ANÁLISE DE TENDÊNCIAS CLIMÁTICAS NA REGIÃO NORTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL

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1 ANÁLISE DE TENDÊNCIAS CLIMÁTICAS NA REGIÃO NORTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL Emanuele Baifus Manke 1* & Priscila dos Santos Priebe 1 & Hugo Alexandre Soares Guedes 2 & Maria Clotilde Carré Chagas Neta 3 & João Pedro de Morais da Silveira 3 Resumo - O objetivo deste trabalho foi identificar a presença ou ausência de tendência nas séries de precipitações da metade norte do Rio Grande do Sul, visando utilizar as informações obtidas em estudos relacionados com modelagem hidrológica e gestão dos recursos hídricos. Para tanto, foram utilizadas séries de dados pluviométricos de oito estações meteorológicas. Os dados de precipitação total anual foram previamente analisados e suas falhas preenchidas. Em seguida, foram plotados em forma de gráfico, juntamente com a média, a média móvel de 10 anos, a mediana móvel de 10 anos e a regressão linear. As séries pluviométricas também foram analisadas no software TREND, aplicando os seguintes testes estatísticos: Man-Kendall, regressão linear e teste t-student. O teste paramétrico de t-student não apresentou resultado satisfatório no presente estudo, uma vez que não detectou aumento de tendência em nenhuma estação pluviométrica. Já o teste não paramétrico de Mann-Kendall identificou mudanças na tendência em quatro estações, corroborando com os resultados encontrados por meio de gráficos. O aumento da precipitação total anual nas séries temporais pode estar relacionado com os períodos de El Niño e La Niña. Entretanto, estudos mais específicos devem ser realizados para confirmar essa hipótese. Palavras-Chave - El Niño, La Niña, mudanças climáticas TRENDS CLIMATE ANALYSIS IN NORTHERN RIO GRANDE DO SUL STATE Abstract The aim of this paper was identify the presence or absence of trend on the precipitation series of the northern half of Rio Grande do Sul, in order to use the obtained information in studies related with hydrological modelling and water resources management. To do so, rainfall depth data series of eight meteorological stations were used. The annual precipitation data were previously analyzed and its gaps filled. Then, the moving average of 10 years, the moving median of 10 years and the linear regression were plotted in charts. The pluviometric series were also analyzed using the software TREND, applying the following statistical tests: Man-Kendall, linear regression and t- Student test. The parametric t-student test did not show satisfactory results in this study, once it did not detect a increase tendency in any of the pluviometric stations. However, the non-parametric test Mann-Kendall identified changes on tendency in four stations, corroborating with the results found through charts. The annual total precipitation increase on the temporal series might be related with the El Niño and La Niña periods. However, more specific studies should be performed in order to confirm this hypothesis. Keywords - El Niño, La Niña, climate changes. 1 1 Discente do PPG em Recursos Hídricos UFPel manumanke@gmail.com; priscilaspriebe@gmail.com 2 Docente do curso de Engenharia Civil UFPel hugo.guedes@ufpel.edu.br 3 Discente da Graduação em Engenharia Hídrica UFPel netamariacc@gmail.com; jpdrslvr@gmail.com XIX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

2 1. INTRODUÇÃO As alterações climáticas e suas implicações para a humanidade tem sido alvo de grandes pesquisas da comunidade científica nos últimos anos, principalmente em relação à variabilidade climática e ao possível aumento de eventos de precipitações intensas. O estudo de mudanças em séries temporais de dados hidrológicos é de grande importância científica e prática para a gestão dos recursos hídricos (Alexandre et al., 2010). Conforme Karl et al. (1996), o aquecimento global tem influência direta na alteração, frequência e distribuição das chuvas, aumentando as ocorrências de secas e de cheias. Desta forma, a identificação de alterações nos registros meteorológicos é de grande importância para os estudos de engenharia que utilizam as séries históricas, pois tanto as simulações como as aplicações de teorias de probabilidade são realizadas com a hipótese de que as séries históricas são homogêneas, isto é, que não apresentam tendências. Uma série é dita homogênea quando os dados vêm da mesma população, e assim não há alteração nos parâmetros estatísticos (Back, 2001). No Rio Grande do Sul, os eventos de precipitações caracterizam-se pela sua homogeneidade no estado, mas segundo Nimer (1979), a metade norte do estado apresenta precipitações acima da média, que foi estabelecida na ordem de 1. mm, e a metade sul apresenta valores abaixo da média. De acordo com Naghettini e Pinto (2007), os testes estatísticos podem ser classificados em paramétricos e não paramétricos. O teste é dito paramétrico se os dados amostrais, por premissa, foram extraídos de uma população Normal ou de qualquer outra população, cujo modelo distributivo seja conhecido ou previamente especificado. Já os testes não paramétricos são aqueles que não necessitam de especificação prévia do modelo distributivo da população, sendo formulados com base em características da amostra, tais como, ordens de classificação ou número de diferenças positivas ou negativas entre os dados. A análise de tendências através de testes estatísticos é realizada por diversos pesquisadores como Douglas et al. (), Alemaw e Chaoka (2002), Xu et al. (2003), Tucci e Braga (2003), Lang e Renard (2007), Alexandre et al. (2010), Damé et al. (2013), Uliana et al. (2014), entre outros, visando identificar eventuais mudanças em séries hidrológicas e temporais. Nesses estudos, os testes estatísticos mais utilizados foram os de Mann Kendall, Regressão Linear e t-student. O teste de Mann-Kendall é um teste estatístico não paramétrico (Mann, 1945; Kendall, 1975) que analisa se há uma tendência nos dados de séries temporais. Consiste em comparar cada valor da série temporal com os valores restantes, sempre em ordem sequencial, sendo contado o número de vezes em que os termos restantes são maiores que o valor analisado. Goossens e Berger (1986), afirmaram que o teste de Mann-Kendall é o método mais apropriado para analisar mudanças climáticas em séries climatológicas, permitindo, também, a detecção e a localização aproximada do ponto inicial de determinada tendência. O teste de Regressão Linear, conforme descrito por Chiew e Siriwardena (2005), é um teste paramétrico que assume que os dados são normalmente distribuídos, atestando a existência linear pela relação entre o tempo, em x, e a variável de interesse, em y. Esse teste assume que os erros (desvios da tendência) são independentes e segue a mesma distribuição normal com média zero. O teste t de Student, segundo Chiew e Siriwardena (2005), é utilizado em amostras de dados não pareados (paramétricos), para testar se a média em dois períodos distintos é diferente, assumindo que os dados são normalmente distribuídos. O conhecimento da existência ou não de tendências nas séries de precipitação total anual na metade norte do estado do Rio Grande do Sul tem se mostrado cada vez mais importante, XIX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2

3 principalmente devido às enchentes ocorridas nesta região. Dessa forma, o objetivo deste estudo foi identificar a presença ou ausência de tendência nas séries de precipitações da metade norte do Rio Grande do Sul, visando utilizar as informações obtidas em estudos relacionados com a modelagem hidrológica e a gestão dos recursos hídricos. 2. METODOLOGIA Neste trabalho foram utilizados dados pluviométricos de oito estações meteorológicas da região norte do estado do Rio Grande do Sul (Figura 1), obtidas na plataforma Hidroweb, da base de dados da Agência Nacional de Águas (ANA). Figura 1 - Localização das estações - RS. Os dados de precipitação foram analisados através do software SYHDA (System of Hydrological Data Acquisition and Analysis). A ferramenta computacional SYHDA vem sendo desenvolvida desde agosto de 2012 no Laboratório de Hidrológica e Processamento de Dados, do Curso de Engenharia Hídrica Universidade Federal de Pelotas (UFPel). O SYHDA tem potencial para ser empregado como ferramenta de aquisição e análise de dados hidrológicos com vistas à gestão de recursos hídricos em bacias hidrográficas (Beskow, 2013). As séries de precipitação foram inseridas no SYHDA e seguindo a metodologia descrita em Beskow (2013) foi possível obter os totais anuais de precipitações. Em seguida, foram selecionadas as estações com menos de 15 dias de falhas. Nos anos que foram detectadas falhas realizou-se o preenchimento através do método do vetor de ponderação regional, descrito por Tucci (2001). Os postos pluviométricos utilizados no estudo e suas informações gerais estão dispostos na Tabela 1. Em seguida, por meio do software Microsoft Office Excel, a distribuição temporal da precipitação total anual de cada uma das estações foi plotada em forma de gráfico, juntamente com a média, a média móvel de 10 anos, a mediana móvel de 10 anos e a regressão linear, com intuito de realizar uma análise qualitativa dos dados de chuva e observar possíveis tendências mais evidentes nos dados. XIX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

4 Tabela 1 - Dados das estações meteorológicas utilizadas no trabalho. Código Nome Latitude (S) Longitude (W) Altitude (m) Período base Passo das Tainhas 28 52'03" 50 27'22" Antônio Prado 28 51'12" 51 17'04" Passo Migliavaca 28 37'10" 51 52'00" Prata 28 45'22" 51 37'42" Passo Major Zeferino 28 44'01" 54 38'52" São Luiz Gonzaga 28 24'00" 54 58'00" Encantado 29 14'16" 51 51'34" Nova Palmira 29 20'06" 51 11'25" A análise estatística de tendência foi feita por meio do software TREND Trend/Change Detection (Chiew e Siriwardena, 2005), onde as informações de chuva foram analisadas estatisticamente a um nível de significância de 95% (p < 0,05). Foram utilizados os testes de Mann- Kendall (não paramétrico), Regressão Linear (paramétrico) e t-student (paramátrico). No presente trabalho, a hipótese nula (H 0 ) indica que não há tendência dos dados. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Na Figura 2 estão apresentadas as séries de dados de precipitação total anual, a média, a média móvel, a mediana móvel e a regressão linear das oito estações pluviométricas utilizadas no estudo. Observa-se, por meio da curva de regressão linear, que as estações 02809, , , , e apresentaram tendência de aumento nos dados de chuva com o passar do tempo. Já a estação apresentou uma leve tendência de diminuição da precipitação total com o passar dos anos. A única estação que se mostrou indiferente a tendências nos dados foi a estação No ano de 2002, em algumas estações, verificou-se um pico de precipitação total anual, possivelmente associado à ocorrência do fenômeno El Niño, conforme descrito em Berlato et al. (2005). Na estação no ano de 1963 também ocorreu um pico de precipitação, provavelmente devido ao mesmo fenômeno. O mesmo ocorreu nas estações , , e 02809, nas quais o aumento brusco da precipitação total aconteceu nos anos 1941, 1966 e 1972, 1983/1984, respectivamente. Este trabalho confirmou alguns períodos em que ocorreram anomalias climatológicas apresentado por Berlato et al. (2005). A estação apresentou período significativo de escassez entre os anos de 1967 a Igualmente aconteceu com as estações e , uma vez que a precipitação total foi abaixo da média neste período. Uma das justificativas é a ocorrência do efeito La Niña nesses intervalos de anos, que pode ter afetando o regime de chuvas nessas estações. A La Niña também pode ter causado a redução na precipitação total nos anos de 1944 ( ), 1954 ( ) e 1999 ( ). Na maioria das estações, com o passar dos anos, a média móvel e a mediana móvel de 10 anos ultrapassaram o valor da média, sendo exceção apenas as estações e , nas quais verificou-se um decréscimo com o passar dos anos. Além disso, somente a estação apresentou uma redução na precipitação total de precipitação. XIX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4

5 Média Linear (2809) Média Média Móvel 10 anos Linear ( ) Mediana Móvel 10 anos Média Linear ( ) Média Linear ( ) Média Linear ( ) Média Linear ( ) Média Média Média Móvel 10 anos Mediana Móvel 10 anos Linear ( ) Linear ( ) XIX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5 Figura 2 - Precipitação total anual, média, média móvel 10 anos, mediana móvel 10 anos e regressão linear das oito estações meteorológicas utilizados no estudo.

6 Ressalta-se que os efeitos El Niño e La Niña podem ter contribuído para alterações da distribuição temporal da precipitação total anual em algumas estações. Entretanto, uma análise mais criteriosa, com a consideração de fatores antrópicos e alterações no uso e ocupação do solo, deve ser feita para confirmar essa hipótese, conforme indicado por Uliana et al. (2014). Os resultados qualitativos apresentados nos gráficos da Figura 2 foram confrontados estatisticamente através da introdução das séries pluviométricas no software TREND. Na Tabela 2 estão apresentados os resultados das análises de tendências feitos pelos testes Mann-Kendall e Regressão Linear e t-student. Tabela 2 - Resultados do teste de Mann-Kendall, Regressão Linear e t-student para as séries de precipitação total anual Mann-Kendall Regressão Linear t-student Estação Z calc Z tab H 0 (Z) σ calc σ tab H 0 (σ) t calc t tab H 0 (t) ,922 1,96 A 1,446 2,017 A -1,937 2,015 A ,197 1,96 R 1,628 2,017 A -1,151 2,015 A ,128 1,96 R 4,661 2,017 R -3,203 2,015 A ,856 1,96 A 1,577 2,017 A -0,975 2,015 A ,243 1,96 A 0,731 2,017 A 1,069 2,015 A ,168 1,96 A -0,288 2,017 A 0,049 2,015 A ,246 1,96 R 3,337 2,017 R -2,066 2,015 A ,96 R 4,660 2,017 R -4,093 2,015 A A: aceita a hipótese nula (H 0 ) a p < 0,05, R: rejeita a hipótese nula a p < 0,05. Os resultados das análises estatísticas realizadas pelos testes paramétricos divergem em algumas estações pluviométricas, a p < 0,05. O teste de Regressão Linear indicou que as estações de código , e rejeitaram a hipótese nula, ou seja, há tendência monotônica na série de precipitação total anual. Já o teste t-student indicou que a hipótese nula é sempre satisfeita, ou seja, não há tendência nos dados em nenhuma estação. Esse resultado difere dos encontrados pelos gráficos de distribuição temporal, nos quais mostraram qualitativamente que apenas a estação não apresentava alteração de tendência. Observa-se, ainda, que os resultados estatísticos do teste de Regressão Linear indicam que as distorções das curvas de regressão apresentadas nos gráficos da Figura 2, para as estações 02809, , e , não configuram alteração de tendência. Isso comprova que testes estatísticos devem ser realizados antes de tomadas de decisão, o que poderia comprometer todo o projeto de engenharia. Resultados semelhantes foram encontrados por Damé et al. (2013), onde perceberam que o teste de t de Student indicou que apenas uma estação pluviométrica apresentava alteração de tendência. A análise de tendência por meio do teste não-paramétrico de Mann-Kendall, quando comparado ao teste paramétrico da Regressão Linear, apresentou apenas uma diferença em relação a estação , o qual indicou alteração de tendência. Os resultados desse teste estatístico possivelmente são mais realísticos, pois é o mais utilizado por diversos autores para análise de tendências de precipitações (Back, 2001; Alexandre et al., 2010; Damé et al., 2013). Além do mais, a distribuição de precipitação total anual não segue uma distribuição normal. Desta forma, pode se afirmar que a precipitação total anual tende a aumentar em quatro das oito estações analisadas no estudo, no norte do estado do Rio Grande do Sul. XIX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6

7 Berlato et al. (1995), estudando dados de precipitação de 17 locais do Rio Grande do Sul, não identificaram tendências de longo prazo na precipitação pluvial anual, ressaltando que as reduções e aumentos que se observaram em curto período se referem, possivelmente, à flutuação natural da precipitação pluvial. Fontana e Berlato (1997) mostraram que nos anos de ocorrência de El Niño são registrados no Rio Grande do Sul valores de precipitação pluvial acima da média no período de outubro a dezembro. Essa hipótese reforça a ideia de que a mudança na precipitação seja apenas uma oscilação de causa natural, não necessariamente associada a uma mudança definitiva nos padrões pluviométricos. De acordo com os resultados encontrados, pode ser observar que ocorreram mudanças nas tendências dos valores de precipitação total anual, sendo essas associadas a causas naturais ou também devido a fatores antrópicos. Pesquisadores como Hooper et al. (2005), Santos e Brito (2007), Damé et al. (2013), afirmam que fatores antrópicos, como o desmatamento e uso indevido dos ecossistemas podem modificar o clima de uma região, contribuindo para as mudanças no sistema global. 4. CONCLUSÃO De acordo com os resultados obtidos pode-se concluir que: O teste paramétrico de t-student não apresentou resultado satisfatório no presente estudo, uma vez que não detectou aumento de tendência em nenhuma estação pluviométrica. O teste paramétrico de Regressão Linear foi fundamental para contribuir na análise das curvas de mesmo nome, minimizando os erros na tomada de decisão em projetos de engenharia. O teste não paramétrico Mann-Kendall identificou mudanças na tendência em quatro estações, indicando um aumento na precipitação total anual. Esse teste atualmente é o mais utilizado por diversos autores, sendo assim, possivelmente os seus resultados são mais confiáveis. O aumento da precipitação total anual nas séries temporais pode estar relacionado com os períodos de El Niño e La Niña. Entretanto, estudos mais específicos devem ser realizados para confirmar essa hipótese. REFERÊNCIAS ALEMAW, B. F.; CHAOKA, T. R (2002). Trends in the Flow Regime of the Southern African Rivers as visualized from Rescaled Adjusted Partial Sums (RAPS), African Journal of Science and Technology, v. 3, n. 1, p ALEXANDRE, G. R.; BAPTISTA, M. B.; NAGHETTINI, M. (2010). Estudo para Identificação de Tendências do Regime Pluvial na Região Metropolitana de Belo Horizonte a Partir de Métodos Estatísticos. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, v. 15, p BACK, A. J. (2001). Aplicação de análise estatística para identificação de tendências climáticas. Pesquisa Agropecuária Brasileira, v. 36, p BERLATO, M. A.; FARENZENA, H.; FONTANA, D. C. (2005). Associação entre El Niño Oscilação Sul e a produtividade do milho no Estado do Rio Grande do Sul. Pesquisa Agropecuária Brasileira, v. 40, p BERLATO, M. A.; FONTANA, D. C.; BONO, L. (1995). Tendência temporal da precipitação pluvial anual no Estado do Rio Grande do Sul. Revista Brasileira de Agrometeorologia, v. 3, p XIX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7

8 BESKOW, S.; CORRÊA, L. de L.; MAHL, M.; SIMÕES, M. C.; CALDEIRA, T. L.; NUNES, G. S.; LUCAS, E. H.; FARIA, L. C.; MELLO, C. R. (2013). Desenvolvimento de um sistema computacional de aquisição e análise de dados hidrológicos. In: XX Congresso Brasileiro de Recursos Hídricos, Anais..., Bento Gonçalves/RS. CHIEW, F.; SIRIWARDENA, L. (2005). Trend User Guide, CRC for Catchment Hydrology, Australia, 29 p. DAMÉ, R. de C. F.; TEIXEIRA, C. F. A.; BACELAR, L. C. S.; WINKLER, A. S.; SANTOS, J. P. dos (2013) Montonic trend and change points in Southern Brazil precipitation. Engenharia Agrícola, v. 33, p DOUGLAS, E. M.; VOGEL, R.M.; KROLL, C. N. (). Trends in floods and low flows in the United States: impact of spatial correlation. Journal of Hydrology, v. 240, p FONTANA, D. C.; BERLATO, M. A. (1997). Influência do El Niño: oscilação sul sobre a precipitação pluvial do Estado do Rio Grande do Sul. Revista Brasileira de Agrometeorologia, v. 5, p GOOSSENS, C.; BERGERA, A. (1986). Annual and seasonal climatic variations over the northem hemisphere and Europe the last century. Annales Geophysicae, v. 4, p 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, v. 75, p KARL, T. R.; KNIGHT, R. W.; EASTERLING, D. R.; QUAYLE, R. G. (1996). Indices of climate change for the United States. American Meteorological Society Bulletin, v. 77, p KENDAL, M. G. (1975). Rank correlation methods. 2 ed. New York: Hafner. LANG, M.; RENARD, B. (2007). Analyse régionale sur les extremes hydrométriques en France: détection de changements cohérents et recherche de causalité hydrologique. La Houille Blanche, v. 6, p MANN, H. B. (1945). Nonparametric tests against trend. Econometria, v.13, p NAGHETTINI, M. C.; PINTO, E. J. A. (2007). Hidrologia Estatística. Belo Horizonte Serviço Geológico do Brasil (CPRM), 561 p. NIMER, E. (1979). Climatologia do Brasil. Rio de Janeiro: IBGE, 422p. 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 Agrometeorologia, v. 22, p TUCCI, C. E. M. (2001). Hidrologia Ciência e Aplicação, 2a ed. Porto Alegre: Editora Universidade/ UFRGS: ABRH, 943 p. TUCCI, C. E. M.; BRAGA, B. (2003). Clima e Recursos Hídricos no Brasil. 1a ed. Porto Alegre: ABRH, 348 p. ULIANA, E. M.; SILVA, D. D. da; ULIANA, E. M.; RODRIGUES, B. S.; CORRÊDO, L. de. P. (2014). Análise de tendência em séries históricas de vazão e precipitação: uso de teste estatístico não paramétrico. Revista Ambiente & Água, v. 10, p XU, Z. X.; TAKEUCHI, K.; ISHIDAIRA, H. (2003). Monotonic trend and step changes in Japanese precipitation. Journal of Hydrology, v. 279, p XIX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8