e climaticamente homogêneos; No Brasil normalmente não existe problema quanto à existência de grandes discrepâncias climatológicas devido à proximidade dos postos. P Y Px 1 Px 2 Px Py i P Y PX 1 PX P 2 X 3 X 3 1 PX PX P 1 2 X3 PY P i Y 3 PX PX P 1 2 X ,4 3 67,2 85,7 104,2 89,4 67,2 85,7 104,2 106,43 mm PY i PY i X 1 Y X 2 Regressão linear: Regressão linear: Se a correlação entre as chuvas de dois postos próximos é alta, eventuais falhas podem ser corrigidas por uma correlação simples. P Y Px 1 Px 2 Px Py i Melhor correlação dos postos vizinhos... X 3 2 Regressão:P Y PX R 0, Regressão:P Y PX R 0, Regressão:P Y PX R 0, X 1 Y X 2 P 1,1675 P Y X1 i 13,978 P Y i 107,38mm 23

24 Acumulado do posto X (mm) Acumulado do posto Y (mm) 16/03/2016 Comparação de métodos: Verificação de homogeneidade (análise de consistência): Média aritmética: Feita após preenchimento de falhas; X 1 PY i 102,33 mm Curva de Duplas Massas ou Curva Dupla Acumulativa (apenas para séries mensais e anuais); X 3 Y Ponderação regional: Escolhe-se um ou vários postos de uma região homogênea sob o ponto de vista meteorológico; X 2 PY i Regressão linear: PY i 106,43 mm 107,38 mm 1. Acumula-se os totais anuais de cada posto; 2. Calcula-se a média aritmética dos totais precipitados em cada ano em todos os postos. 3. Acumula-se essa média; 4. Plota-se os valores acumulados da média dos postos (eixo da abscissa) contra os totais acumulados de cada um deles (eixo da ordenada). Verificação de homogeneidade (análise de consistência): Verificação de homogeneidade (análise de consistência): Consistência Inconsistência Acumulado da média da região (mm) Acumulado da média da região (mm) Verificação de homogeneidade (análise de consistência): Verificação de homogeneidade (análise de consistência): Mudança de tendência indica inconsistência que pode variar de acordo com o problema; A plotagem é realizada para valores mensais e no sentido do passado para o presente, quando os valores presentes serão corrigidos; Motivos: erros grosseiros, erros de transcrição, férias" do observador, crescimento de árvores em torno do pluviômetro, mudança de posição, etc. 24

25 Verificação de homogeneidade (correção de tendência): O valor corrigido é obtido por: P c = P a* + M a /M o x DP o P c = precipitação corrigida; P a = precipitação quando ocorre a alteração; M a e M o : inclinações das retas desejada e a ser corrigida; DP o = P o - P a* P o é o valor a ser corrigido. Chuva média na Bacia Hidrográfica: A figura abaixo mostra a chuva média uniforme e a superfície de ocorrência da chuva; Os métodos procuram estabelecer um cálculo que estime o valor médio uniforme; Transformar medidas pontuais em espaciais; MÉTODOS: 1. Média Aritmética; 2. Polígonos de Thiessen; 3. Isoietas; 4. Interpoladores. Média Aritmética: É o método mais simples; Média aritmética simples de um certo número de dados medidos por diferentes pluviômetros: P Limitações: distribuição uniforme dos postos dentro da BH, áreas planas ou com relevo muito suave; Recomenda-se que o método da média aritmética somente seja aplicado quando: n i1 n P i 50 mm Média Aritmética: 70 mm 120 mm Média dentro da bacia: P média = 60 mm Média no entorno:: P média = 79,4 mm (Pmáx mín P P ) 0,50 75 mm 82 mm Polígonos de Thiessen: Método utilizado mesmo quando não há distribuição uniforme dos postos pluviométricos dentro da BH; Atribuir um fator de peso aos totais precipitados medidos em cada posto pluviométrico, sendo estes pesos proporcionais à área de influência de cada posto; Áreas de influência são determinadas em mapas que contenham a localização dos postos. Polígonos de Thiessen: A precipitação média é calculada pela média ponderada entre a precipitação de cada posto pluviométrico e o peso a ela atribuído (área); Mais preciso que o Método da Média Aritmética; Mais utilizado; Não leva em consideração a influência do relevo na precipitação média. 25

26 Polígonos de Thiessen: Polígonos de Thiessen: n Pi Ai i1 P n Ai i1 50 mm 120 mm Em que, 70 mm Ai: área de influência de cada posto; Pi: precipitação de cada posto. 75 mm 82 mm Polígonos de Thiessen: Polígonos de Thiessen: 50 mm 1. Linha que une dois postos pluviométricos próximos mm 2. Linha que divide ao meio a linha anterior mm 120 mm 70 mm 70 mm 75 mm 82 mm 75 mm 82 mm Polígonos de Thiessen: Polígonos de Thiessen: 50 mm 2. Linha que divide ao meio a linha anterior mm 3. Linhas que unem todos os postos pluviométricos vizinhos mm 120 mm Região de influência dos postos! 70 mm 120 mm 75 mm 82 mm 75 mm 82 mm 26

27 Polígonos de Thiessen: Polígonos de Thiessen: 50 mm 4. Linhas que dividem ao meios todas as anteriores mm 5. Influência de cada um dos postos pluviométricos mm 120 mm 70 mm 70 mm 75 mm 82 mm 75 mm 82 mm Polígonos de Thiessen: Polígonos de Thiessen: 50 mm 5. Influência de cada um dos postos pluviométricos mm 5. Influência de cada um dos postos pluviométricos mm 120 mm 70 mm 70 mm 75 mm 82 mm 75 mm 82 mm Polígonos de Thiessen: Polígonos de Thiessen: 50 mm 5. Influência de cada um dos postos pluviométricos mm 5. Influência de cada um dos postos pluviométricos mm 120 mm 70 mm 70 mm 75 mm 82 mm 75 mm 82 mm 27

28 Polígonos de Thiessen: Polígonos de Thiessen: 50 mm 5. Influência de cada um dos postos pluviométricos mm 5. Influência de cada um dos postos pluviométricos mm 120 mm 5% 30% 40% 70 mm 10% 15% 120 mm n Pi Ai i1 P n Ai i1 P média = 73 mm 75 mm 82 mm 75 mm 82 mm Comparação média aritmética X Thiessen: Método das Isoietas: 50 mm Média dentro da bacia: P média = 60 mm Método mais preciso para estimativa da precipitação média em uma bacia hidrográfica; 70 mm 120 mm Média no entorno:: P média = 79,4 mm Ao invés de dados de precipitação oriundos de postos pluviométricos isolados, usa-se curvas que unem pontos de igual precipitação (isoietas); 75 mm 82 mm Polígono de Thiessen: P média = 73 mm A precipitação média é calculada ponderando-se a precipitação média entre isoietas sucessivas pela área entre estas. Método das Isoietas: P n i1 Pi P 2 n i1 i1 A i Ai Método das Isoietas: P n i1 Pi P 2 n i1 i1 A i Ai 28

29 Método das Isoietas: Outros interpoladores: 2 ha 11 ha 10 ha 12 ha 15 ha 9 ha P n i1 Pi P 2 n i1 i1 A i Ai INVERSO QUADRADO DA DISTÂNCIA: - Pondera de acordo com a distância dos postos. 6 ha KRIGING (GEOESTATÍSTICA): Σ(P média)xa = (2x32,5) + (11x37,5) + (10x42,5) + (12x47,5) + (15x52,5) + (9x57,5) + (6x62,5) ΣA = 65 ha P média = 48,5 mm - Pondera de acordo com a distância; - Função de ponderação não é pré-definida, mas surge a partir da análise espacial dos dados. Comparação de métodos: Método Vantagens Desvantagens Média aritmética Thiessen - Mais simples; - Se o número de pluviômetro for adequado e se estes se encontram bem distribuídos ao longo da área, apresenta boa estimativa; - Em áreas montanhosas só dá bons resultados se o fator topográfico for levado em conta na localização dos pluviômetros. - Proporciona resultados mais precisos do que os obtidos pela média aritmática; - Não é influenciado pela distribuição desuniforme dos pluviômetros; - Os pluviômetros colocados fora, mas próximos aos limites da área, podem ser utilizados nos cálculos. - Se há poucos pluviômetros e se a distribuição destes não for adequada os resultados não serão confiáveis; - Requer maior número de pluviômetros para uma mesma precisão, em comparação com os demais métodos. - Muito trabalhoso; - Os polígonos devem ser refeitos quando ocorre uma mudança na rede de pluviômetros. CHUVAS INTENSAS Isoietas -Teoricamente é o mais preciso; - Permite a visualização da variação espacial da precipitação ao longo da área; - Os pluviômetros colocados fora, mas próximos aos limites da área, também podem ser utilizados nos cálculos. - É o mais trabalhoso dos métodos; - Requer muita prática; - O procedimento de cálculo pode ter erro subjetivo. Chuvas intensas (precipitações máximas): Conjunto de chuvas originadas de uma mesma perturbação meteorológica, cuja intensidade ultrapasse um certo valor registrado anteriormente; São processos totalmente aleatórios; A duração destas precipitações varia desde alguns minutos ou horas (convectivas) até algumas dezenas de horas (frontais) e a área atingida pelas mesmas pode variar desde alguns poucos hectares (convectivas) até milhares de quilômetros quadrados, como ocorre com as chuvas frontais. Chuvas intensas (precipitações máximas): Duração Precipitação (mm) Local e data 1 minutos 38 Guadeloupe/ minutos 198 Jamaica/ minutos 280 China/ minutos 401 China/ horas 1400 China/ horas 1825 Ilhas Reunião/ meses Índia/1861 Chuvas mais intensas já registradas no mundo (adaptado de Ward e Trimble, 2003) 29

30 Chuvas intensas (precipitações máximas): O conhecimento das chuvas intensas é importante para a realização de diversos estudos relacionados ao manejo de bacias hidrográficas, como estimativa de escoamento superficial, previsão de enchentes, dimensionamento de obras hidráulicas, etc; Para o estudo de chuvas intensas é necessário conhecer a relação entre três características fundamentais da precipitação: intensidade, duração e frequência. Chuvas intensas (precipitações máximas): As chuvas intensas são as causas das cheias e as cheias são causas de grandes prejuízos quando os rios transbordam e inundam casas, ruas, estradas, escolas, podendo destruir plantações, edifícios, pontes etc. e interrompendo o tráfego; As cheias também podem trazer sérios prejuízos à saúde pública ao disseminar doenças de veiculação hídrica. Chuvas intensas (precipitações máximas): Por estes motivos existe o interesse pelo conhecimento detalhado de chuvas máximas (intensas); O problema da análise de frequência de chuvas máximas é calcular a precipitação P que atinge uma área A em uma duração D com uma dada probabilidade de ocorrência em um ano qualquer; A forma de relacionar parte destas variáveis é a curva de Intensidade Duração Frequência (curva IDF). Curva IDF: A curva IDF é obtida a partir da análise estatística de séries longas de dados de um pluviógrafo (mais de 15 anos, pelo menos). A metodologia de desenvolvimento da curva IDF baseia-se na seleção das maiores chuvas de uma duração escolhida (por exemplo 15 minutos) em cada ano da série de dados; Determinação pontual para cada posto pluviográfico; Existem várias metodologias adaptadas para determinação com dados de pluviômetros (Pfafstetter, 1957; DAEE-CETESB, 1980; Método de Bell) Curva IDF: Com base numa série de tamanho N (número de anos) é ajustada uma distribuição de frequências que melhor represente a distribuição dos valores observados; O procedimento é repetido para diferentes durações de chuva e os resultados são resumidos na forma de um gráfico, ou equação, com a relação das três variáveis: Intensidade, Duração e Frequência (ou tempo de retorno). Gráfico de IDF: A intensidade da precipitação decresce com o aumento da duração e aumenta com a redução da frequência, ou seja, com o aumento do período de retorno. 30

31 Equação de chuvas intensas (IDF): Equações de chuvas intensas: Onde, i m a k T t b i m : intensidade da chuva (mm h -1 ); k, a, b, c: parâmetros (adimensionais) característicos da IDF de cada local; T: período de retorno, em anos; t: duração da chuva, em minutos. c Determinação da equação de IDF: A obtenção dos coeficientes k, a, b e c é feita por intermédio da análise e ajuste estatístico de dados pluviográficos relativos a um posto de coleta (estação pluviográfica) específico; Exige um exaustivo trabalho de tabulação, análise e interpretação de uma grande quantidade de pluviogramas, além do ajuste estatístico dos dados obtidos. Determinação da equação de IDF: 1. Obtenção de pluviogramas; 2. Determinação de intensidades máximas anuais de precipitações para durações de 5, 10, 15, 20, 25, 30 minutos e 1, 2, 4, 6, 8, 12, 16, 18, 20 e 24 horas. 3. Obter o melhor ajuste de uma distribuição estatística probabilísticas para cada duração (Gumbel, Log-Normal a dois e três parâmetros, Pearson, Log- Pearson II); 4. Seleção da distribuição estatística: Kolmogorov-Smirnov ou Qui-quadrado; Determinação da equação de IDF: 5. Determinar a chuva para cada tempo de retorno T em cada duração (t); 6. Gerar a tabela tempo de retorno (anos), duração (min ou h), chuva (mm); 7. Ajustar uma equação aos dados do tipo regressão não-linear Gauss-Newton com T (2, 5, 10, 20, 50 e 100 anos) e t (5, 10, 15, 20, 25, 30 minutos e 1, 2, 4, 6, 8, 12, 16, 18, 20 e 24 horas). Curva IDF: i m a k T t b c Determinação de k, a, b, c: 31

32 Determinação de k, a, b, c: Equações de chuvas intensas no NORDESTE: Cidades k a b c Aracajú (SE) 834,205 0, ,73 Fortaleza (CE) 1408,613 0,167 12,0 0,78 João Pessoa (PB) 886,013 0,164 20,0 0,73 Maceió (AL) 1012,415 0,181 30,0 0,75 Natal (RN) 828,967 0,168 16,0 0,74 Olinda (PE) 1407,922 0,192 26,0 0,78 Salvador (BA) 1100,949 0,172 25,0 0,76 Teresina (PI) 1248,856 0,177 10,0 0,77 Patos (PB) 429,000 0,639 12,0 0,74 João Pessoa (PB) 290,000 0,398 10,0 0,60 Campina Grande (PB) 334,000 0,227 5,0 0,60 Caruaru (PE) 805,19 0,170 10,5 0,75 Variabilidade de chuvas intensas (máximas): Distribuição espacial: distribuição máxima espacial durante o evento e duração crítica: Curva Precipitação x Duração x área; Necessita dados de vários pluviógrafos para vários eventos; Estas informações são raras dentro da realidade brasileira; Curva utilizada para transformar precipitação pontual sobe uma área de bacia maior, considerando a redução espacial. Variabilidade de chuvas intensas (máximas): Conclusões: - Precipitação e a sua duração; - A relação entre os tipos e épocas das precipitações e as inundações das bacias; - Variação aleatória ao longo dos anos, sua distribuição temporal e espacial; - Uso de estatística para a sua estimativa; - Previsão de precipitação (QPF) é uma técnica em desenvolvimento e importante para o gerenciamento de eventos críticos; - Quem sabe poderemos recuperar o conhecimento do passado com modelos climáticos? Próximo assunto: Interceptação 32