ANÁLISE COMPARATIVA DE DADOS METEOROLÓGICOS OBTIDOS POR ESTAÇÕES CONVENCIONAL E AUTOMÁTICA 1

Transcrição

1 Revista Brasileira de Agrometeorologia, Sata Maria, v. 5,. 2, p , Recebido para publicação em 13/08/97. Aprovado em 10/12/97. ANÁLISE COMPARATIVA DE DADOS METEOROLÓGICOS OBTIDOS POR ESTAÇÕES CONVENCIONAL E AUTOMÁTICA 1 COMPARATIVE ANALYSIS OF METEOROLOGICAL DATA OBTAINED BY CONVENTIONAL AND AUTOMATIC WEATHER STATIONS Paulo Cesar Setelhas 2, Sérgio Oliveira Moraes 3, Soia M. De Stefao Piedade 4,Atoio Roberto Pereira 5, Luiz Roberto Agelocci 5 e Fábio Ricardo Mari 6 RESUMO Comparou-se os dados meteorológicos relativos às variáveis temperatura máxima (Tmax), míima (Tmi) e média (Tmed) do ar, umidade relativa média do ar (URmed), irradiâcia solar global (Qg) e precipitação (Prec), obtidos por meio de uma estação meteorológica covecioal (EMC) e de uma automática (EMA), em Piracicaba (latitude: 22 o S, logitude: 47 o W e altitude: 546 m), Estado de São Paulo, durate o período de 01/06/1996 a 30/06/1997, utilizado-se, para tato, diversos ídices estatísticos: cocordâcia (d); erro máximo (ME); erro absoluto médio (EAM); coeficiete de determiação (CD); eficiêcia (EF) e coeficiete de massa crítica (CRM), além da aálise de regressão. Os resultados idicaram que, apesar de algumas discrepâcias observadas devidas às difereças a precisão dos sesores e freqüêcia de amostragem o cálculo das médias, houve boa cocordâcia etre os elemetos observados pelas duas estações meteorológicas. As maiores difereças, em escala diária, foram observadas a Tmed, URmed, e Qg, com EAM da ordem de 1,2 o C, 3% e 2,2 MJ.m -2.d -1, respectivamete. Em escala mesal e aual, outro elemeto que mostrou difereças sigificativas foi a precipitação, com erro o período de 145 mm. 1 Trabalho apresetado o X Cogresso Brasileiro de Agrometeorologia, 13 a 18 de julho de 1997, Piracicaba, SP. 2 MSc., Professor Assistete, Departameto de Física e Meteorologia, ESALQ/USP, Caixa Postal 9, Piracicaba, pcsetel@carpa.ciagri.usp.br. 3 Dr., Professor Doutor, Departameto de Física e Meteorologia, ESALQ/USP. 4 Dra., Professora Doutora, Departameto de Matemática e Estatística, ESALQ/USP. 5 Dr., Professor Associado, Departameto de Física e Meteorologia, ESALQ/USP. Bolsista do CNPq. 6 Aluo de graduação do curso de Egeharia Agroômica, estagiário do DFM/ESALQ/USP.

2 Palavras-chave: estação meteorológica covecioal, estação meteorológica automática, comparação. SUMMARY Meteorological data obtaied by a covetioal (EMC) ad by a automatic weather statio (EMA) were compaired from 06/01/1996 to 06/30/1997, at Piracicaba (latitude: 22 o S, logitude: 47 o W, ad altitude: 546m), State of São Paulo, Brazil. The meteorological elemets aalysed were: maximum temperature (Tmax); miimum temperature (Tmi); average temperature (Tmed); average relative humidity (URmed); global solar irradiace (Qg), ad raifall (Prec). The followig statistics ideces were used: agreemet (d); maximum error (ME); absolute average error (EAM); determiatio coeficiet (CD); efficiecy (EF); critic mass coeficiet (CRM) ad regressio aalysis. The results showed small discrepacies betwee the elemets measured by the two weather statios. Tmed, URmed, ad Qg were the elemets with the highest differeces i daily level, with EAM of 1.2 o C, 3% ad 2.2 MJ.m -2.d -1, respectivelly. I mothly ad aual level, raifall also showed sigificative discrepace, with 145mm of differece i the period. Key words: covetioal weather statio; automatic weather statio; compariso. INTRODUÇÃO Diate da tedêcia mudial de automatização da aquisição de dados meteorológicos, as estações automáticas, por razões que vão desde a capacidade de amostragem até as facilidades em comuicação, orgaização e armazeameto dos dados, têm tido grade aceitação o moitorameto ambietal, qualquer que seja seu objetivo (TANNER, 1990). Na agricultura, o moitorameto automático dos elemetos meteorológicos tem cotribuído ão somete para o aumeto da produtividade como, também, para a melhoria da qualidade dos produtos e para a preservação dos recursos aturais (TORRE NETO, 1995). Exemplos da aplicação das estações meteorológicas automáticas o moitorameto das atividades agrícolas são apresetados por HUBBARD et al. (1983), HUBBARD & KLOCKE (1986) e FERNANDES et al. (1995), ode predomia o cotrole da irrigação, além do maejo de pragas e progóstico de geadas (CURRY et al., 1981; COCKERHAM & ORTEGA, 1989). No etato, em climatologia agrícola uma questão importate que surge quado da substituição de uma estação meteorológica covecioal (EMC), com uma loga série de dados, por

3 uma automática (EMA) refere-se à homogeização da série histórica com a ova série, ou seja, como trasferir a cofiabilidade da EMC para a EMA, de modo que as séries obtidas pelas duas possam ser cosideradas como uma série úica. Esse aspecto é aida mais importate quado se cosidera os valores médios, em fução da diferete capacidade de amostragem (freqüêcia das medidas) etre a EMC e EMA. Trabalhos recetes, realizados por FISCH & SANTOS (1997) e SENTELHAS et al. (1997), tem demostrado, ao se comparar dados obtidos pelas diferetes estações, boa cocordâcia etre os elemetos aalisados, especialmete temperatura e umidade relativa do ar, apesar dos diferetes tipos de sesores, abrigos e freqüêcia de medidas. Face a estas questões, o objetivo do presete trabalho foi o de comparar os dados meteorológicos obtidos por meio da EMC e da EMA, istaladas em Piracicaba, SP, visado a substituição da EMC. MATERIAL E MÉTODOS Os dados utilizados o estudo foram obtidos o Posto Agrometeorológico, do Departameto de Física e Meteorologia da Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz, da Uiversidade de São Paulo (ESALQ/USP), o muicípio de Piracicaba (latitude: 22 o S, logitude: 47 o W e altitude: 546 m), Estado de São Paulo, durate o período de 01/06/1996 a 30/06/1997, totalizado 395 dias, ode operavam simultâeamete uma estação meteorológica covecioal (EMC) e uma automática (EMA). Os elemetos meteorológicos avaliados foram: temperatura máxima do ar (Tmax, o C); temperatura míima do ar (Tmi, o C); temperatura média do ar (Tmed, o C); umidade relativa média do ar (URmed, %); irradiâcia solar global (Qg, MJ.m -2.d -1 ) e precipitação pluvial (Prec, mm). Os sesores de temperatura e umidade do ar da EMC e da EMA estavam istalados em abrigos termométricos, respectivamete, de veeziaas simples e de multiplaca, a 1,7 m de altura de acordo com as recomedações da WMO (WMO, 1983). Os dados obtidos pela EMA, a cada segudo, eram processados em médias a cada quize miutos, as quais eram gravadas o módulo de aquisição, processameto e armazeameto dos mesmos, da marca Campbell. Os equipametos utilizados as duas estações, elemeto sesor, suas sesibilidades/precisão e o método de cálculo das médias, são apresetados a Tabela 1. A velocidade do veto, por evolver diferetes alturas de amostragem (10 m a EMC e 2 m a EMA), ão será aqui apresetada. Para comparação dos dados utilizaram-se visualização gráfica, aálise de regressão, coeficiete de determiação (R 2 ), e os seguites ídices estatísticos:

4 a) ídice de cocordâcia: 2 2 d = 1 P O / P O + O O (1) i = 1 i= 1 ( i i ) ( i i ) b) erro máximo: ( i i ) ME = max O P i=1 (2) c) erro absoluto médio: EAM 1 = i = 1 ( Oi Pi ) (3) d) raíz quadrada do erro médio quadrático ormalizado: 0, RMSE = ( Oi Pi ) i 100 O = 1 (4) e) coeficiete de determiação: ( i ) ( i ) CD = O O / P O (5) i= 1 i = f) eficiêcia: EF = ( Oi O) ( Oi Pi ) / ( Oi O ) (6) i = i i = 1 i = 1 g) coeficiete de massa residual: CRM = Oi Pi / Oi (7) i = 1 i = 1 i = 1

5 1 sedo O i os dados obtidos para a EMA e P i os da EMC, o úmero de observações e O = O i (ZACHARIAS et al., 1996). As compoetes sistemática (E s ) e aleatória (E a ) do erro total foram obtidas por: E 1 2 s = Pi Oi i= ( $ ) e Ea = ( Pi Pi ) i = 1 $, em que P $ = a + bo (WILLMOTT et al., 1985). Se O i coicide perfeitamete com P i, tem-se: ME = RMSE = CRM = 0 e d = CD = EF = 1. i i i= 1 RESULTADOS E DISCUSSÃO As regressões lieares simples etre os dados coletados pela EMC e EMA apresetaram resultados sigificativos ao ível de 1% de probabilidade para o teste F, em todos os elemetos estudados. As equações de regressão e os respectivos valores de R 2 (Figura 1), mostram a existêcia de alta correlação etre os dados obtidos pela EMC e pela EMA. O teste t para os parâmetros das equações lieares apresetou sigificâcia estatística para a Qg e URmed, ao ível de 1% de probabilidade, para o itercepto a, mostrado que este difere estatisticamete de zero. Para o coeficiete agular, todos os resultados do teste t foram altamete sigificativos, idicado que o mesmo difere de zero. Aalisado-se os ídices estatísticos da Tabela 2, observa-se que para temperatura, Tmax e Tmi (Figura 1a e 1b) apresetaram, dada a pequea amplitude de variação dos dados, os ídices de cocordâcia (d) mais próximos de 1, o mesmo ocorredo com EF. No caso da Tmi, apesar da cocordâcia elevada, observa-se a Figura 1b, valores acetuadamete discrepates, com ME chegado a 6 o C. Isso se deve ao horário de ocorrêcia da Tmi. Caso ela ocorra um pouco ates da meia-oite, a EMA ela será registrada como do dia, porém, a EMC ela somete será lida o dia +1, sedo isso uma importate fote de erro. Apesar da boa relação etre EMA e EMC, com relação à Tmax e Tmi, essa ão é trasferida para a Tmed (Figura 1c), a qual apreseta o segudo pior ajuste, coforme os parâmetros aalisados, devido, basicamete, às amostrages para o cálculo da média, sedo a EAM da ordem de 1,2 o C (Tabela 2). A URmed (Figura 1d) é outra variável que embora teha apresetado resultados itermediários para d, EF e RMSE, mostrou o maior valor de Es em relação ao Ea, o que se deve, possivelmete, às difereças de sesibilidade do sesor e de amostragem para determiação do valor médio (Tabela 1).

6 A Qg (Figura 1e) foi o elemeto aalisado que teve as maiores difereças etre EMC e EMA, apresetado a pior cocordâcia (d), Ea e Es elevados, o maior RMSE, a EF mais baixa e o CRM mais elevado. Essa acetuada discrepâcia etre EMC e EMA a medida de Qg, é devida às difereças de resposta, precisão e sesibilidade dos sesores, à calibração do actiógrafo, e aos problemas relativos à cotação dos diagramas desse equipameto, pricipalmete em períodos com ebulosidade variável. Essa tedêcia de subestimativa da Qg medida pelo actiógrafo é cofirmada pelas medidas comparativas etre um piraômetro Li-cor e um Eppley (Modelo PSP), durate 90 dias (Figura 2), que mostra a elevada relação etre o sesor da EMA e o padrão (a = 0, b = 0,9323 e R 2 = 0,9939), idicado que, em média, o sesor Li-Cor subestima em 7% o valor do Eppley. Com relação à precipitação, verifica-se (Figura 1f e Tabela 2) que existiu boa cocordâcia etre as medidas realizadas a EMC e a EMA, com d igual a 0,9933, o mais elevado para os elemetos aalisados, EF de 0,97 e EAM da ordem de 0,5 mm, sedo que grade parte desse erro provém das medidas de precipitação superiores a 20 mm por dia, o que segudo TANNER (1990) é comum os pluviômetros de báscula. Aalisado-se os valores médios mesais, verifica-se a mesma tedêcia observada para os dados diários. Para a temperatura (Figura 3), a tedêcia é dos dados obtidos pela EMC serem maiores que os obtidos a EMA. Esse variação também foi observada por FISCH & SANTOS (1997). Já para a umidade relativa (Figura 4), ão existiu costâcia as difereças etre a EMA e a EMC, o que difere parcialmete dos resultados de FISCH & SANTOS (1997), que ecotraram uma predomiâcia de difereças positivas etre a EMA e EMC. Com relação à irradiâcia solar global (Figura 5), pricipalmete os meses de maior irradiâcia, ocorreram valores maiores de Qg observados a EMA em relação à EMC, da ordem de +3 MJ.m -2.d -1. Já os meses de ivero essa difereça caiu para +1 MJ.m -2.d -1. Para a precipitação (Figura 6), os valores são bastate próximos, havedo, o etato, uma tedêcia, em escala mesal, de valores maiores a EMC em relação à EMA, pricipalmete para chuvas acima de 100 mm. No período de 13 meses, os valores acumulados pelos dois equipametos, pluviógrafo a EMC e pluviômetro de báscula a EMA, foram 1537,2 e 1392,1 mm, respectivamete, com uma difereça de 145,1 mm, o que é bastate sigificativo, pricipalmete, em climatologia. Os dados obtidos pelo pluviógrafo foram cofirmados por um pluviômetro comum, também istalado a área do posto, que diferiu apeas 8,6 mm, o mesmo período, idicado que a fote do erro está o equipameto da EMA. Essa tedêcia de medidas iferiores a EMA, o caso da precipitação, está relacioada à icapacidade do sesor, em evetos de precipitação itesa, de registrá-la a mesma velocidade com que ela ocorre, assim uma parte da precipitação coletada ão é

7 computada. Esses erros, também relatados por TANNER (1990) e TORRE NETO (1995), aumetam com a itesidade da precipitação, como observa-se as Figuras 1f e 6. Uma das soluções propostas por TANNER (1990), para dimiuição deste tipo de erro, é o aumeto do volume da báscula, o que, o etato, implica em meor resolução da medida.

8

9

10 CONCLUSÕES A aálise dos dados permite cocluir que a substituição das EMC s pelas EMA s ão deve acarretar mudaças bruscas a série de dados, em virtude das pequeas discrepâcias observadas prelimiarmete ao logo desses 13 meses. No etato, deve-se cosiderar essas difereças, pricipalmete, os casos da temperatura média e da irradiâcia solar global, em escala diária, e da precipitação, em escala mesal e aual, os estudos do clima, para que isso ão seja atribuido a uma alteração regioal em futuras aálises. AGRADECIMENTO Os autores agradecem ao Técico Edivaldo Modesto de Abreu, do DFM/ESALQ/USP, pela colaboração prestada a execução deste trabalho. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS COCKERHAM, S.T., ORTEGA, T.R. Remote data acquisitio for agricultural experimet statio maagemet. Applied Agricultural Research, v. 4,. 2, p CURRY, R.B., KLINK, J.C., HOLMAN, J.R., SCIARINI, M.J. Developmet of a automated weather statio etwork i Ohio. St. Joseph: ASAE, 1981 (ASAE Paper, ). FERNANDES, A.L.T., SILVA, F.C., FOLEGATTI, M.V. Uso de estações automáticas para cotrole da irrigação o Estado de São Paulo. I: CONGRESSO BRASILEIRO DE AGROMETEOROLOGIA, 9, 1995, Campia Grade. Aais... Campia Grade: Sociedade Brasileira de Agrometeorologia, p FISCH, G., SANTOS, J.M. Comparação etre observações meteorológicas covecioais e automáticas a região do Vale do Paraíba, SP. I: CONGRESSO BRASILEIRO DE AGROMETEOROLOGIA, 10, 1997, Piracicaba. Aais... Piracicaba: Sociedade Brasileira de Agrometeorologia, p

11 HUBBARD, K.G., ROSENBERG, N.J., NIELSEN, D.C. Automated weather data etwork for agriculture. Joural of Water Resources Plaig ad Maagemet, v. 109,. 3, p HUBBARD, K.G., KLOCKE, N.L. Climate ad Irrigatio i Nebraska. I: CONFERENCE ON CLIMATE AND WATER MANAGEMENT: A CRITICAL ERA AND CONFERENCE ON THE HUMAN CONSEQUENCE OF 1985 S CLIMATE. Asheville, N.C., Bosto: America Meteorological Society. p SENTELHAS, P.C., MORAES, S.O., PIEDADE, S.M.S. et al. Aálise comparativa prelimiar de dados meteorológicos obtidos por estações covecioal e automática. I: CONGRESSO BRASILEIRO DE AGROMETEOROLOGIA, 10, 1997, Piracicaba. Aais... Piracicaba: Sociedade Brasileira de Agrometeorologia, p TANNER, B.D. Automated weather statios.remote Sesig Reviews, v. 5,. 1, p TORRE NETO, A. Estudo e implemetação de um sistema de moitorameto remoto de variáveis edafo-ambietais. São Carlos, SP. 1995, 146 p. Tese de Doutorado, Istituto de Física e Química de São Carlos, USP WILLMOTT, C.J., ACKLESON, S.G., DAVIS, R.E. et al. Statistics for the evaluatio ad compariso of models. Joural of Geophysical Research, Ottawa, v. 90,. C5, p WMO. Guide to meteorological istrumets ad methods of observatio. Geeva, World Meteorological Orgaizatio,, p., (. 8, 5th editio). ZACHARIAS, S., HEATWOLE, C.D., COAKLEY, C.W. Robust quatitative techiques for validatig pesticide trasport models. Trasactios of the ASAE, St. Joseph, v. 39,. 1, p