UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO - USP Escola Politécnica - POLI Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental PHA Classificação Climática Balanço Hídrico Climatológico Arisvaldo V. Méllo Jr. Joaquin B. Garcia 216 1
Classificação Climática Clima: síntese de todos os elementos climáticos, em uma combinação singular, determinada pela interação dos controles e dos processos climáticos Finalidade: simplificar, esclarecer e compreender os padrões climáticos no planeta Atributos: Temperatura, UR, Vento, Precipitação, Radiação Controles climáticos: fatores que determinam os diferentes climas Correntes marítimas, Latitude, Altitude, Massas de ar, Continentalidade, Relevo, Tipo de solo, Circulação Efeito da atividade humana Modelos Flohn (195): zonas globais de vento e característica da precipitação Strahler (1969): massas de ar dominantes e características da precipitação Budyko (1956): balanço de energia Terjung e Louie (1972): balanço de energia Thornthwaite e Mather (1948) Koppen e Geiger (1936): temperatura e UR 2
Koppen e Geiger Código de letras que denota cada Tipo Climático Primeira letra: 5 grupos (A, B, C, D, E) que denotam a característica geral do clima Segunda letra: minúscula e denota particularidades do regime pluviométrico (quantidade e distribuição da precipitação) Se B ou E: a segunda letra também será maiúscula (B precipitação total anual; E temperatura média anual do ar) Terceira letra: minúscula C ou D - temperatura média mensal do ar dos meses mais quentes B temperatura média anual do ar 3
Indicador de Grupo ( Primeira Letra) 4
Indicador de Tipo (Segunda letra) 5
Indicador de Subtipo (Terceira letra) 6
Koppen e Greiger 1ª 2ª 3ª Descrição Critério A Tropical T cold 18 f - Floresta úmida, sem estação seca definida P dry 6 m - Monção Não (Af) e P dry 1 - MAP/25 w - Savana (chuvas de verão) Não (Af) e P dry < 1 MAP/25 B Árido MAP < 1 P limite W - Deserto MAP < 5 P limite S - Estepe MAP 5 P limite h - Quente MAT 18 k - Frio MAT < 18 C Temperado T hot > 1 e < T cold < 18 s - Verão seco P sdry < 4 e P sdry < P wwet /3 w - Inverno seco P wdry < P swet /1 f - Sem estação seca Não Cs ou Cw a - Verão quente T hot 22 b - Verão temperado Não a e T mon1 4 c - Verão frio e curto Não a ou b e 1 T mon1 < 4 MAP = precipitação anual (); MAT = temperatura média anual ( o C); T hot = temperatura do mês mais quente; Tcold = temperatura do mês mais frio; T mon1 = número de meses onde a temperatura é acima de 1; P dry = precipitação do mês mais seco; P sdry = precipitação do mês mais seco no verão; P wdry = precipitação do mês mais seco no inverno; P swet = precipitação do mês mais úmido no verão; P wwet = precipitação do mês mais úmido no inverno; P limite = varia de acordo com (se 7% MAP ocorro no inverno então P limite = 2 MAT; se 7% MAP ocorre no verão então P limite = 2 MAT + 28; caso contrário P limite = 2 MAT +14) Verão ( 6 meses mais quente); Inverno (seis meses mais frio) 7
Koppen e Greiger 1ª 2ª 3ª Descrição Critério D Temperado frio T hot > 1 e T cold s - Verão seco P sdry < 4 e P sdry < P wwet /3 w - Inverno seco P wdry < P swet /1 f - Sem estação seca Não Ds ou Dw a - Verão quente T hot 22 b - Verão temperado Não a e T mon1 4 c - Verão frio e curto Não a, b ou d d - Inverno muito frio Não a ou b e T cold < -38 E Polar T hot < 1 T - Tundra T hot > F - Geada T hot MAP = precipitação anual (); MAT = temperatura média anual ( o C); T hot = temperatura do mês mais quente ( o C); Tcold = temperatura do mês mais frio ( o C); T mon1 = número de meses onde a temperatura é acima de 1 o C; P dry = precipitação do mês mais seco; P sdry = precipitação do mês mais seco no verão; P wdry = precipitação do mês mais seco no inverno; P swet = precipitação do mês mais úmido no verão; P wwet = precipitação do mês mais úmido no inverno; P limite = varia de acordo com (se 7% MAP ocorro no inverno então P limite = 2 MAT; se 7% MAP ocorre no verão então P limite = 2 MAT + 28; caso contrário P limite = 2 MAT +14) Verão ( 6 meses mais quente); Inverno (seis meses mais frio) 8
Mês T ( o C) ETo () P () Jan 25,1 141,7 163 Fev 24,8 118,5 144 Mar 23,4 18,3 152 Abr 2, 69,3 152 Mai 17, 47,3 143 Jun 14,4 3,9 17 Jul 14,5 32,9 161 Ago 15,7 41,4 131 Set 16,9 5,5 152 Out 19,7 78,1 156 Nov 21,7 98,9 13 Dez 24,1 131,8 146 Total 19,8 949,5 18 Aplicação: Santa Maria, RS, latitude 29º42 S Verão = novembro a abril (23,18 o C) Inverno = maio a outubro (16,37 o C) MAP = 18 ; MAT = 19,8 o C P verão = 887 ; P inverno = 76 T hot = 25,1 o C; T cold = 14,4 o C P sdry = 13 ; P wdry = 131 P swet = 163 ; P wwet = 17 Clima A: Não (T cold 18) Condição:,7 18 = 126 P limite = 2 MAT + 14 = 53,6 Clima B: Não (MAP < 1 P limite = 536 ) Clima C: Sim (T hot > 1 e < T cold <18) s: Não (P sdry < 4 e P sdry < P wwet /3) w: Não (P wdry < P swet /1) f: Sim (Não é s ou w) a: Sim (T hot 22) Cfa: Temperado úmido, com verão quente MAP = precipitação anual (); MAT = temperatura média anual ( o C); T hot = temperatura do mês mais quente ( o C); Tcold = temperatura do mês mais frio ( o C); T mon1 = número de meses onde a temperatura é acima de 1 o C; P dry = precipitação do mês mais seco; P sdry = precipitação do mês mais seco no verão; P wdry = precipitação do mês mais seco no inverno; P swet = precipitação do mês mais úmido no verão; P wwet = precipitação do mês mais úmido no inverno; P limite = varia de acordo com (se 7% MAP ocorre no inverno então P limite = 2 MAT; se 7% MAP ocorre no verão então P limite = 2 MAT + 28; caso contrário P limite = 2 MAT +14) Verão (6 meses mais quente); Inverno (seis meses mais frio) 9
Fluxos componentes do balanço hídrico para condições naturais P ET O Ri Ro DLi ARM DLo AC DP Considerando-se um volume de controle de solo, o BH apresenta os seguintes fluxos (variação no intervalo de tempo considerado). 1
Entradas P = chuva O = orvalho Ri = escoamento (deflúvio) superficial DLi = escoamento sub-superficial AC = ascensão capilar Saídas ET = evapotranspiração Ro = escoamento (deflúvio) superficial DLo = escoamento sub-superficial DP = drenagem profunda Equacionando-se as entradas (+) e as saídas (-) de água do sistema, tem-se a variação de armazenamento de água no solo ARM = P + O + Ri + DLi + AC ET Ro DLo DP Ri Ro, DLi DLo, O e AC desprezíveis ARM = P ET DP Balanço de água no solo é por meio do método Thornthwaite e Mather (1955), denominado de Balanço Hídrico Climatológico, no qual a partir dos dados de P, de ETP e da CAD, chega-se aos valores de disponibilidade de água no solo (Armazenamento = ARM), de alteração do armazenamento de água do solo (ALT = ARM), de evapotranspiração real (ETR), de deficiência hídrica (DEF) e de excedente hídrico ( = DP). 11
Balanço hídrico climatológico O BHC elaborado com dados médios de P e ETP de uma região é denominado de BHC Normal. Esse tipo de BH é um indicador climatológico da disponibilidade hídrica na região, por meio da variação sazonal das condições do BH ao longo de um ano médio (cíclico), ou seja, dos períodos com deficiências e excedentes hídricos. As Informações são de cunho climático e, portanto, auxiliam no PLANEJAMENTO AGRÍCOLA. O BHC elaborado com dados de P e ETP de um período ou de uma sequência de períodos (meses, semanas, dias) de um ano específico para uma certa região é denominado de BHC Sequencial. Esse tipo de BH fornece a caracterização e variação sazonal das condições do BH (deficiências e excedentes) ao longo do período em questão. As informações são de grande importância para as TOMADAS DE DECISÃO. 12
Balanço hídrico climatológico Capacidade de água disponível no solo (CAD): representa a lâmina máxima de água que determinado tipo de solo pode reter em função de suas características físicohídricas umidade na capacidade de campo - cc umidade no ponto de murcha permanente - pmp massa específica do solo - dg profundidade efetiva do sistema radicular onde se concentram cerca de 8% das raízes - Zr pmp cc sat (cm 3 /cm 3 ) Água residual Água gravitacional Zr Z Capacidade de Água Disponível (CAD) 13
Determinação da CAD A partir das características físico-hídricas do solo CAD = CC PMP 1 dg Zr 1 CAD = capacidade de água disponível, CC% = umidade na capacidade de campo, % PMP% = umidade no ponto de murcha, % g cm 3 cm = g cm 2 1L 1 3 g 14 cm 2 1m 2 = 1 L m2 = 1 dg = massa específica do solo, g/cm 3 Zr = profundidade específica do sistema radicular, cm A partir das características gerais do solo (Doorenbos e Kassam, 1994) CAD = CADmédia * Zr CADmédia = capacidade de água disponível média, em de água por cm de profundidade de solo Zr = profundidade específica do sistema radicular, em cm CADmédia p/ solos argilosos = 2, /cm CAD média p/ solos de text. Média = 1,4 /cm CADmédia p/ solos arenosos =,6 /cm 14
Valores médios da profundidade efetiva dos sistemas radiculares (Zr) das principais culturas do Estado de São Paulo. Adaptado de Alfonsi et al. (199) Cultura Zr (cm) Hortaliças 1 a 2 Arroz, batata, feijão 2 a 3 Trigo 3 a 4 Milho e soja 4 a 5 Amendoim 5 a 6 Cana, citrus, cafeeiro 7 a 1 Espécies florestais 15 a 25 A partir das características gerais da cultura critério prático CAD = CADmédia * Zr CADmédia = 1,3 /cm OBS: Para fins climatológicos (determinação do BHC apenas para caracterização da disponibilidade hídrica regional) é muito comum a adoção de valores de CAD variando de 75 a 125. Dependendo da finalidade, valores mais específicos de CAD podem ser usados (exemplos: de 25 a 5 para hortaliças e olerícolas, de 5 a 1 para culturas anuais, de 75 a 125 para culturas perenes e de 15 a 3 para espécies florestais). 15
Exemplo de determinação do CAD Exemplo 1: CC = 32%, PMP = 2%, dg = 1,3 e Zr = 5 cm CAD = (32 2)/1 * 1,3 * 5 * 1 = 78 Solo Argiloso Solo Arenoso Exemplo 2: CC = 25%, PMP = 17%, dg = 1,2 e Zr = 5 cm CAD = (25 17)/1 * 1,2 * 5 * 1 = 48 Exemplo 3: Solo textura média CADmédia = 1,4 /cm e Zr = 5 cm Solo de textura média CAD = 1,4 * 5 = 7 Exemplo 4: Critério prático Critério prático CADmédia = 1,3 /cm e Zr = 5 cm CAD = 1,3 * 5 = 65 16
Reposição se (P ETo) Elaboração do BH Climatológico Inicialmente é necessário entender como o método proposto por T&M (1955) considera a retirada e a reposição de água do solo. Os autores adotaram uma função exponencial para a retirada de água do solo (ver esquema abaixo), ao passo que a reposição é direta, simplesmente somando-se ao armazenamento de água do solo o saldo positivo do balanço entre P e ETP [(P ETP) + ]. ARM/CAD 1 REPOSIÇÃO DE ÁGUA NO SOLO Sempre que houver valor de (P-ETP), esse valor deve ser somado ao ARM do período anterior e em função desse novo valor de ARM, calcula-se o novo NAc usando-se a seguinte expressão: Nac = CAD Ln (ARM/CAD) RETIRADA DE ÁGUA DO SOLO Nac = negativo acumulado = (P-ETP) < Sempre que houver valor de (P-ETP) <, esse valor deve ser acumulado e em função dele se calcula o ARM, usando-se a seguinte expressão: ARM = CAD e - NAc/CAD Nac/CAD Retirada se (P ETP) < 17
Algoritmo de cálculo de BH Climatológico (ano cíclico normal) 1. Calcular ETP: método mais adequado 2. Dado de P: médias mensais 3. Calcular (P ETP) 4. Determinação do Nac e do ARM Se (P ETP) < calcular Nac = (P-ETo) ARM = CAD e -Nac/CAD Se (P ETP) calcular primeiro ARM i = ARM i-1 + (P ETo) Nac i = - CAD Ln(ARM i /CAD) 5. Cálculo da Alteração (ALT = ARM) ALT = ARM i ARM i-1 ALT > reposição; ALT < retirada de água do solo 6. Determinação da ETR Se (P ETo) < ETR = P + ALT Se (P ETo) ETR = ETo 7. Determinação da DEF DEF = ETo - ETR 8. Determinação do Se ARM < CAD = Se ARM = CAD = (P ETo) - ALT 18
Balanço Hídrico Climatológico para Piracicaba (SP), com médias de 5 anos e CAD = 1 Nac e ARM Se (P ETP)<; Nac= (P-ETo) ; ARM = CAD e -Nac/CAD Se (P ETP) ; ARM = ARM i-1 + (P ETo); Nac = - CAD Ln(ARM/CAD) para (P-ETo) j+1 < ALT = ARM i ARM i-1 ETR: Se (P ETo) < ETR = P + ALT ; senão ETR = ETo DEF = ETo ETR Se ARM < CAD = ; senão = (P ETo) - ALT Mês T o C P ETo P-ETo Nac ARM ALT ETR DEF Jan 23,6 234 124 11 Fev 23,5 196 17 89 Mar 23,1 137 114 23 Abr 21,1 59 79-2 Mai 18,4 41 68-27 Jun 17, 4 6-2 Jul 16,7 23 67-44 Ago 18,5 27 87-6 Set 2,4 46 96-5 Out 21,5 121 125-4 Nov 22,5 138 132 6 Dez 23,2 195 131 64 1 1 17 89 Ano 2,8 1257 119 67 19
Balanço Hídrico Climatológico para Piracicaba (SP), com médias de 5 anos e CAD = 1 Nac e ARM Se (P ETP)<; Nac= (P-ETo) ; ARM = CAD e -Nac/CAD Se (P ETP) ; ARM = ARM i-1 + (P ETo); Nac = -CAD Ln(ARM/CAD) para (P-ETo) j+1 < ALT = ARM i ARM i-1 ETR: Se (P ETo) < ETR = P + ALT ; senão ETR = ETo DEF = ETo ETR Se ARM < CAD = ; senão = (P ETo) - ALT Mês T o C P ETo P-ETo Nac ARM ALT ETR DEF Jan 23,6 234 124 11 1 Fev 23,5 196 17 89 1 17 89 Mar 23,1 137 114 23 1 114 23 Abr 21,1 59 79-2 Mai 18,4 41 68-27 Jun 17, 4 6-2 Jul 16,7 23 67-44 Ago 18,5 27 87-6 Set 2,4 46 96-5 Out 21,5 121 125-4 Nov 22,5 138 132 6 Dez 23,2 195 131 64 2 81,9-18,1 77,1 1,9 Ano 2,8 1257 119 67 2
Balanço Hídrico Climatológico para Piracicaba (SP), com médias de 5 anos e CAD = 1 Nac e ARM Se (P ETP)<; Nac= (P-ETo) ; ARM = CAD e -Nac/CAD Se (P ETP) ; ARM = ARM i-1 + (P ETo); Nac = - CAD Ln(ARM/CAD) para (P-ETo) j+1 < ALT = ARM i ARM i-1 ETR: Se (P ETo) < ETR = P + ALT ; senão ETR = ETo DEF = ETo ETR Se ARM < CAD = ; senão = (P ETo) - ALT Mês T o C P ETo P-ETo Nac ARM ALT ETR DEF Jan 23,6 234 124 11 1 Fev 23,5 196 17 89 1 17 89 Mar 23,1 137 114 23 1 114 23 Abr 21,1 59 79-2 2 81,9-18,1 77,1 1,9 Mai 18,4 41 68-27 47 62,5-19,4 6,4 7,6 Jun 17, 4 6-2 67 51,2-11,3 51,3 8,7 Jul 16,7 23 67-44 111 33, -18,2 41,2 25,8 Ago 18,5 27 87-6 171 18,1-14,9 41,9 45,1 Set 2,4 46 96-5 221 11, -7,1 53,1 42,9 Out 21,5 121 125-4 225 1,5 -,4 121,4 3,6 Nov 22,5 138 132 6 179,9 16,5 6, 132 Dez 23,2 195 131 64 Ano 2,8 1257 119 67 21
Balanço Hídrico Climatológico para Piracicaba (SP), com médias de 5 anos e CAD = 1 Nac e ARM Se (P ETP)<; Nac= (P-ETo) ; ARM = CAD e -Nac/CAD Se (P ETP) ; ARM = ARM i-1 + (P ETo); Nac = - CAD Ln(ARM/CAD) para (P-ETo) j+1 < ALT = ARM i ARM i-1 ETR: Se (P ETo) < ETR = P + ALT ; senão ETR = ETo DEF = ETo ETR Se ARM < CAD = ; senão = (P ETo) - ALT Mês T o C P ETo P-ETo Nac ARM ALT ETR DEF Jan 23,6 234 124 11 1 19,5 124 9,5 Fev 23,5 196 17 89 1 17 89 Mar 23,1 137 114 23 1 114 23 Abr 21,1 59 79-2 2 81,9-18,1 77,1 1,9 Mai 18,4 41 68-27 47 62,5-19,4 6,4 7,6 Jun 17, 4 6-2 67 51,2-11,3 51,3 8,7 Jul 16,7 23 67-44 111 33, -18,2 41,2 25,8 Ago 18,5 27 87-6 171 18,1-14,9 41,9 45,1 Set 2,4 46 96-5 221 11, -7,1 53,1 42,9 Out 21,5 121 125-4 225 1,5 -,4 121,4 3,6 P = ETo + (P-ETP) 1257 = 119 + 67 = 1257 P = ETR + 1257 = 154,5 + 22,5 = 1257 ETo = ETR + DEF 119 = 154,5 + 135,5 = 119 ALT = Aferição do BH Nov 22,5 138 132 6 179,9 16,5 6, 132 Dez 23,2 195 131 64 21,6 8,5 64 131 Ano 2,8 1257 119 67 154,5 135,5 22,5 22
Representação gráfica do BHC 2 15 1 Posse, GO (1961-199) - CAD = 1 2 15 1 Posse, GO (1961-199) - CAD = 1 5-5 5-5 -1 Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez DEF(-1) -1 Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Deficiência Excedente Retirada Reposição Simplificada ( e DEF) Completa (, DEF, ALT) 23
Petrolina, PE (1961-199) - CAD = 1 Petrolina, PE (1961-199) - CAD = 1 15 1 5 15 1 5-5 -5-1 -1-15 Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez -15 Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez DEF(-1) Deficiência Excedente Retirada Reposição Passo Fundo, RS (1961-199) - CAD = 1 Passo Fundo, RS (1961-199) - CAD = 1 15 1 5-5 -1-15 Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez DEF(-1) 15 1 5-5 -1-15 Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Deficiência Excedente Retirada Reposição 24
Aplicações do BH Climatológico 2 15 1 Extrato do Balanço Hídrico Mensal 5 4 Extrato do Balanço Hídrico Mensal -5-1 3 2 1-1 -2 Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez DEF(-1) Extrato do Balanço Hídrico Mensal 1 8 6 4 2-2 -4-6 -8-1 Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez DEF(-1) -15 Caracterização regional da disponibilidade hídrica Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez DEF(-1) 4 2-2 -4-6 -8-1 -12-14 -16-18 35 3 25 2 15 1 5-5 -1 Extrato do Balanço Hídrico Mensal Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez DEF(-1) Extrato do Balanço Hídrico Mensal Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Extrato do Balanço Hídrico Mensal DEF(-1) 18 16 14 2 Extrato do Balanço Hídrico Mensal 12 1 15 8 6 1 4 5 2 Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez DEF(-1) -5 Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez DEF(-1) 25
Aplicações do Balanço Hídrico Climatológico A caracterização regional da disponibilidade hídrica do solo possibilita: A comparação dos climas de diferentes localidades A caracterização dos períodos secos/úmidos O planejamento agrícola (áreas aptas, época mais favorável de semeadura, sistema de cultivo, etc), baseado no zoneamento agroclimático 26
DEF DEF Balanço Hídrico Sequencial Utiliza-se dados de um período ou de uma sequência de períodos específicos (mensal, decendial -1 dias ou quinquidial - 5 dias) Iniciar o balanço somente quando houver uma seqüência de períodos com (P-ETP) > que seja suficiente para garantir ARM = CAD Ex: se deseja-se determinar o BHC sequencial a partir de janeiro de 25, é conveniente iniciar os cálculos em algum momento de 24 para garantir que o ARM de janeiro/25 seja o correto Possibilita o acompanhamento de AMR, DEF e para tomada de decisão em relação às práticas agrícolas: manejo do solo (,4 < ARM/CAD <,9), semeadura (ARM/CAD >,8) 12 Piracicaba, SP (24) - CAD = 1 12 Piracicaba, SP (24) - CAD = 1 1 8 DEF 1 8 DEF 6 6 4 2-2 -4-6 J F M A M J J A S O N D 4 2-2 -4-6 J1 J3 F2 M1 M3 A2 M1 M3 J2 J1 J3 A2 S1 S3 O2 N1 N3 D2 BHC Seqüencial Mensal BHC Seqüencial Decendial 27
Fim 28