VALIDAÇÃO DO PRODUTO CMORPH DE ESTIMATIVA DE CHUVA POR SATÉLITE PARA A BACIA DO RIO IVAÍ

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1 VALIDAÇÃO DO PRODUTO CMORPH DE ESTIMATIVA DE CHUVA POR SATÉLITE PARA A BACIA DO RIO IVAÍ Anderson N. Araújo 1 e Alexandre K. Guetter 2 RESUMO Esse estudo avalia o produto CMORPH de estimativa de chuva por satélite para aplicações hidrológicas em grandes bacias do sistema hidrelétrico Brasileiro. A avaliação foi fundamentada na intercomparação da fase e intensidade dos eventos chuvosos estimados por satélite e estimados por uma rede de pluviômetros. A análise das estimativas de chuva com o produto CMORPH foi desenvolvida para a bacia do rio Ivaí, localizada no Estado do Paraná, com área de drenagem de km², e que contribui para o reservatório de Itaipu. A chuva estimada pelo CMORPH é derivada do processamento dos dados de micro-ondas de um conjunto de satélites de órbita baixa das séries DMSP, NOAA e TRMM. Os dados de superfície resultaram de uma rede com 16 pluviômetros convencionais. A avaliação comparou os campos de chuva média por bacia para quatro sub-bacias com áreas variando entre e km². Os resultados demonstraram acurácia na detecção de ocorrência de chuva pelo satélite, e um viés em que a chuva de satélite superestima a chuva inferida pela rede pluviométrica. ABSTRACT This study evaluates the accuracy of satellite rainfall estimation with respect to raingauge records averaged over mesoscale basins. The main objective of this evaluation is to check whether satellite rainfall estimates with CMORPH can be used as input data for hydrologic forecasting in either sparsely gauged or ungauged basins. The selected study basin is the Ivaí River, in Southern Brazil, with km² drainage area. The CMORPH rainfall estimates stem from microwave sensors placed on low orbit satellites of the DMSP, NOAA and TRMM series. The rainfall surface data were measured with a 16-raingauge network. This validation study was carried out for mean areal precipitation estimated for four sub-basins with drainage area spanning the scales from to km². The conclusion is that the CMORPH's rainfall product matches the phase of rainfall events in Southern Brazil, but overestimates rainfall intensities. Palavras-Chave CMORPH, estimativa de chuva por satélite, Rio Ivaí 1 UFPR Programa de Pós-graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Ambiental CEP Curitiba- PR, BRASIL. Tel: (41) ander.araujo@yahoo.com 2 UFPR Centro Politécnico da UFPR Av. Cel. Francisco H. dos Santos, 210 Jd. das Américas CEP Curitiba-PR, BRASIL. Tel: (41) guetter.dhs@ufpr.br

2 INTRODUÇÃO Os produtos de estimativa de chuva por satélite estão inseridos no meio científico desde a década de Tendo iniciado com produtos derivados de sensores infravermelhos (ver Adler e Negri, 1988, e Vicente et al., 1998), avançou com produtos derivados de sensores de micro-ondas (ver Joyce et al., 2004). Embora os produtos de chuva por satélite sejam usados intensivamente pelos meteorologistas, esses produtos ainda são pouco usados para a previsão hidrológica, que é um produto operacional dos agentes do sistema hidrelétrico Brasileiro e do Operador Nacional do Sistema Elétrico. O fato de não se usar os produtos de estimativa de chuva por satélite para a previsão hidrológica pode ser atribuído à escassez de experimentos de validação desses produtos. Algumas avaliações das estimativas de chuva por satélite na modelagem hidrológica para o Rio Iguaçu foram descritas em Araújo e Guetter (2006). Diversas regiões do Brasil são cobertas por redes de pluviômetros muito esparsas, ou até mesmo desprovidas de qualquer monitoramento, dificultando o desenvolvimento de sistemas de previsão hidrológica e o alerta de cheias. Por isso, as novas tecnologias de sensoriamento remoto constituem alternativas para o suprimento de dados pluviométricos em tempo real. O uso hidrológico de estimativas de chuva por satélite requer estudos de validação que comparem esses dados com as medições dos pluviômetros em regiões que já sejam bem compreendidas hidrologicamente. Avaliando-se as incertezas dos dados de satélite em bacias monitoradas, então se ganhará maior segurança no uso desses dados em bacias desprovidas de redes telemétricas. BACIA E DADOS A bacia selecionada abrange todo o curso principal do rio Ivaí, localizado no Estado do Paraná e integrante da bacia do rio Paraná, cuja localização está ilustrada na Figura 1. Figura 1 Localização da bacia do Rio Ivaí e sua subdivisão em cinco sub-bacias

3 Portanto, as conclusões do estudo de validação da chuva estimada por satélite para bacia do Rio Ivaí, que contribui diretamente para o reservatório de Itaipu, também podem ser estendidas para outros aproveitamentos hidrelétricos nas regiões Sul e Sudeste. A bacia do Ivaí e suas características hidrometeorológicas foram descritas por Krauskopf e Guetter (2006). Nesse artigo apenas ilustramos a localização da bacia do Rio Ivaí, e a sua subdivisão em cinco sub-bacias listadas na Tabela 1. Tabela 1 - Características das sub-bacias do Rio Ivaí Rio Trecho Área Incremental (km 2 ) Área Total (km 2 ) Ivaí Cabeceiras- Tereza Cristina Ivaí Tereza Cristina-Ubá do Sul Mourão Cabeceiras-Quinta do Sol Ivaí Ubá do Sul-Paraíso do Norte Ivaí Paraíso do Norte-Novo Porto Taquara DADOS DE CHUVA Os dezesseis postos pluviométricos selecionados neste estudo integram as redes da SUDERHSA e da Itaipu, fornecendo os dados para os produtos de hidrologia operacional da Itaipu Binacional sobre o Rio Ivaí. A densidade média da rede selecionada pela Itaipu Binacional é de km 2 /posto. Todavia, a distribuição espacial não é uniforme, sendo que não há nenhum posto na sub-bacia de cabeceira e alguns postos estão fora da bacia e distantes do divisor de águas. O produto de estimativa de chuva por satélite usado nesse trabalho é o CMORPH (Climate Prediction Center Morphing). O detalhamento dos satélites, sensores e algoritmos foi apresentado por Joyce et al. (2004). O CMORPH não é um algoritmo de estimativa de chuva, mas uma combinação de algoritmos já existentes. Ela utiliza basicamente estimativas de precipitação derivadas de sensores de micro-ondas a partir de um conjunto de satélites de órbita baixa: DMSP 13, 14 e 15 (sensor SSM/I), NOAA 15, 16 e 17 (sensor AMSU-B) e TRMM (sensor TMI). Informações de sensores infravermelhos são utilizadas durante períodos onde os dados de microondas não estão disponíveis para um determinado local. A resolução espacial do produto CMORPH é de 0,25º lat/lon (aproximadamente 25 km). A resolução temporal é de 30 minutos, 3 horas e diário, desde novembro de 2002 até a presente data. Neste trabalho de validação foi utilizada a resolução diária. MÉTODOS A descrição detalhada da metodologia de validação da estimativa de chuva por satélite para aplicações hidrológicas foi apresentada por Araújo e Guetter (2006). Além das estatísticas das séries simultâneas da chuva derivada da rede pluviométrica e da estimada por satélite (correlação, resíduo

4 médio, desvio-padrão dos resíduos), também foram calculadas estatísticas mais específicas para estudos de validação. Essas estatísticas são divididas em dois grupos: (a) Estatísticas de ocorrência de chuva e (b) Estatísticas quantitativas de chuva. Para avaliar a habilidade da ocorrência da chuva, são utilizadas as estatísticas: (1) Bias; (2) Probabilidade de detecção (PD), (3) Probabilidade de falso alerta (PFA) e (4) Discriminante de Hanssen & Kuipers (HK). Já para analisar os erros quantitativos de chuva, são utilizadas as estatísticas: (1) Erro médio (EM), (2) Erro médio absoluto (EMA), (3) Erro médio quadrático RMS e (4) Coeficiente de correlação (ρ). As estatísticas de ocorrência foram baseadas na Tabela 2, que apresenta o número de ocorrências da chuva para: acerto de chuva (AC), acerto de estiagem (AE), falha de detecção (FD) e falso alerta (FA). Tabela 2 Tabela do número de ocorrências em uma amostra de 360 dias Bacia Acerto de estiagem -AE Acerto de chuva -AC Falha de detecção- FD Falso Alerta - FA Novo Porto Taquara Porto Paraíso do Norte Ubá do Sul Tereza Cristina ANÁLISE DE VALIDAÇÃO DA CHUVA ESTIMADA POR SATÉLITE A Figura 3 apresenta as seqüências da chuva diária para a sub-bacia de Novo Porto Taquara, próxima da confluência dos rios Ivaí e Paraná, no período de 01/01/2003 a 31/12/2003. Observa-se que a chuva estimada por satélite apresenta picos bem mais elevados que a calculada pelos pluviômetros, porém as duas estimativas de chuva se apresentam em fase em praticamente todo o período. A Figura 4 ilustra o histograma da chuva diária e os totais mensais de chuva para a subbacia de Novo Porto Taquara em Figura 3 Seqüências diárias de chuva média na bacia para Novo Porto Taquara

5 Figura 4 Histograma da chuva diária e total mensal de chuva para Novo Porto Taquara Para eventos de chuva fraca (classe de 1-5 mm/dia) a freqüência da chuva estimada por satélite é significativamente maior do que a obtida com os pluviômetros. Para as chuvas diárias de média intensidade (<30 mm/dia) as freqüências dos registros de satélite e pluviômetros foram semelhantes. Em 2003, para eventos de chuva forte (>30 mm/dia) as freqüências da chuva estimada pelo satélite (26 eventos) é significativamente maior do que as registradas pelos pluviômetros (apenas 6 eventos). As Tabelas 3 e 4 apresentam as estatísticas de validação da chuva estimada por satélite. Tabela 3 Número de dias de chuva e média e desvio-padrão da chuva diária Bacia Número de dias de Média da chuva diária Desvio padrão da chuva chuva (dias) (mm/dia) diária (mm/dia) SAT PLU SAT PLU SAT PLU Novo Porto Taquara ,44 3,58 15,95 7,71 Porto Paraíso do Norte ,09 4,61 14,20 11,17 Ubá do Sul ,04 3,61 14,73 7,49 Tereza Cristina ,49 4,11 13,97 10,37 Tabela 4 Estatísticas de ocorrência e estatísticas quantitativas da chuva diária Bacia Estatística de ocorrência Estatística quantitativa BIAS PD PFA HK EM EMA RMS ρ Novo Porto Taquara 1,221 0,808 0,339 0,640-2,88 5,66 13,87 0,53 Porto Paraíso do 1,436 0,777 0,459 0,544-1,64 5,58 11,70 0,59 Norte Ubá do Sul 1,143 0,777 0,320 0,611-2,46 5,26 12,48 0,56 Tereza Cristina 1,227 0,711 0,420 0,521-1,37 4,93 11,39 0,60 A Tabela 3 apresenta a intercomparação entre os números de dias de chuva, a média e desvio padrão da chuva diária, condicionados à ocorrência da chuva. O satélite registrou chuva em 35% dos dias e o pluviômetro em 29%. Todavia as magnitudes da média e desvio padrão da chuva diária

6 para o satélite sempre foram maiores do que os do pluviômetro. Na Tabela 4, o BIAS>1 indica a que chuva de satélite foi superestimada em relação ao pluviômetro. A probabilidade de detecção da chuva pelo satélite foi 0,80, enquanto que a probabilidade de falso alerta, 0,34<FA<0,46, foi excessivamente elevada. A interpretação dos demais índices foi apresentada em Araújo e Guetter (2006). CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES O principal objetivo deste artigo foi avaliar o potencial para uso das estimativas de chuva por satélite em aplicações hidrológicas para bacias com escalas do setor elétrico. O estudo de validação foi elaborado para a bacia do Rio Ivaí, na zona de transição entre os regimes climáticos das regiões Sul e Sudeste. As análises demonstraram que: (1) a detecção da ocorrência de chuva foi satisfatória, mas (2) os dados de satélite superestimaram a chuva média na bacia quando comparadas aos pluviômetros na escala diária. O valor das correlações obtidas entre a chuva por satélite e pluviômetro, para as várias bacias, foi baixo (ρ~0,55), uma vez que o produto de satélite tende a superestimar a ocorrência de chuvas fortes (>40 mm/dia). Embora, a magnitude da chuva estimada por satélite ainda não seja ideal para o seu uso operacional em aplicações hidrológicas convencionais (previsão e alerta de cheias), se pode usar a chuva estimada por satélite como dado de entrada para aplicativos hidrológicos que levem em conta a estrutura de erros nos dados (ver Guetter et al, 1996 e Krauskopf e Guetter, 2006). REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ADLER, R.F.; NEGRI, A.J. (1988). A satellite infrared technique to estimate tropical convective and stratiform rainfall. Journal of Applied Meteorology 27, pp ARAUJO, A.N.; GUETTER, A.K. (2006). Validação da chuva estimada por satélite CMORPH na modelagem hidrológica do Alto Iguaçu. Revista Brasileira de Recursos Hídricos (submetido). GUETTER, A.K., GEORGAKAKOS, K.P., TSONIS, A.A. (1996). Hydrologic applications of satellite data: 2. Flow simulation and soil water estimates. Journal of Geophysical Research D21(101), pp 26,527-26,538. JOYCE, R.J., JANOWIAK, J.E., ARKIN, P.A., XIE, P. (2004). CMORPH: A Method that Produces Global Precipitation Estimates from Passive Microwave and Infrared Data at High Spatial and Temporal Resolution. Journal of Hydrometeorology, 5, pp KRAUSKOPF NETO, R., GUETTER, A.K. (2006). Modelo Hidrológico com Atualização de Estado - Parte II: Estimador de Estado. Revista Brasileira de Recursos Hídricos (submetido). VICENTE, G.A.; SCOFIELD, R.A.; MENZEL, P.W. (1998). The operational GOES Infrared Rainfall Estimation Technique. Bulletin of the American Meteorological Society 9(79), pp