Análise comparativa de dados meterológicos obtidos por estação convencional e automática em Londrina - PR. Resumo. Abstract

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1 Aálise comparativa de dados meterológicos obtidos por estação covecioal e automática em Lodria - PR Aálise comparativa de dados meteorológicos obtidos por estação covecioal e automática em Lodria - PR Comparative aalysis of meteorological data obtaied by covetioal ad automatic statios i Lodria PR Lívia Maria Pederzii Pereira * ; Paulo Herique Caramori ; Wilia da Silva Ricce 3 ; João Herique Caviglioe 4 Resumo O objetivo foi efetuar um estudo comparativo etre uma estação meteorológica covecioal do IAPAR e outra automática pertecete ao SIMEPAR, localizadas lado a lado a estação experimetal do IAPAR em Lodria - PR (latitude: 3º S; logitude: º W e altitude: 8m). Foram aalisados dados diários das seguites variáveis meteorológicas: precipitação (Prec), temperaturas máxima (Tmax), míima (Tmi) e média (Tmed) do ar, velocidade do veto (V) e umidade relativa do ar (URmed), durate o período de / /999 a 3//6. Foram utilizados as comparações dos dados os seguites ídices estatísticos: coeficiete de determiação (R ); cocordâcia (d); erro máximo (ME); erro absoluto médio (EAM); eficiêcia (EF); coeficiete de massa crítica (CRM); raiz quadrada do erro médio quadrático ormalizado (RMSE); erros sistemático (Es) e aleatório (Ea). Com base as equações de regressão liear verificou-se que houve sigificativa cocordâcia para cada variável medida as duas estações meteorológicas. As maiores difereças foram ecotradas a Tmax, URmed e Prec, com ME da ordem de 4,7ºC, 4,% e,mm, respectivamete. As aálises realizadas evideciaram que os dados obtidos a estação meteorológica automática possuem alta cofiabilidade e podem ser utilizados em estudos climatológicos. Palavras-chaves: Estação meteorológica, aálise comparativa, variáveis climáticas Abstract The objective was to compare variables collected with a covetioal meteorological statio of IAPAR with a automatic statio of SIMEPAR, located side by side at the experimetal statio of IAPAR i Lodria PR (latitude: 3 S; logitude: W ad altitude: 8m). Daily data of the followig meteorological variables were aalyzed: raifall (Prec), maximum (Tmax), miimum (Tmi) ad mea (Tmed) temperature, wid speed (V), ad mea relative humidity (UR med), durig the period from // 999 to /3/6. For data comparisos the followig statistical idexes were used: determiatio coefficiet (R ); agreemet (d); maximum error (EM); absolute mea error (EAM); efficiecy (EF); critical mass coefficiet (CRM); square root of the ormalized quadratic mea error (RMSE); systematic (Es) ad radom (Ea) errors. Based o the liear regressios it was cocluded that there was a sigificat agreemet for each variable measured i both statios. The largest differeces were foud i the maximum temperature, mea relative humidity ad raifall, with ME of 4.7ºC, 4.% e.mm, respectively. The aalyses evideced that data obtaied with the automatic meteorological statio have high quality ad ca be used i climatological studies. Key words: Meteorological statio, comparative aalysis, climatological variables Alua de graduação do curso de Geografia, estagiária do IAPAR, Lodria PR. liviamppereira@gmail.com Eg. Agrôomo, PhD., Pesquisador, Agrometeorologia, IAPAR, Lodria PR. 3 Eg. Agrôomo, Mestre, Pesquisador, Agrocosult Ltda., Lodria PR. 4 Eg. Agrôomo, Mestre, Pesquisador, Agrometeorologia, IAPAR, Lodria PR. * Autor para correspodêcia Recebido para publicação 3//7 Aprovado em //8 Semia: Ciêcias Agrárias, Lodria, v. 9,., p , abr./ju. 8 99

2 Pereira, L. M. P. et al. Itrodução Cosiderado-se que o clima é a variável mais importate a produção agrícola (AYOADE, 986), a dispoibilidade de dados meteorológicos cofiáveis é fudametal para quatificar os impactos a produtividade das culturas. Grade parte dos dados sobre os elemetos do clima é obtida através de estações meteorológicas covecioais (EMC) e automáticas (EMA). A difereça etre as duas estações é que a primeira exige a preseça diária do observador para a coleta de dados, equato a seguda opera por meio de sesores eletrôicos que são captados por um sistema de aquisição de dados, deomiado Datalogger, tedo como pricipal vatagem o registro cotíuo de todos os elemetos, com saídas dos dados em itervalos que o usuário programar (GALINA; VERONA, 4). 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 (SENTELHAS et al., 997; TORRE NETO, 99). Algus exemplos de aplicação o moitorameto das atividades agrícolas através de estações meteorológicas automáticas são: cotrole da irrigação de diferetes culturas (FERNANDES; SILVA; FOLEGATTI, 99), moitorameto e previsão de geadas e ocorrêcia de pragas e doeças, etre outros. A automatização a coleta de dados meteorológicos é uma tecologia muito recete o país e por isso vem gerado discussões sobre a sua cofiabilidade, custo e dificuldades de mauteção. Falhas o fucioameto dos equipametos ocasioam frequetemete falhas a coleta de dados, havedo a ecessidade da utilização de dados meteorológicos proveietes de estações covecioais. Por outro lado, esta tecologia tede a substituir o processo covecioal, em fução das dificuldades de mauteção de pessoal pelas istituições que operam redes de estações. No etato, a substituição das estações meteorológicas covecioais pelas automáticas exige cuidados, especialmete o que se refere à homogeeização da série de dados (SENTELHAS et al., 997). Trabalhos realizados por Setelhas et al. (997), Souza, Galvai e Assução (3) e Oliveira e Volpe (4) mostraram através de suas aálises boa cocordâcia etre os elemetos meteorológicos, ao compararem os dados obtidos pelas duas estações, pricipalmete em relação às variáveis de temperatura. Este trabalho teve por objetivo efetuar um estudo comparativo etre dados obtidos por EMA e EMC a cidade de Lodria-PR, em uma série de 86 meses de observações. Material e Métodos Os dados utilizados este estudo foram obtidos a Estação Experimetal do Istituto Agroômico do Paraá em Lodria - PR (latitude 3º S, logitude º W e altitude 8m). O período aalisado foi de //999 a 3//6, por meio de um moitorameto simultâeo das estações meteorológicas covecioal (EMC) e automática (EMA), sedo avaliados valores diários dos seguites elemetos: precipitação, temperaturas máxima (Tmax), míima (Tmi) e média (Tmed) do ar, velocidade do veto (v) e umidade relativa média do ar (URmed). Os elemetos meteorológicos temperatura e umidade relativa do ar foram coletados em codições distitas as duas estações. Na estação covecioal, seguido o padrão da Orgaização Meteorológica Mudial, os sesores se localizaram detro de abrigo termométrico de veeziaas duplas e a automática em micro-abrigos de multiplacas, ambos a altura de,7m. Os dados da Estação Automática foram coletados e armazeados por um datalogger (ref. Comercial Sutro modelo TS8), com leitura dos sesores a cada miuto e armazeameto das médias em valores horários. A estação meteorológica covecioal opera há 3 aos e a automática por aos e ambas seguem as recomedações para as observações meteorológicas de acordo com a Orgaização Meteorológica Mudial. 3 Semia: Ciêcias Agrárias, Lodria, v. 9,., p , abr./ju. 8

3 Aálise comparativa de dados meterológicos obtidos por estação covecioal e automática em Lodria - PR Os dias em que houve falha a coleta de dados em uma das estações foram elimiados. Por meio de visualização gráfica detectaram-se os dados suspeitos e retorou-se aos registros origiais para correções. Em seguida, foi aplicada aálise de regressão liear para cada variável e os seguites ídices estatísticos: cocordâcia (d), erro máximo (ME), erro absoluto médio (EAM), raiz quadrada do erro médio quadrático ormalizado (RMSE), eficiêcia (EF), coeficiete da massa residual (CRM), erros sistemático (Es) e aleatório (Ea), segudo Willmott, Ackelso e Davis (98). As características dos sesores utilizados em ambas as estações são apresetadas a tabela e a tabela apreseta a comparação a forma de obteção dos dados meteorológicos absolutos e médios, a partir da EMC e da EMA. Tabela. Variáveis aalisadas das estações meteorológicas covecioal (EMC) e automática (EMA), com respectivos sesores, fabricates, sesibilidades/precisões e uidades de medidas. Estação Variável Elemeto sesor Fabricate Precisão EMC Uidades de medida Tmax Mercúrio R.FUESS, C C Tmi Álcool R.FUESS, C C Tmed C URmed psicrômetro R.FUESS,% % Prec. Pluviômetro,mm mm Veto Aemógrafo R.FUESS.m s - m s - EMA Tmax Termistor Sutro, C C Tmi Termistor Sutro, C C Tmed C URmed Capacitor Sutro,% % Precip. Báscula Sutro,mm mm Veto Aemômetro Sutro,m s - m s - Tabela. Comparação da forma de obteção dos dados meteorológicos absolutos e médios das estações meteorológicas covecioal (EMC) e automática (EMA). Elemeto EMC EMA Temperatura média T max+ T mi+ T 9 T : + : Temperatura máxima Leitura às :h > valor das 4:h Temperatura míima Leitura às 9:h < valor das 4:h Umidade Relativa Velocidade do veto UR 9: UR: + UR 3 ΣT i 4 () + : Média diária ΣUR i 4 ΣV i 4 Precipitação do dia + Leitura às 9: Somatório das chuvas () () Medidas obtidas a cada hora (i= :h, :h,...4:h.) () chuvas coletadas desde as 9:h do dia até as 9:h do dia + () () Semia: Ciêcias Agrárias, Lodria, v. 9,., p , abr./ju. 8 3

4 Pereira, L. M. P. et al. Foram também utilizados os seguites ídices estatísticos, coforme as equações,, 3, 4,, 6, 7 e 8. Em que O i são os dados coletados a EMA, Pi os dados coletados a EMC, O as médias dos dados da EMA, o úmero de observações e Pˆ =a+bo i. Se o valor medido a EMA for igual ao da EMC, etão ME=EAM=RMSE=CRM= e R =d=ef=. = d Pi Oi / Pi O + Oi O () i = i = ME = max O i P i () = Ídice de cocordâcia ( ) ( ) Erro máximo: ( ) i EAM = O i P i i= Erro absoluto médio: ( ) Raiz quadrada do erro médio quadrático RMSE = ( ) ormalizado: Oi Pi i= O Eficiêcia: EF = ( O O) ( O P ) ( O O) Coeficiete de massa residual CRM =, (3) (4) i i / i () i = i = i= O i i = i= Erro sistemático ( Pˆ O ) Erro aleatório: ( P Pˆ ) Pi / O (6) i i= E = (7) s i i i= E = (8) a i i i= Resultados e Discussão Os resultados obtidos das aálises de regressão dos dados das temperaturas máxima, média e míima do ar, umidade relativa, precipitação e velocidade do veto etre as estações automática e covecioal são apresetados a Figura e os ídices estatísticos estão a Tabela 3. Todas as variáveis apresetaram ajuste sigificativo à regressão liear. Os valores do ídice de cocordâcia (d) foram superiores a,9, exceto para a umidade relativa. Foram ecotrados valores maiores para a estação covecioal, ou seja, houve uma subestimativa da EMA em relação à EMC, com exceção da velocidade do veto. Tabela 3. Idicadores estatísticos para a aálise de cocordâcia etre a variável Temperatura máxima (Tmax), Temperatura míima (Tmí), Temperatura média (Tméd), Precipitação (Prec), Vel. veto (v) e Umidade relativa média do ar (URmed) obtidos em EMA e EMC em Lodria, PR o período de outubro/999 a dezembro/6. Variável R d EAM ME RMSE Es Ea EF CRM Tmax ( C),993,99 -, 4,7,47,67,,98 -,37 Tmí ( C),99,99 -,,97,77,83,,9874 -,4 Tméd ( C),97,977 -,7 4,67,83,38,7,976 -,4 Prec.(mm),984,976 -,7,4 46,86,87,8,973 -,774 V. Veto(m/s - ),94,94,,6,3,,4,974,9 URmed(%),89,77 9, 4, 3,9 3, 8,44,63,8 3 Semia: Ciêcias Agrárias, Lodria, v. 9,., p , abr./ju. 8

5 Aálise comparativa de dados meterológicos obtidos por estação covecioal e automática em Lodria - PR A temperatura míima (Figura c) foi o elemeto que apresetou a melhor correlação das medidas etre o sesor automático e covecioal, com boa precisão (R =,9947) e exatidão (a= -,3 e b=,74). A EF de,9874 foi a mais elevada detre os elemetos aalisados e o erro absoluto médio de -, C foi iferior ao ecotrado por Setelhas et al. (997) e superior ao de Cuha e Martis (4), que ecotraram valores de,4 C e -,33 C, respectivamete. Houve uma pequea subestimativa da EMA de,4% em relação à EMC. A temperatura máxima diária (Figura a) apresetou uma boa exatidão (a=,96 e b=,9966) e a seguda melhor precisão (R =,99) e cocordâcia (d=,99). A EMC subestimou a EMA em,37%. O erro máximo apresetou uma amplitude de 4,7 C, e o erro absoluto médio foi de -, C, diferete do valor ecotrado por Oliveira e Volpe (4) que obteve, C, e de Setelhas et al. (997), que foi de,73 C. Pode-se atribuir a difereça de valores ecotrados as estações aos tipos de sesores utilizados, sedo um termistor a EMA e um termômetro de mercúrio a EMC. Para a temperatura média (Figura b), houve uma pequea dispersão dos dados com uma precisão de R =,97 e boa exatidão (a=,7 e b=,36), com um erro absoluto médio de,7ºc, apotado maiores valores para a EMC. Etretato o erro máximo da variável foi de 4,6 C, próximo do valor de Setelhas et al. (997) de 4,3 C e diferete do valor de 6,4 C ecotrado por Cuha e Martis (4). Pode-se salietar que difereças desta ordem são ecotradas a temperatura média, devido aos procedimetos adotados o cálculo da média diária e os tipos de sesores para cada estação. A umidade relativa média (Figura f) foi o elemeto aalisado que mostrou as maiores difereças etre a EMC e EMA, apresetado os maiores erros aleatórios e sistemáticos, devido à discrepâcia ecotrada os dados. Houve uma subestimativa de 3,38% da EMA em relação à EMC, resultado cotrário ao ecotrado por Cuha e Martis (4) e Souza, Galvai e Assução (3) que ecotraram valores maiores para a EMA. O erro médio absoluto foi de 9.%, valor superior aos,69% de Oliveira e Volpe (4) e aos,9% de Setelhas et al. (997). As difereças de valores a obteção dos dados podem ocorrer devido ao tipo de elemeto sesível dos istrumetos, que o caso da automática é um capacitor e a covecioal um psicrômetro, e também a difereça a amostragem utilizada para se calcular a média da EMA e da EMC. Segudo Oliveira e Volpe (4) é coveiete, ao se utilizar dados da EMA, muito critério a obteção e maipulação, além de uma aálise de cosistêcia, por serem comus valores de umidade relativa superiores a %. Com relação à precipitação pluviométrica (Figura d) verificou-se boa precisão (R =,984) e exatidão (a=,3 e b=,434), com o EAM da ordem de,7mm e d=,976, etretato houve uma pequea dispersão dos dados, devido aos erros sistemáticos e aleatórios. Houve uma tedêcia de valores meores da EMA em relação à EMC de 7%. O valor da ME foi de,mm, resultados próximos a esse foram ecotrados por Cuha e Martis (4) e Setelhas e Caramori (), que atribuem a falha devido ao pluviômetro ser de báscula, pois há uma icapacidade do sesor de registrar todo o volume coletado a mesma velocidade com que ela ocorre em evetos de forte precipitação. No caso da velocidade média do veto (Figura e) a aálise de regressão mostrou que houve uma boa precisão (R=,94) e exatidão (a=,97 e b=,9863) sedo o d igual a,9. Diferete dos outros elemetos apresetados este trabalho, os dados da EMA foram maiores que a EMC, com a superestimativa de,4%, mostrado que houve uma maior sesibilidade para a EMA. Os sesores utilizados são diferetes para a EMA e EMC, cada uma tem seu próprio mometo de partida como de parada, fazedo com que exista um maior efeito da iércia o cojuto das caecas do aemógrafo da Semia: Ciêcias Agrárias, Lodria, v. 9,., p , abr./ju. 8 33

6 Pereira, L. M. P. et al. a) b) Tmax ( C) - EMA y =.9966x +.96 R = Tmax ( C) - EMC Tmed ( C) - EMA y =.36x +.7 R = Tmed ( C) - E MC c) 3 8 Tmi ( C) - EMA y =.74x -.3 R =.9947 Prec. (mm) - EMA 6 4 y =.434x +.3 R = Tmi ( C) - EMC d) Prec. (mm) - EMC e) 7 8 V.VENTO - EMA (m/s - ) y =.9863 x R = V.VENTO - EMC (m/s - ) f) URmed (%) - EMA 6 4 y =.9749x R = URmed (%) - EMC Figura. Relação etre dados meteorológicos diários observados a EMA e EMC: a)temperatura máxima, b)temperatura média, c)temperatura míima, d)precipitação, e)velocidade do veto, f) Umidade relativa média do ar o período de outubro-999 a dezembro-6, em Lodria PR. 34 Semia: Ciêcias Agrárias, Lodria, v. 9,., p , abr./ju. 8

7 Aálise comparativa de dados meterológicos obtidos por estação covecioal e automática em Lodria - PR EMC. O erro médio absoluto foi de,ms -, valor iferior ao ecotrado por Oliveira e Volpe (4) que foi de,37m/s - e aos,7 m/s - de Setelhas et al. (997). Para se obter uma alta cofiabilidade dos dados da EMA, é ecessário que os equipametos teham uma boa mauteção e calibração freqüete. Coclusão Os resultados em geral mostraram que houve boa cocordâcia etre as estações meteorológicas, pricipalmete para as temperaturas máxima e míima. A substituição da estação meteorológica covecioal pela estação meteorológica automática ão resultará em difereças sigificativas em seus valores. É ecessária uma idividual aálise comparativa para cada localidade por um período expressivo ates de se realizar uma possível substituição. Etretato o Brasil uma desativação da estação meteorológica covecioal aida ão seria viável, devido ao elevado custo de mauteção que os equipametos da estação meteorológica automática ecessitam. Referêcias AYOADE, J. O. Itrodução à climatologia para os trópicos. São Paulo: DIFEL, 986. CUNHA, A. R.; MARTINS, D. Estudo comparativo etre elemetos meteorológicos obtidos em estações meteorológicas covecioal e automática em Botucatu, SP, Brasil. Revista Brasileira de Agrometeorologia, Sata Maria, v.,., p. 3-, 4. FERNANDES, A. L. T.; SILVA, F. C.; FOLEGATTI, M. V. Uso de estações automáticas para cotrole de irrigação o Estado de São Paulo. I: CONGRESSO BRASILEIRO DE AGROMETEOROLOGIA, 9., 99, Campia Grade. Aais... Campia Grade: Sociedade Brasileira Agrometeorologia/UFPB, 99. p. -3. GALINA, M. H.; VERONA, J. A. Fotes de observações meteorológicas o estado de São Paulo. Estudos Geográficos, Rio Claro, v.,., p. 7-8, 4. OLIVEIRA, A. D.; VOLPE, C. A. Comparação de dados meteorológicos obtidos por estação covecioal e automática. Revista Brasileira de Agrometeorologia, Sata Maria, v.,., p., 4. SENTELHAS, P. C.; CARAMORI, P. H. Icosistêcias a medida da chuva com pluviômetros de báscula utilizados em estações meteorológicas automáticas. Revista Brasileira de Agrometeorologia, Sata Maria, v.,., p SENTELHAS, P. C.; MORAIS, S. O.; PIEDADE, S. M. S.; PEREIRA, A. R.; ANGELOCCI, L. R.; MARIN, F. R. Aálise comparativa de dados meteorológicos obtidos por estação covecioal e automática. Revista Brasileira de Agrometeorologia, Sata Maria, v.,., p. -, 997. SOUZA, I. A.; GALVANI, E.; ASSUNÇÃO, H. F. Estudo comparativo etre elemetos meteorológicos moitorados por estações covecioal e automática a região de Marigá, Estado do Paraá. Acta Scietiarum, Marigá, v.,., p. 3-7, 3. TORRE NETO, A. Estudo e implemetação de um sistema de moitorameto remoto de variáveis edafo-ambietais. 99. Tese (Doutorado em Física) - Istituto de Física e Química de São Carlos, Uiversidade de São Paulo, São Carlos. WILLMOTT, C. J.; ACKELSON, S. G.; DAVIS, R. E. Statistics for the evaluatio ad compariso of models. Joural of Geophysical Research, Ottawa, v. 9,. C Semia: Ciêcias Agrárias, Lodria, v. 9,., p , abr./ju. 8 3

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