TENDÊNCIA DO NÚMERO DE OCORRÊNCIAS DE CHUVA INTENSA EM RELAÇÃO À LÂMINA PRECIPITADA NO MUNICÍPIO DE BAGÉ/RS

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1 TENDÊNCIA DO NÚMERO DE OCORRÊNCIAS DE CHUVA INTENSA EM RELAÇÃO À LÂMINA PRECIPITADA NO MUNICÍPIO DE BAGÉ/RS Rita de Cássia Fraga Damé 1 *;Claudia Fernanda Almeida Teixeira-Gandra 2 ; Hugo Alexandre Soares Guedes 3 ; Rosiane Schwantz do Couto 4 ; Jacira Porto dos Santos 5 ; Pamela Bilhafan Disconzi 6 ;Viviane Dornelles 7 ;Patrick Morais Veber 8 ;Gustavo Klumb 9 ;Luiz Carlos Salgueiro Bacelar 10 Resumo A ocorrência de eventos extremos como a precipitação, tem sido foco de pesquisa da comunidade científica nas últimas décadas, devido ao impacto que causam à vida humana, aos ecossistemas e à economia. Diante da alteração climática, uma hipótese que deve ser testada é a alteração ao longo do tempo, do número de dias de chuvas em função da lâmina precipitada. Assim sendo, o objetivo deste trabalho foi verificar se houve alteração na tendência do número de dias de chuva, em função da quantidade precipitada, no município de Bagé/RS. Para tanto foi contabilizado o número de dias de chuva com lâmina entre 10 e 20 mm, bem como maior que 50 mm e sobre o número dos eventos aplicaram-se os testes de Mann-Kendall e Mann-Whitney. Os resultados obtidos mostraram que o número de dias de chuva do município de Bagé/RS, com lâmina precipitada entre 10 e 20 mm e superior a 50 mm apresentou alteração na tendência quando da aplicação do teste de Mann-Whitney. O teste de Mann-Whitney detectou alteração de tendência no período de 1977 a 2009, para altura de lâmina entre 10 e 20 mm e, no período de 1983 a 2007, para lâmina maior que 50 mm. Palavras-Chave Mudança climática, Mann-Kendall, Mann-Whitney. TREND OF THE NUMBER OF INTENSE RAINFALL EVENTS IN CONNECTION WITH THE LAMINA PRECIPITATED BAGÉ IN MUNICIPALITY / RS Centro de Engenharias/ Curso de Engenharia Agrícola/Universidade Federal de Pelotas ritah2o@hotmail.com Centro de Engenharias/ Curso de Engenharia Agrícola/Universidade Federal de Pelotas cfteixei@ig.com.br Centro de Engenharias/ Curso de Engenharia Civil/Universidade Federal de Pelotas hugo.guedes@ufpel.edu.br Programa de Pós-Graduação em Manejo e Conservação do Solo e Água couto.rosianes@gmail.com Programa de Pós-Graduação em Manejo e Conservação do Solo e Água portojacira@gmail.com Programa de Pós-Graduação em Manejo e Conservação do Solo e Água pamela_bilhafan@yahoo.com.br Programa de Pós-Graduação em Manejo e Conservação do Solo e Água viviane@agripec.adm.com.br Centro de Engenharias/Curso de Engenharia Agrícola/ Universidade Federal de Pelotas patrick.veber@hotmail.com Centro de Engenharias/Curso de Engenharia Agrícola/ Universidade Federal de Pelotas gustavo19klumb@hotmail.com Centro de Engenharias/Curso de Engenharia Agrícola/ Universidade Federal de Pelotas luiz.bacelar@cemaden.gov.br XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

2 Abstract The occurrence of extreme events such as precipitation, has been a research focus of the scientific community in recent decades because of the impact they cause to human life, ecosystems and the economy. In the face of climate change, a hypothesis that should be tested is changing over time, the number of days of rain due to the precipitous slide. Therefore, the aim of this study was to determine whether there was a change in trend in the number of rainy days, depending on the amount precipitated in the municipality of Bagé / RS. For that was recorded the number of rainy days with blade between 10 and 20 mm and greater than 50 mm and the number of events applied to the Mann-Kendall and Mann-Whitney test. The results showed that the number of rainy days in the city of Bagé / RS, with precipitous slide from 10 to 20 mm and greater than 50 mm presented change in trend when applying the Mann-Whitney test. The Mann-Whitney test detected trend changes in 1977 and 2009, for blade height between 10 and 20 mm and in the period , to slide greater than 50 mm. Keywords Climate change, rainfall, extreme events. INTRODUÇÃO A ocorrência de eventos meteorológicos extremos como a precipitação, vem chamando a atenção nas últimas décadas, de pesquisadores e da comunidade em geral, devido ao impacto que causam à vida humana, aos ecossistemas e à economia. O aumento no número de precipitações extremas, bem como da lâmina precipitada, está diretamente relacionada com a frequência, intensidade e duração de desastres, cujos impactos são de grande escala. Os resultados do Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC, 2001; 2007) mostraram um aumento nos eventos extremos de precipitação no final do século XX. O estado do Rio Grande do Sul/Brasil situa-se em uma região com latitude favorável à atuação de diversos fenômenos meteorológicos que afetam o tempo e o clima como, por exemplo, as frentes frias e o fenômeno El Niño. Além disso, há indícios de possíveis alterações no clima relacionadas aos efeitos antropogênicos (CERA et al., 2015). Quanto a alteração de tendência das precipitações, Damé et al. (2013) analisaram as séries de total anual de 14 estações climatológicas pertencentes a bacia da lagoa Mirim (lado brasileiro), utilizando os testes não paramétricos de Mann-Kendall e Mann-Whitney, o teste t de Student para duas amostras de dados não pareados (paramétrico), bem como a técnica da média progressiva. Os autores concluíram que para as 14 estações analisadas, apenas a (Pelotas) apresentou alteração na tendência na série de precipitação anual, quando da aplicação dos testes de Student e Mann-Whitney. Liu et al. (2013) com o objetivo de determinar o valor da lâmina de precipitação que pode ser considerada extrema para a bacia do rio Pearl (China), analisaram 62 anos de chuva diária a partir de métodos não paramétricos, paramétricos e de análise de flutuação de tendência. Concluíram que para o caso específico de seu estudo o método mais indicado foi a análise de flutuação de tendência. Cabe salientar que os autores consideraram a dificuldade em determinar os valores limites para as chuvas intensas de um dado local, visto a variabilidade espacial e temporal do fenômeno, que é dependente das condições geográficas e meteorológicas. Os autores citam como exemplo que uma precipitação de 50 mm em um dia é considerada normal no sul da china, enquanto que para a região norte deste país essa quantidade já é considerada extrema. Song et al. (2015) com o objetivo de verificar a existência de tendência em valores extremos de precipitação em 39 estações da bacia do rio Songhua, no período de 1960 a 2013, utilizaram o método não paramétrico de Mann-Kendall sobre os índices de precipitação extrema. Em relação aos XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2

3 índices relacionados às precipitações maiores que 10 e 20 mm por dia, os resultados levaram os autores concluir que, embora tenham ocorrido eventos extremos no ano de 1998, não há evidência estatística significativa de tendência nos valores dos índices, que contabilizam as precipitações com lâminas superiores a 10 e 20 mm, respectivamente. Diante da problemática de alteração climática, uma hipótese que deve ser testada é a alteração ao longo do tempo, do número de dias de chuvas em função da lâmina precipitada. Assim sendo, o objetivo deste trabalho foi verificar se houve alteração na tendência do número de dias de chuva, em função da quantidade precipitada, no município de Bagé/RS. MATERIAL E MÉTODOS Foi utilizada uma série de dados diários de chuva do município de Bagé/RS, localizado na latitude 31º19 53 S, longitude 54º06 25 O e altitude 212 m, no período de 1961 a 2009, perfazendo 49 anos, obtidos junto a Agência Nacional de Águas (ANA). O município de Bagé caracteriza-se por ter um clima que tanto pode ser enquadrado no tipo subtropical ou temperado, com verões cujas temperaturas são elevadas durante do dia e amenas à noite e, invernos relativamente frios, com geadas frequentes e queda de neve em algumas ocasiões específicas. Quanto às precipitações, estas se distribuem regularmente durante o ano, mas apresenta esporadicamente, secas consideradas extremas. Diante destas características o clima segundo Koppen é do tipo Cfa (TEIXEIRA et al., 2013). A partir dos dados diários de precipitação foram contabilizados os números de dias de chuva com 10 mm < P < 20 mm, bem como àqueles valores de P > 50 mm. Foi realizada uma análise gráfica exploratória das séries temporais, previamente à aplicação dos testes estatísticos, cuja análise faz parte de um conjunto de técnicas conhecidas como EDA Análise Exploratória dos Dados (KUNDZEWICZ & ROBSON, 2004; ALEXANDRE et al., 2010). Após a identificação visual do comportamento de tendência foram aplicados testes estatísticos não paramétricos de Mann-Kendall e Mann-Whitney. Para testar as hipóteses de tendência de longo prazo e a dos passos de mudança, as metodologias empregadas fundamentaram-se em: (a) verificação da existência ou não de tendência monotônica; e (b) detecção dos pontos de mudança, caso estas ocorram. Para tanto foram utilizados os testes não-paramétricos de Mann-Kendall (existência de tendência monotônica) e de Mann-Whitney (pontos de mudança) (HAMED, 2008). Para o teste de Mann-Kendall, a hipótese de nulidade, H 0, refere-se a não existir evidência de alteração de tendência, para um nível α de probabilidade, enquanto que a hipótese alternativa, H 1, refere-se a existir evidências de alteração de tendência nos registros. A estatística do teste dada pela expressão (1): S 1,...S > 0 var( S) Z c = (1) S + 1,...S < 0 var( S) em que, Zc estatística do teste; S estatística do teste que segue a distribuição normal, cuja média E (.) e variância var (.), representados matematicamente pelas expressões (2), (3) e (4), respectivamente. (2) XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

4 E ( S) = 0 n 1 n i= 1 k= i+ 1 ( ) S = sgn x k x i (3) var ( S) ( n 1) ( 2n + 5) n = (4) 18 var ( S) Em caso de valores repetidos na série a var(s) é calculada: n = n ( n 1) ( 2n + 5) ti ( i)( i 1)( 2i + 5) i= 1 18 (5) em que, x k e x i - valores contidos na amostra com ordem k e i, respectivamente; sgn (θ) - igual a 1, 0, e -1, se θ (x k e x i ) for maior, igual ou menor do que zero, respectivamente; n - tamanho da amostra. A hipótese de nulidade é aceita se Z c Z 1-α/2, em que Z 1-α/2, é o quartil da distribuição normal padrão correspondente ao nível α (0,05) de probabilidade, usado para a aplicação do teste. Para detectar a ocorrência ou não dos pontos de mudança nas séries de precipitação analisadas foi utilizado o teste de Mann-Whitney (CHEN et al., 2007), que é utilizado para testar se duas amostras independentes foram retiradas de populações com médias iguais. Desta forma a hipótese de nulidade do teste é que não existe diferença significativa entre a média do grupo 1 e do grupo 2. Para aplicar o teste deve-se seccionar a série de dados X = (x 1, x 2, x 3,..., x n-1, x n ), de tal forma que Y = (x 1, x 2, x 3,..., x n1 ) e Z = (x n+1, x n+2, x n+3,..., x n1+n2 ). A estatística do teste de Mann-Whitney é dada pelas expressões (6 e 7): = = (6) (7) em que, R 1 e R 2 ordem das observações; n 1 e n 2 - número de elementos das sub-amostras X e Y, respectivamente. Para a obtenção da obtenção do valor crítico de U para n > 20 valores aplicam-se as equações 8, 9 e 10. = (8) =. 2 (9) XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4

5 = (10) A hipótese de nulidade, H 0, é aceita se U<Ucritico. RESULTADOS E DISCUSSÃO Nas Figuras 1 e 2 são apresentados os números de dias de chuva com altura de lâmina entre 10 e 20 mm e maior que 50 mm, respectivamente. São apresentados também, os valores de média, média móvel, bem como o ajuste linear. Na Figura 1, observa-se um leve decréscimo na média do número de dias de chuva em relação ao ajuste linear. Comportamento inverso ocorreu para chuvas maiores que 50 mm (Figura 2). Os valores das estatísticas descritivas, média, desvio padrão, coeficiente de variação e coeficiente de assimetria, para a lâmina entre 10 e 20 mm foram 18,18 dias, 4,96 dias, 0,27 e 0,06, enquanto que para a lâmina maior que 50 mm foram 5,98 dias, 3,47 dias, 0,58 e 0,43, respectivamente. Comparando-se os valores de coeficiente de assimetria observase que quando a lâmina precipitada está entre 10 e 20 mm, o número de dias chuvosos é praticamente simétrico (Ca = 0,06). Em contraponto, para chuva com altura superior a 50 mm, os dados exibem assimetria positiva (Ca = 0,43). Os valores do coeficiente de variação (0,27 e 0,58) indicam elevada dispersão dos dados. Gomes et al. (2015) analisaram os dados médios mensais de precipitação de 102 estações meteorológicas distribuídas espacialmente no estado da Paraíba, no período de 1962 a 2001 e encontraram valores de coeficiente de variação entre 0,31 e 1,34, que os fizeram concluir que as chuvas mensais possuem alta dispersão, visto que segundo Oliveira (1999), valores de coeficiente de variação maiores que 0,2 indicam elevada dispersão dos dados. Dias de Chuva 10 mm<p<20 mm Figura 1 Número de dias de chuva com 10 mm < P < 20 mm no município de Bagé/RS, considerando o período de Ano 10 mm<p<20 mm Média média móvel q=5 Linear (10 mm<p<20 mm) XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5

6 Dias de Chuva P> 50 mm Figura 2 Número de dias de chuva com P > 50 mm no município de Bagé/RS, considerando o período de Os valores das estatísticas de Mann-Kendall para a lâmina entre 10 e 20 mm e maior que 50 mm foram 0,39 e -0,06, respectivamente, sendo inferiores ao valor crítico da estatística, no nível α de probabilidade de 5% (Z crit =1,96), indicando que não existem evidências estatísticas que comprovem a alteração de tendência no número de dias de chuva com relação às lâminas precipitadas. No entanto, os resultados do teste de Mann-Whitney mostraram o inverso, ou seja, há evidência estatística de que as médias das séries, que foram seccionadas, apresentem diferença significativa. Para as lâminas entre 10 e 20 mm e superior a 50 mm, os valores das estatísticas do teste foram U = 202 e U = 271, respectivamente, inferiores ao valor crítico, U crit = 394,51. Turoglu (2014) analisou as características da precipitação e temperatura de Istambul (Turquia) no período de 1960 a 2013, cujos resultados mostraram que de 1999 a 2013, o clima de Istambul sofreu alteração de semi-úmido para árido e menos úmido. Em relação a precipitação, houve um decréscimo no período de inverno e um aumento na frequência das chuvas intensas. Os resultados encontrados permitem reflexões sobre as motivações naturais e comportamento antrópico, que levaram à alteração da tendência do número de dias de chuva em função da lâmina precipitada. Pesquisadores como HOOPER et al. (2005) e SANTOS & BRITO (2007) afirmam que fatores antrópicos, tais como desflorestamento e mau uso dos ecossistemas, podem modificar o clima de uma região, contribuindo para as alterações no sistema global. Ano P>50 mm Média média móvel q=5 Linear (P>50 mm) CONCLUSÕES O número de dias de chuva do município de Bagé/RS, com lâmina precipitada entre 10 e 20 mm e superior a 50 mm apresentou alteração na tendência quando da aplicação do teste de Mann- Whitney. O referido teste detectou alteração de tendência no período de 1977 a 2009, para altura de lâmina entre 10 e 20 mm e, no período de 1983 a 2007, para lâmina maior que 50 mm. CONCLUSÕES XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6

7 Não foi detectada tendência na série de número de dias secos/chuvosos para a localidade de Bagé/RS ao aplicar o teste de Mann-Kendall. No entanto foi verificada alteração quando da aplicação do teste de Mann-Whitney, para o período de 1987 a REFERÊNCIAS AGÊNCIA NACIONAL DE ÁGUAS (Brasil) (ANA). HidroWeb: sistemas de informações hidrológicas. Disponível em: < Acesso em: 05 janeiro CERA, J. C. ; FERRAZ, S. E. T. (2015). Variações climáticas na precipitação no sul do Brasil no clima presente e futuro. Revista Brasileira de Meteorologia 30 (1), pp DAMÉ, R. C. F.; TEIXEIRA, C. F. A.; BACELAR, L. C. S. D.; WINKLER, A. S. ; SANTOS, J.P. (2013). Monotonic trend and change points in southern Brazil precipitation. Engenharia Agrícola 33, pp GOMES, O. M.; SANTOS, C. A. C.; SOUZA, S.S.; PAIVA, W.; OLINDA, R.A. (2015). Análise comparativa da precipitação do estado da Paraíba utilizando modelos de regressão polinomial. Revista Brasileira de Meteorologia 30 (1), pp HAMED, K. H. (2008). Trend detection in hydrologic data: The Mann-Kendall trend test under the scaling hypothesis. Journal of Hydrology 349, pp HOOPER, D.U.; CHAPIN, F.S.; EWEL, J.J.; HECTOR, E.; INCHAUSTI, P.; LAVOREL, S.; LAWTON, J.H.; LODGE, D.M.; LOREAU, M.; NAEEM, S.; SCHMID, B.; SETALA, H.; SYMSTAD, A.J.; VANDERMEER, J.; WARDLE, D.A (2005). Effects of biodiversity on ecosystem functioning: A consensus of current knowledge. Ecological Monographs, New York, 75, pp IPCC (2001). Climate Change Mitigation. The Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. B. Metz, O. Davidson, R. Swart, and J. Pan (eds.). Cambridge University Press, Cambridge, UK. IPCC (2007). Climate Change 2007 The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the IPCC. Cambridge Univ. Press, Cambridge, UK. KUNDZEWICZ, Z.W.; ROBSON, A.J (2004). Change Detection in Hydrological Records A Review of the Methodology. Hydrological Sciences, 49 (1), pp LIU, B.; CHEN, J. CHEN, X. LIAN, Y.; WU, L. (2013). Uncertainty in determining extreme precipitation thresholds. Journal of Hydrology, 503, pp OLIVEIRA, F. E. M. (1999). Estatística e Probabilidade. 2. ed. São Paulo: Atlas, ISBN X, 221 p. SANTOS, C. A. C.; BRITO, J. I. B. (2007). Análise dos índices de extremos para o semi-árido do Brasil e suas relações com TSM e IVDN. Revista Brasileira de Meteorologia, Piracicaba, 22 (3), pp XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7

8 SONG, X. ; SONG, S.; SUN,W.; MU, X. ; WANG, S.; LI, J.; LI, Y. (2015). Recent changes in extreme precipitation and drought over the Songhua River Basin, China, during Atmospheric Research, 157, pp TEIXEIRA, C.F.; DAMÉ, R. C. F. ; BACELAR, L.C.S.; SILVA, G. M.;COUTO, R. S. (2013) Severity of drought using rainfall indices. Revista Ambiente & Água, 8, pp TUROGLU, H. (2014). Detection of Changes on Temperature and Precipitation Features in Istanbul (Turkey). Atmospheric and Climate Sciences, 4, pp XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8