Análise de clusters da precipitação do Estado do Piauí

Transcrição

1 Análse de clusters da precptação do Estado do Pauí Ana Paula Nunes da Slva 1, Edcarlos Perera de Souza 1, Nlzele de Vlhena Gomes 1, Céla Campos Braga 1, Mara José Herculano Macedo 1 1 Departamento de Cêncas Atmosfércas da Unv. Federal de Campna Grande, Campna Grande PB, Bra. apns@ymal.com, edcarlos_p@hotmal.com, nevoa00@hotmal.com, cela@dca.ufcg.edu.br ABSTRACT: the objectve of ths work was to study and to classfy the ranfall n the Pauí State generatng homogeneous ranfall regons usng K-means clusterng method. Usng ranfall dates of a mnmum perod of 5 years, t was found 5 homogeneous regons. It dstngushed a lttoral regon, wth the bggest ranfall ndces, a regon to the south-southwest, wth precptaton under nfluences of the Amazonan Florest regmen and of Brazlan central plateaus, representng the medum regon of the State wth measured annual ranfall 1016,4 mm, and the regon of lesser ndces s located n the west sector of the State that beyond beng under fort nfluences of the semard northeastern presents an area wth hgh landscape. Palavras-chaves: Bartlett, k-means, Zona de Convergênca Intertropcal 1. INTRODUÇÃO A chuva, como prncpal fonte de água para a agrcultura, é um fator responsável pela qualdade e abundânca da produção, podendo, todava, comprometer o desenvolvmento, a colheta, a ndustralzação, o armazenamento e a dstrbução da produção agrícola, devdo ao seu regme rregular, ora com grandes períodos de escassez, ora com períodos de chuvas ntensas, sendo um fator lmte para a agrcultura. O estudo da precptação também é um fator mportante no gerencamento de recursos hídrcos urbano, um bom montoramento da precptação pluvométrca é uma ferramenta ndspensável no controle de secas e enchentes. As precptações pluvas estão dretamente relaconadas com a convecção local. Esta é caracterzada por movmentos ascendentes de ar úmdo, resultantes da ocorrênca de pressões atmosfércas mas baxas junto à superfíce terrestre, seja em conseqüênca do aquecmento do ar em contato com essa superfíce, seja pela ação fenômenos transentes, de caráter puramente dnâmco, como sstemas frontas, ou frentes fras, e perturbações ondulatóras no campo dos ventos. (MOLION & BERNARDO, 00) A Regão Nordeste do Brasl (NEB), segundo Slva et al. (008), consttu domíno dos clmas quentes de baxas lattudes, tanto do tpo Semárdo, como dos úmdos com dos períodos bem marcados, um seco e outro chuvoso. As prncpas dferenças dos tpos clmátcos do NEB resultam dos totas anuas e das dstrbuções sazonas das precptações. Em termos de característcas da superfíce terrestre, a vegetação predomnante no NEB é a caatnga, mas também são encontrados os seguntes domínos ftoclmátcos: a zona da mata, o agreste, os campos cerrados e a zona amazônca (IBGE, 1993). O Estado do Pauí está localzado no NEB, ocupando uma área de 5.378,49 km sendo o tercero maor estado, em extensão, do NEB. O Estado possu peculardades quanto às característcas geoambentas devdo a sua localzação geográfca se encontrar na área de transção entre a Amazôna braslera, o Semárdo nordestno e o cerrado da regão centro-oeste. Pode-se dstngur no Pauí: no sudeste, depressões nterplanáltcas recobertas por caatngas; ao sul, áreas de cerrado; e, regão norte e noroeste, vegetação típca da floresta tropcal da Amazôna. Segundo Galvínco (008) a regão de proxmdade com a zona de transção Amazôna Caatnga faz com que o clma na parte oeste do estado seja mas úmdo que no resto da zona Semárda braslera. O objetvo deste estudo fo dar contnudade ao trabalho desenvolvdo MACEDO et al. (009) e aperfeçoar os dados para encontrar regões pluvometrcamente homogêneas no que concerne ao regme sazonal no Estado do Pauí fazendo-se uso de técncas objetvas da análse de agrupamento, ajustado pelo método de homogenedade de varânca (Teste de Bartlett).. METODOLOGIA

2 Os dados de chuvas no Estado do Pauí foram provenentes de séres hstórcas de precptação dsponblzados pela Agênca Naconal de Águas no sstema Hdroweb ( Buscou-se um período que apresentasse o menor número de falhas e o maor número de postos homogeneamente espalhado no terrtóro, consttundo assm 170 postos (Fgura 1A) com no mínmo 5 anos de dados observaconas e tendo como ano nferor 1963, ou seja, o menor lmte superor de ano com observação é Incalmente, os dados foram avalados quanto à atualdade, ausênca de falhas e consstênca. Por sua dversdade de clma, a UNEP (1991), classfcou o Estado do Pauí em três áreas dstntas segundo o índce de ardez (IA): áreas de clma sem-árdo, com IA entre 0,0 e 0,65; clma sub-úmdo seco com 0,0 < IA 0,50; e, de (0,50 < IA 0,65), conforme Fgura 1B A Fgura 1. Localzação dos postos pluvométrcos usados no trabalho (A) e tpos de clma no Estado do Pauí de acordo com UNEP (1991) Análse de agrupamento tem como objetvo prncpal classfcar os ndvíduos de uma população, em grupos que sejam homogêneos ntragrupos e heterogêneos ntergrupos. As técncas objetvas de agrupamentos dmnuem a subjetvdade, pos quantfcam a smlardade ou dssmlardade entre ndvíduos. Dentre os város métodos de classfcação de grupos estão aqueles que utlzam as técncas herárqucas, neste método o agrupamento é realzado a partr de um número de grupo não defndo ncalmente, onde os grupos majortáros são dvddos em subgrupos mnortáros agrupando aqueles ndvíduos que apresentam característcas semelhantes. A classfcação da precptação em regões homogêneas fo feta a partr dos fatores comuns resultantes da análse de componentes prncpas aplcada aos dados, que totalzaram 96% da varânca dos dados, sendo 5 componentes seleconadas. Neste trabalho, por conta do elevado número de postos com observações, mpossbltando o uso de métodos herárqucos, fo usado o método não herárquco de K- Means, baseado na dstânca eucldana, tendo como crtéro de agregação das regões homogêneas, o crtéro centróde. O método K-means, possu um algortmo de aprendzagem que organza N objetos em k partções onde cada uma representa um cluster. De acordo com HAIR et al. (005) o método K-means consste em um procedmento onde, dado um número de clusters prevamente determnado, calcula pontos que representam os centros destes clusters e que são espalhados homogeneamente no conjunto de dados e movdos, heurstcamente, até alcançar um equlíbro estátco. Procede-se, em seguda, a uma dvsão de todos os casos obtdos pelos k grupos preestabelecdos e a melhor partção dos n casos será aquela que otmze o crtéro escolhdo. Os centródes ncas são formados através da desgnação de cada caso ao cluster de centro mas próxmo. Com a nclusão de cada caso, a méda altera-se, alterando assm o centróde. Um processo teratvo é usado para achar os centródes fnas de cada cluster. A cada passo, os casos são agrupados ao cluster de centro mas próxmo, e novamente as médas B

3 são recalculadas. Este processo contnua até que não haja mas alterações nas médas ou que um número pré-determnado de terações aconteça, encerrando-se o processo (HAIR et al., 005). O crtéro de agrupamento do K-means pode ser descrto pela Equação 1 (HAIR et al., 005). K ( x, x ) E = d 0k k= 1 X Ck (1) em que x 0 k é o centróde do cluster C k e d( x, x0k ) é a dstanca entre os pontos x e x 0 k. O centróde pode ser a méda ou a medana de um grupo de pontos. Para ajustar a sgnfcânca da homogenedade das varâncas fo aplcado o Teste de Bartlett (BARTLETT, 1937; SNEDECOR & COCHRAN, 1989) nas regões homogêneas (Equação ). p ( N K)ln( S T = ( k 1) k ) = 1 k I = 1 ( n 1) ln( S ) 1 1 n 1 N K em que S é a varânca de cada grupo, N é o total da amostra, n o tamanho da amostra do grupo, K é o número de Grupos e S p é a varânca total dada pela Equação 3. S 1 = (3) Se ( n ) S p N K I 1 T < χα ; k 1 para o nível de sgnfcânca α (5%), recomenda-se acetar a hpótese nula, ou seja, que não há dferenças entre as varâncas. 3. RESULTADOS De acordo com a metodologa adotada o Estado do Pauí fo dvddo em 5 regões homogêneas de precptação como pode ser vsto na Fgura, o agrupamento assemelha-se ao feto por Keller Flho et. al. (005) usando 148 postos com dados de 15 a 0 anos de chuva no Estado do Pauí. Comparando com a Fgura 3, percebe-se que as 5 regões apresentam os maores totas pluvométrcos no níco do ano, revelando a mportânca da Zona de Convergênca Intertropcal (ZCIT) no regme de chuva em todo o Estado, pos este sstema snótco atua nos três prmeros meses, sendo o prncpal responsável pelos índces de precptação. A regão 1 (RH1) abrange 34 postos e stua-se nas regões que apresentam as maores alttudes no Estado, uma faxa de norte a sul na porção leste, com precptação anual méda de 78,4 mm, sendo o pco no mês de março com precptação méda de 168,1 mm e desvo padrão anual de 180,7 mm. Os baxos índces de chuva estão relaconados ao relevo, que dfcultam a ascensão das nuvens de chuva e pela proxmdade com a regão semárda do nordeste que apresenta clma quente e seco. O muncípo que apresentou o menor índce de chuva anual fo Amarante, com méda de 438,7 mm ano -1, e responsável pela presença da RH1 na porção oeste do Estado, em seguda o muncípo de Paulstana com chuva meda de 50,9 mm ano -1. Nesta regão está nserdo o muncípo de São Ramundo Nonato, mportante sto arqueológco do Brasl e, que apresenta chuva méda de 698 mm ano -1. A regão compreende o vale que se encontra no centro do Estado, com precptação anual méda de 88 mm, nesta área stua-se a cdade de Pcos, muncípo que se destaca pela produção de mel, sendo o maor produtor no Nordeste e, que responde pela menor ()

4 precptação, com méda de 540,3 mm ano -1. Devdo a sua proxmdade com o semárdo nordestno e seu posconamento que desfavorece a atuação dos sstemas ondulatóros de leste, sua varabldade sazonal da precptação apresenta índce máxmo de 174 mm no mês de março. Entretanto desde janero os índces já são elevados, mostrando que além da ZCIT outro sstema também auxla nos índces pluvométrcos, como os Vórtces Cclôncos de Altos Níves (VCANS) que atuam nos meses de janero e feverero. O desvo padrão da precptação méda anual é de 17 mm. 300 RH5 RH4 Precptação (mm) RH3 Fgura. Regões homogêneas de precptação pluval no Estado do Pauí RH RH1 RH1 RH RH3 RH4 RH5 Fgura 3. Varabldade sazonal da precptação nas 5 regões homogêneas do Estado do Pauí A porção sudoeste do Estado fo classfcada na RH3, com precptação anual méda de 1016,4 mm e desvo padrão de 135,5 mm, totalzando 4 postos de observação, apresenta pco de 173,8 mm no mês de março, reforçando a mportânca da ZCIT na precptação em todo o Estado, já que esta regão é a que está mas stuada ao Sul. Pela Fgura 3, percebe-se que a partr do mês de novembro as chuvas já fcam mas evdencadas na regão, mostrando que os índces pluvométrcos também são resultantes da atuação de sstemas frontas. Nesta regão encontra-se o muncípo de Glbués, bastante estudado do ponto de vsta hdrológco por apresentar áreas em fase avançada de desertfcação devdo, prncpalmente a atvdades antrópcas (mneração) realzadas sem o correto manejo dos recursos naturas dsponíves. O muncípo de Glbués apresentou precptação meda de 1097, mm ano -1, sendo o mês mas chuvoso o de janero, com chuva méda de 05,6 mm e o mas seco, o de julho com chuva méda de 0,5 mm. A regão 4 é fortemente nfluencada pelo clma amazônco, stuado na porção noroeste do Estado e abrangendo 36 dos 170 postos observados, apresenta precptação anual méda de 1353,4 mm, com desvo padrão de 185,4 mm. O período de maores índces pluvométrcos compreende os meses de dezembro a mao, com maor índce em março (315,8 mm). A máxma precptação anual méda fo de 1773,9 mm ano -1, no muncípo de Porto, próxmo a dvsa com o Estado do Maranhão. A captal do Estado, pertencente a esta RH, apresenta precptação anual méda de 137, mm ano -1. A regão 5, stuada próxma ao ltoral, apresenta precptação anual méda de 157, mm, com meses mas chuvosos de dezembro a mao, apresentando pco em março com precptação méda de 308,5 mm. Esta regão apresentou desvo padrão sazonal de 11 mm e, anual de 14,8 mm. O maor índce médo anual fo observado em Batalha (1865,8 mm), que fca na parte norte da regão, em área adjacente às encostas nesta porção do Estado, mostrando a mportânca da orografa para os valores de chuva na RH5, que é delmtada ao Sul e a Leste

5 por áreas de cotas mas elevadas como pode-se ver na Fgura 1A. Além da ZCIT os sstemas de brsas marítmas também são responsáves pela precptação nesta regão devdo à sua proxmdade com o oceano (SILVA e PORTELA, 006). Os resultados obtdos corroboram com os encontrados por Marcedo et al CONCLUSÕES A aplcação do método de agrupamento K-means aos valores médos mensas da precptação no estado Pauí, evdencou a exstênca de 5 regões homogêneas. De forma geral todas as regões homogêneas mostram uma sazonaldade no seu cclo anual de precptação estando esta ntmamente lgada ao deslocamento norte-sul da ZCIT. Os maores acumulados médos mensas estão localzados nas regões RH4 e RH5 devdo sua proxmdade ao ltoral (atuação dos sstemas precptantes resultantes dos efetos de brsa marítma) e a nfluenca da ZCIT no período chuvoso da regão. A regão RH1 está stuada nas localdades de maores alttudes do Estado e caracterza-se por ser a regão de menores acumulados mensas de precptação devdo aos efetos da crculação local. A RH3 está localzada na porção sul do Estado e o cclo anual de chuvas são partcularmente assocadas com a ncursão de sstemas frontas, o que leva essa regão a ter índces pluvométrcos nos meses de outubro e novembro maores que as demas regões. Dessa forma nota-se que além dos sstemas de mesoescala e de grande escala atuantes na regão, suas característcas fsográfcas também é relevante na dstrbução de precptação no Estado do Pauí, corroborando com os estudos prelmnares de Marcedo et al. (009). 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BARTLETT, M. S. Propertes of suffcency and statstcal tests. Proceedngs of the Royal Statstcal Socety Seres A 160, 68-8, GALVÍNCIO, J. D.; OLIVEIRA, T. H.; HEWERTON A. S.; ARAÚJO, M. S. B. Análse Espacal da precptação e estudo da vabldade da captação de água de chuva e Armazenamento em csternas, no estado do Pauí. Revsta Braslera de Geografa Físca, v. 1, p , 008. HAIR, J. F. Jr.; ANDERSON, R. E.; TATHAM, R. L.; BLACK, W. C. Análse Multvarada de Dados. 5 ed. Porto Alegre: Bookman, 005. Insttuto Braslero de Geografa e Estatístca (IBGE). Recursos Naturas e Meo Ambente: uma vsão do Brasl. Suel Srena Claderon coordenadora. Ro de Janero: IBGE, Departamento de Recursos naturas e Estudos Ambentas, 1993, 154p. KELLER FILHO, T.; ASSAD, E. D.; LIMA, P. R. S. R Regões pluvometrcamente homogêneas no Brasl. Pesqusa Agropecuára Braslera, Brasíla, v. 40, n. 4, p MACEDO, M. J. H.; BRAGA, C. C.; DANTAS, F. R. C.; SILVA, E. D. V. Varabldade regonal da pluvometra no estado do Pauí. In: Anas... III Smpóso Internaconal de Clmatologa, 009, Canela (RS). MOLION, L. C. B.; BERNARDO, S. O. Uma revsão da dnâmca das chuvas no nordeste braslero. Revsta Braslera de Meteorologa, v. 17, n. 1, p. 1-10, 00. SNEDECOR, G.W. & COCHRAN, W. G. Statstcal methods. Eghth Edton, Iowa State, Unversty Press, SILVA, A. M.; COSTA; D. L. C. R.; LINS, C. J. C. Precptações no Nordeste Braslero: tendêncas de varação e possíves mplcações na agrcultura. V Semana do Meo Ambente. Recfe (PE), 008. SILVA, L. M.; Portela, B. T. T. Um estudo da precptação, temperatura e umdade relatva do ar na costa norte-nordeste do Brasl. In: Anas... A Meteorologa a Servço da Socedade, XIV Congresso Braslero da Meteorologa, Floranópols-SC, 006.