IDENTIFICAÇÃO DE TENDÊNCIAS E VARIAÇÕES HIDRO- CLIMÁTICAS EM SÉRIES ANUAIS AO LONGO DO RIO AMAZONAS E SEUS AFLUENTES

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1 IDENTIFICAÇÃO DE TENDÊNCIAS E VARIAÇÕES HIDRO- CLIMÁTICAS EM SÉRIES ANUAIS AO LONGO DO RIO AMAZONAS E SEUS AFLUENTES Victor Zeni Beretta Faculdade de Engenharia Ambiental CEATEC/PUC-Campinas victor.zb@puc-campinas.edu.br Júlio César Penereiro Grupo de Modelagem Matemática CEATEC/PUC-Campinas jcp@puc-campinas.edu.br Resumo: Este trabalho busca identificar a ocorrência de tendências em séries temporais relativas aos índices anuais das precipitações pluviométricas e das temperaturas mínima, média e máxima, além da vazão em rios, registradas em localidades pertencentes à região Norte do Brasil. Foram utilizadas as medições realizadas pelo Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) e pela Agência Nacional de Águas (ANA). Visando identificar a presença de tendência, para cada série foram aplicadas análises de regressão linear e os testes não paramétricos de Mann- Kendall e Pettitt. Os resultados confirmam que a maioria das localidades avaliadas (69,4%) não registraram tendências na precipitação, enquanto que para as temperaturas, a maioria acusou tendência positiva para a temperatura média (63,9%), seguido da máxima (58,3%) e da mínima (52,8%). Não houve registro de diminuição das temperaturas média e máxima em qualquer das localidades estudadas, enquanto que em apenas uma cidade (São Gabriel da Cachoeira) identificou-se a diminuição da temperatura mínima a partir de O índice de vazão registrou tendência em apenas quatro localidades, correspondendo a 11,5% do total analisado. Palavras-chave: região Amazônica, mudanças hidro-climáticas, testes estatísticos. Área do Conhecimento: Ciências Exatas e da Terra Estatística e Climatologia. 1. INTRODUÇÃO Um dos temas que vem ocupando o meio científicoacadêmico nos últimos anos está relacionado à identificação de evidências observacionais para variações e mudanças do clima. Apesar de ainda existirem muitas controvérsias a respeito da influência humana sobre o clima terrestre, variações dos parâmetros climáticos desde meados da década de 1970 têm sido identificados, sendo possível afirmar que uma parte da variabilidade do clima seja uma consequência do atual aquecimento global observado. Neste sentido, as evidências de mudanças nos regimes de temperaturas e precipitações são frequentemente apontadas com causa da interferência do homem no ambiente, especialmente devido aos desmatamentos, as queimadas e pela crescente urbanização sem planejamento adequado do uso do solo [1, 2]. Não obstante a essas interferências, sabe-se que o ciclo hidrológico de uma bacia hidrográfica é um processo complexo que também é influenciado pelas suas características físicas, pelo clima local, assim como pelas atividades humanas [2]. Considerando o acelerado desenvolvimento urbano e agroindustrial ocorrido nas últimas décadas, em particular na região norte do Brasil, esse fenômeno socioeconômico tem provocado a degradação dos recursos hídricos daquela região, inclusive no que tange aos aspectos quantitativos e qualitativos. Esse problema vem ocorrendo devido, principalmente, ao uso da água e do solo sem um gerenciamento adequado e a quase ausência de tratamento do esgoto urbano e industrial [3]. Além destes fatores, as queimadas em conjunto com a poluição e, consequentemente, a destruição da mata ciliar, em médio e longo prazo, podem degradar e diminuir a capacidade de armazenamento de água da sub-bacia que lhe pertence, alterando o regime de vazão dos rios ali existentes [4]. Constata-se, portanto, que as matas ciliares participam de processos vitais para a manutenção dos recursos hídricos, como o escoamento em decorrência das chuvas nas bacias hidrográficas. Com a finalidade de aprofundar os comentários acima citados, a presente pesquisa visa realizar uma extensa análise exploratória das séries temporais dos índices anuais de temperaturas (mínima, média e máxima) e precipitação pluviométrica utilizando os

2 dados climatológicos acumulados ao longo de vários anos pelas estações medidoras do INMET (Instituto Nacional de Meteorologia) distribuídas em território brasileiro. A pesquisa visa identificar tendências, bem como a análise de variabilidade ao longo de cada série considerada. Para tanto, empregou-se métodos estatísticos como da regressão linear, a versão sequencial do teste de tendência de Mann- Kendall [5] e o teste de ruptura de Pettitt [6]. No presente trabalho apresenta-se parte do levantamento realizado com os dados medidos pelas estações meteorológicas localizadas em Norte do Brasil. Os resultados inferidos ao aplicar os referidos testes foram analisados na perspectiva de realizar um estudo exploratório visando averiguar se as tendências detectadas estão relacionadas à influência antropogênica. 2. OBJETIVOS Com o auxílio de programas computacionais específicos desenvolvidos em planilhas do Microsoft Excel, pretendeu-se analisar os índices de precipitação, vazão e as medidas de temperaturas mínima média e máxima, existentes na Internet, disponibilizados nas bases de dados do INMET e da ANA. Verificar as eventuais variabilidades nesses parâmetros hidroclimáticos, além de detectar tendências significativas. Relacionar e identificar se ocorreram mudanças no meio ambiente regional e verificar as possíveis causas que levaram a essas alterações. 3. METODOLOGIA DESENVOLVIDA Inicialmente, realizou-se uma revisão bibliográfica sobre o assunto de interesse, sendo os esforços direcionados aos estudos relacionados às características geográficas, ambientais e climáticas da região norte brasileira e, concomitantemente, as abordagens relacionadas aos tratamentos de dados envolvendo métodos estatísticos para detecção de tendência em série temporal. A partir do banco de dados climáticos do Instituto Nacional de Meteorologia [7], para temperaturas e precipitação pluviométrica, além dos disponíveis pela Agência Nacional de Águas [8], para os dados de vazões em rios, foi possível obter as informações necessárias e desejadas para um amplo estudo estatístico envolvendo várias localidades espalhadas ao longo do rio Amazonas e seus afluentes. No presente trabalho, foram selecionadas 17 cidades próximas ao percurso do rio Amazonas e seus afluentes que possuem estações meteorológicas do INMET. No que concerne às medidas de vazão, como dito anteriormente, foi utilizado o banco de dados da ANA, onde se selecionou 29 localidades com estações próximas ao rio Amazonas e seus afluentes. Na Figura 1 estão contidos os posicionamentos das localidades citadas anteriormente, os círculos indicam as posições das estações do INMET, enquanto que as cruzes mostram os locais aproximados das estações da ANA ao longo do rio Amazonas e alguns de seus afluentes. Figura 1. Mapa da Região Norte do Brasil, mostrando as localizações das estações referentes aos dados do INMET, em círculos, e da ANA, em cruzes. Após o levantamento e organização dos dados, foram usados os modelos matemáticos e estatísticos empregando os programas computacionais utilizando o software Microsoft Excel [9]. A partir desses procedimentos, foi possível inferir se ocorrem, e quando, tendência numa série temporal de dados medidos pelas estações do INMET e da ANA. O trabalho empregou três métodos para detecção de tendências nas séries hidro-climáticas de interesse, a saber: o teste da Análise de Regressão e os testes de Mann-Kendall (MK) e de Pettitt (Pet). A seguir são discutidos resumidamente esses modelos estatísticos. Utilizou-se a Análise de Regressão para verificar o comportamento da variabilidade de uma determinada série temporal por meio da significância do coeficiente angular de uma reta ajustada as medições. Para tanto, realizou-se o cálculo das médias móveis, empregando ordem cinco aos dados e, em seguida, trabalhou-se com uma suavização dos dados visando evitar ou minimizar possíveis flutuações dos mesmos. Posteriormente, tanto para os pontos médios como para os suavizados, aplicou-se o ajuste da equação da reta de tendência e analisou-se o intervalo de confiança em 95% acima e abaixo do valor estimado do coeficiente angular, sendo que, se este

3 intervalo não incluir o valor zero, presume-se que a tendência seja significativa. O teste de MK considera que, na hipótese de estabilidade de uma série temporal, a sucessão de valores ocorre de forma independente e a distribuição de probabilidade deve permanecer sempre a mesma (série aleatória simples). Um valor positivo do coefi- de MK indica uma tendên- ciente U ( ) e U * ( ) cia de aumento da variável, enquanto que um valor negativo indica uma tendência de decréscimo, desde que significativos ao nível de 5% e 10%. No que tange ao teste de Pettitt, este verifica se duas amostras pertencem à mesma população. Para tanto, calcula-se a estatística K ( t) por meio de uma contagem do número de vezes que um membro da primeira amostra é maior que um membro da segunda amostra. O procedimento localiza o ponto em que houve uma mudança brusca da série temporal, sendo sua significância avaliada em 5% e 10% do valor crítico ( K crit. ), máximo ou mínimo, de K ( t). Maiores detalhes desses testes podem ser obtidos em [10]. No entender desses autores, os dois últimos testes descritos acima são os melhores procedimentos de análises em séries temporais. Isso ocorre porque eles possuem um maior embasamento estatístico para modelos teóricos de descrição climática e hidrológica, sendo importante utilizá-los de forma combinada, isto é, realizando análises gráficas e numéricas em conjunto para que se possa identificar e localizar quando passou a existir uma tendência na série. 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO Foram realizados os cálculos dos ajustes da linha de tendência e análise de regressão utilizando as médias móveis e suavizações de todas as séries temporais informadas nas localidades mostradas na Figura 1. Posteriormente a esses cálculos, com o intuito constituir uma ferramenta adicional de interpretação estatística, foram gerados os gráficos dos comportamentos das séries visando identificar as características e peculiaridades de cada uma, tais como a eventual existência de heterogeneidades e mudanças abruptas. Por ser um teste com elevado embasamento estatístico, optou-se neste trabalho por dar maior evidência aos resultados das aplicações dos testes de MK e Pet. A título de exemplificação, algumas formas gráficas são mostradas nas Figuras 2 e 3 e analisadas em seqüência. Nessas figuras as linhas horizontais tracejadas e pontilhadas referem-se os intervalos (para o teste de Mann-Kendall, abaixo da figura e em preto) e os níveis (para o teste de Pettitt, acima da figura e em vermelho) de confiança de ±5% a ±10%, respectivamente. Estabeleceu-se um critério de uniformidade que expressasse os resultados dos dois testes, utilizou-se a seguinte convenção: o sinal ( )( ) para uma tendência negativa confirmada entre 5% e 10% dos intervalos de confianças bilaterais e o sinal ( ) se for acima de 10% do intervalo de confiança. De maneira análoga, usou-se os sinais (+)(+) e (+) para tendência positiva confirmada, respectivamente. Caso não houvesse condições de confirmar tendência um sinal (?) foi adotado. A Figura 2 mostra os gráficos com os comportamentos medidos pelos testes não paramétricos para os dados de T-Méd na cidade de Fonte Boa e para a T- Máx. na cidade de Óbidos. A Figura 2(a) mostra que para Fonte Boa as medidas da temperatura média indicaram haver tendência positiva (+) iniciando em 2001, pois há um cruza- no teste de MK mento das curvas U ( ) e U * ( ) entre os intervalos de confiança, enquanto que no teste de Pet a curva K ( t) cruzou os níveis de significância de ±5% e ±10% naquela data. Para a cidade de Óbidos, mostrada na Figura 2(b), a curva estatística do teste de Pettitão cruzou nenhum dos níveis de significância, descartando-se assim a tendência nesta variável climática. Figura 2. Testes de Mann-Kendall (inferior e na cor preto) e de Pettitt (superior e na cor vermelha) aplicados aos dados de: (a) T-Máx. em Óbidos (PA) e (b) T-Méd. em Fonte Boa (AM). A Figura 3(a) revela que a cidade de Barcelos acusou tendência positiva de nível (+)(+) no índice de chuva a partir de 1996, pois as curvas estatísticas do teste de MK cruzaram o intervalo de significância de ±5% a ±10%, o mesmo ocorrendo para a curva da estatística do teste de Pet que cruzou os níveis de significância de ±5% a ±10%. No caso da vazão medida em Barcelos, mostrado na Figura 3(b), a situação se repete, isto é, a partir de

4 1998, apresentou tendência positiva com nível de significância de 5% a 10%. Figura 3. O mesmo que na figura anterior, porém para os dados de: (a) Prec. e (b) Vaz. na cidade de Barcelos (AM). Como comentado anteriormente, os procedimentos ilustrados nas Figuras 2 e 3 foram aplicados a todos as séries temporais que, posteriormente, foram organizadas para elaboração desse trabalho. A partir desta etapa decidiu-se elaborar mapas das distribuições das tendências dessa região hidrográfica, como os apresentados nas Figuras 4 a 8. Cada mapa corresponde a uma determinada grandeza trabalhada no levantamento. Por meio de análises nesses mapas foi possível identificar os locais onde se detectaram tendências crescentes e decrescentes nos níveis de significâncias avaliados (5% e 10%), segundo a legenda apresentada ao lado direito de cada figura. A distribuição das tendências relacionadas à vazão média (Vaz.) está mostrada na Figura 4. Pode-se constatar que em quatro localidades apresentaram tendência para o nível de significância de ±5%. Estas localidades foram: Caracaraí (RR), Humaitá (AM), Manacapuru (AM) e Manicoré (AM). Analisando todas as tendências registradas, observou-se que a maioria das localidades não apresentou tendências nos índices de vazões dos rios abordados, entretanto há de se destacar esse fato corresponde há 88,50% das localidades presentes na a- mostra estudada, o que concluísse que essa variável hidrológica é pouco sensível aos testes estatísticos não paramétricos aqui aplicados. Constatou-se que a maior parte dos índices de Prec. medida nas 17 localidades que compõem a amostra em estudo não acusou tendências. Isso pode ser comprovado ao analisar o mapa da distribuição dessas localidades para essa variável climática que está mostrado na Figura 5. Neste caso, as cidades que tiveram tendência confirmada foram: Fonte Boa (AM), Parintins (AM), Monte Alegre (PA), Altamira (AM), Barcelos (AM) e Lábrea (AM). Dessas, as quatro primeiras apresentaram tendências positivas a partir dos anos de 1996, 1987, 1998 e 1983, respectivamente. Em contrapartida, as cidades de Barcelos (AM) e Lábrea (AM) apresentaram tendência negativa na precipitação a partir de 1976 e 2001, respectivamente. Figura 5. Similar à figura anterior, mas para os resultados da precipitação Pluviométrica (Prec.) cada localidade tratada. Figura 4. Mapa da Região Norte do Brasil, contendo uma síntese das análises estatísticas empregando os testes de Mann-Kendall e Pettitt para a vazão média (Vaz.) de cada localidade tratada. Constata-se no mapa das localidades estudadas, representado na Figura 6, que a maior parte das cidades apresentou tendências positivas significativas na T-Mín. Sendo que, em sete cidades registraram tendência positiva (+)(+). Na cidade de Fonte Boa (AM) a tendência foi positiva (+), enquanto que em São Gabriel da Cachoeira (AM) identificou-se uma tendência negativa (-)(-). No restante das localidades da amostra não se constatou nenhuma tendência significativa. Observando o mapa da Figura 7 que mostra a distribuição das localidades com as medidas de T-Méd.,

5 pode-se constatar que a maior parte da amostra estudada apresentou tendência positiva, sendo que em duas localidades, Fonte Boa (AM), a partir de 2001, e Manicoré (AM), a partir de 2002, apresentaram uma significância menor. Não obstante, em sete cidades da amostra não se comprovou a ocorrência de tendência. Estas localidades são: Benjamin Constant (AM), Rio Branco (AC), São Gabriel da Cachoeira (AM), Itaituba (PA), Altamira (PA), Porto de Moz (PA) e Macapá (AP). Possivelmente, os comportamentos das tendências detectadas nas temperaturas mostradas nas Figuras 6, 7 e 8 parecem estar relacionados com as características geográficas da região norte do Brasil. No entanto, por intermédio de levantamentos realizados relativos às ocorrências dos fenômenos El Niño e La Niña, por meio do boletim informativo do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais INPE [11] e dos trabalhos elaborados por [12], realizou-se algumas observações referentes a esses eventos climáticos, considerando a influência ou não deles nas tendências aqui estudadas. Figura 6. Analogamente à figura anterior, mas para os resultados estatísticos envolvendo a temperatura minima (T-Mín.). Figura 7. Idem ao apresentado na figura anterior, mas para a temperatura média (T-Méd.). No mapa da distribuição das cidades analisadas para a T-Máx., mostrado na Figura 8, pode-se observar que a maioria das localidades apresentaram tendências positivas (+)(+). No entanto, a cidade de Manicoré (AM) indicou uma tendência positiva, porém com uma significância menor (+). O mapa revela que em sete cidades da amostra não foi possível acusar tendência na temperatura máxima quando se aplicaram os testes de Mann-Kendall e de Pettitt. Figura 8. Distribuição dos resultados para a temperatura máxima (T-Máx.) na região norte do Brasil. Os anos que ocorreram os eventos climáticos El Niño e La Niña são pertencentes ao período do mês de julho, correspondendo ao início do fenômeno, até o mês de junho do ano subseqüente. A literatura indica os seguintes períodos de influencia desses fenômenos [12]: El Niño: , , , , , , , La Niña: , , , Como as tendências para algumas localidades aqui analisadas ocorreram no mesmo período do fenômeno ENOS, observa-se que parte das tendências podem ter sido influenciadas por esses fenômenos. Desta forma, constatou-se que em 27 tendências inferidas para as medidas de precipitação e de temperaturas coincidiram com esses períodos. No entanto, para a variável hidrológica de vazão, foi verificado que em apenas três localidades apresentaram tendência no mesmo ano dos fenômenos e, consequentemente, pode ter influenciado os testes estatísticos realizados nessas localidades. Porém, não são somente estes fenômenos que podem ter influenciado as tendências aqui inferidas. Os

6 desmatamentos podem estar relacionados com as tendências positivas, em particular para as variáveis climáticas aqui abordadas, sendo que nos anos de 1995, 2004, 2003, 2002, 1998, 2001 e 2000, respectivamente, foram os anos de maior índice de desmatamentos na região Norte do Brasil. 5. CONCLUSÕES O presente trabalho representa uma ampla gama de dados envolvendo as medições registradas pelos equipamentos da rede de estações medidoras do INMET e da ANA espalhadas pela região Norte do Brasil. As análises realizadas por meio dos testes estatísticos nas séries de cada parâmetro meteorológico e hidrológico indicaram que: - Para a T-Mín., 47% das séries tratadas acusaram tendência positiva e somente uma localidade registrou tendência negativa, o que equivale a 6% da amostra. O restando, isto é, 47% das localidades não apresentaram tendência. - Para as T-Méd. e T-Máx., os testes indicaram que a maioria das séries apresentou tendência positiva, correspondendo a 59% da amostra. Em sete locais não foram confirmadas tendência, ou seja, 41% das estações abordadas. - Para a Prec., tendência positiva foi inferida em 23,5% dos locais, enquanto que tendência negativa foi acusada em 12% da amostra. O restante, isto é, em 11 locais não indicaram tendência, ou seja, 64,5% dos locais estudados. - Para as Vaz., medidas no rio Amazonas e seus afluentes, apenas três, das 26 localidades estudadas, apresentaram tendência, o que correspondendo a 11,5% da amostra avaliada. O restante das localidades, isto é, para as 23 estações da ANA, não apresentaram nenhuma tendência, o que significa 88,5% da amostra selecionada. O trabalho sugere a possibilidade de que a inferência de uma determinada tendência numa variável hidro-climática esteja relacionada à ação antropogênica e, portanto, têm um caráter regional. Talvez isso se deva ao mau uso da terra e dos rios, tais como desmatamentos, queimadas, assoreamento, uso excessivo da água e o lançamento de esgotos. Sendo assim, ainda não se pode ter um quadro claro sobre os possíveis impactos da mudança climática e da ação antropogênica quando se olha a distribuição espacial das tendências inferidas no presente trabalho. Portanto, faz-se necessário uma melhor avaliação dos dados aqui mostrados. Estudos deste tipo poderão contribuir para a mitigação das mudanças que estão ocorrendo nos ecossistemas e na biodiversidade da região amazônica. AGRADECIMENTOS Agradecemos à PROPESQ (Pró-Reitoria de Pesquisas) e a Reitoria da PUC-Campinas que, através do programa FAPIC, concederam a bolsa de I.C. REFERÊNCIAS [1] Serra Filho, R., et.al. (1975). Levantamento da cobertura vegetal natural e do reflorestamento no Estado de São Paulo. Boletim Técnico do Instituto Florestal. v.11, p [2] Karl, T. R.; Diaz, H. F.; Kukla, G. (1988). Urbanization: its detection and effect in the United States climate record. Journal of Climate. v.1, p [3] Groppo, J. D., et.al. (2001). Análise de séries temporais de vazão e precipitação na bacia do rio Piracicaba. Revista Ciência & Tecnologia. v.8, p [4] ANA. Agência Nacional de Águas. (2012). Conjuntura dos Recursos Hídricos no Brasil Informe Disponível em: < Acessado em: 01/09/2013. [5] Sneyers, R., et al. (1990). Climatic changes in Belgium as appearing from the homogenized series of observations made in Brussels Uccle ( ) In: SCHIETECAT, G. D. (Ed.). Contributions à l etude des changements de climat. Bruxelles: Institut Royal Meteorologique de Belgique, Publications Serie. v.124, p [6] Pettitt, A. N. (1979). A non-parametric approach to the change-point problem. Applied Statistics. v.28, p [7] INMET. (2014). Instituto Nacional de Meteorologia. BDMEP. Disponível em: < Acessado em: 07/05/2014. [8] ANA. (2014). Agência Nacional de Águas. Sistema HidroWeb. Disponível em: < Acessado em: 09/06/2014. [9] Penereiro, J. C.; Ferreira, D. H. L. (2011). Estatística apoiada pela Tecnologia: uma proposta para identificar tendências climáticas. Acta Scientiae. v.13, n o.1, p [10] Sansigolo, C. A.; Kayano, M. T. (2010). Trends of seasonal maximum and minimum temperatures and precipitation in Southern Brazil for the period. Theoretical and Applied Climatology. v.101, p [11] INPE. (2013). Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais. Ocorrência do La Niña e El Niño. Disponível em: < Acessado em: 10/05/2013. [12] Berlato M. A.; Farenzana H.; Fontana D. C. (2005). Associação entre El Niño Oscilação Sul e a produtividade do milho no Estado do Rio Grande do Sul. Pesquisa Agropecuária Brasileira. v.40, n o.5, p