espacializaÇÃo global dos climas Árido,marcelly da silva sampaio
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO
ICET/FAET/FAMEV/IB/ICHS
PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM RECURSOS HDRICOS
DESENVOLVIMENTO, AVALIAO E APLICAO DE UM ALGORITMO PARA
ESPACIALIZAO GLOBAL DOS CLIMAS RIDO, TROPICAL E TEMPERADO
MARCELLY DA SILVA SAMPAIO
CUIAB
2012
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MARCELLY DA SILVA SAMPAIO
DESENVOLVIMENTO, AVALIAO E APLICAO DE UM ALGORITMO PARA
ESPACIALIZAO GLOBAL DOS CLIMAS RIDO, TROPICAL E TEMPERADO
Dissertao apresentada banca de
qualificao como pr-requisito para a
obteno do ttulo de Mestre em Recursos
Hdricos pela Universidade Federal de Mato
Grosso.
Orientador: Prof. Ps-Doutor Marcelo de Carvalho Alves
Coorientadora: Luciana Sanches
CUIAB
2012
-
UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO
ICET/FAET/FAMEV/IB/ICHS
PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM RECURSOS HDRICOS
CERTIFICADO DE APROVAO
TTULO: DESENVOLVIMENTO, AVALIAO E APLICAO DE UM ALGORITMO
PARA ESPACIALIZAO GLOBAL DOS CLIMAS RIDO, TROPICAL E
TEMPERADO
Autora: Marcelly da Silva Sampaio
Orientador: Prof. Ps-Dr. Marcelo de Carvalho Alves
Comisso Examinadora:
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DEDICATRIA
A Deus, em primeiro lugar pela minha vida, por colocar pessoas especiais no meu
caminho e pela oportunidade de ter desenvolvido este trabalho. A minha famlia, pelo amor,
carinho, apoio constante emocional e financeiro e por sempre acreditar em mim em todos
os momentos de nossas vidas. Ao meu noivo, pelo amor, compreenso, pacincia, respeito e
dedicao em todos esses anos de convivncia.
-
AGRADECIMENTOS
Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientfico e Tecnolgico CNPq,
pelo auxlio financeiro de dois anos de bolsa de mestrado.
Ao Programa de Ps Graduao em Recursos Hdricos pela oportunidade de
realizao do curso de mestrado.
Ao professor Marcelo de Carvalho Alves, por me aceitar como orientada, pelo
conhecimento compartilhado e pela disponibilidade de tempo e pacincia para me ensinar e
orientar durante o curso de mestrado.
professora Luciana Sanches, pela orientao, compreenso, incentivo e ateno
durante o desenvolvimento deste trabalho.
Aos meus amigos, pelo companheirismo, apoio e incentivo para a realizao deste
trabalho.
A equipe do laboratrio de Sensoriamento Remoto e Geoinformao (Sergeo)
pela ajuda na conduo da pesquisa.
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EPGRAFE
A adversidade desperta em ns capacidades que, em circunstncias favorveis, teriam
ficado adormecidas.
Horcio
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RESUMO
Sistemas de classificao climtica so utilizados para caracterizar as variaes dos elementos
do clima em escala local, regional ou global, com a finalidade de delimitar as regies
climaticamente homogneas, para caracterizar o meio fsico e biolgico, como tambm para
distinguir as principais caractersticas do comportamento climtico. Dentre os diversos
sistemas de classificao existentes, destacam-se os desenvolvidos por Kppen-Geiger e
Thornthwaite. Ambos utilizaram elementos climticos diferentes para a classificao do
clima. Kppen-Geiger baseou-se em dados de vegetao, temperatura e precipitao. Por
outro lado Thornthwaite introduziu novos conceitos e fundamentou-se na evapotranspirao e
no balano hdrico, classificando o clima em escalas de umidade. O objetivo geral deste
trabalho foi desenvolver, avaliar e implementar um algoritmo para classificar os climas rido,
tropical e temperado da superfcie da Terra, baseando-se no ndice de umidade da
classificao climtica de Thornthwaite e nos limites climticos definidos pela classificao
climtica de Kppen, utilizando banco de dados geogrficos de mdia anual da temperatura
mdia do ar e de precipitao pluvial anual total. O algoritmo foi desenvolvido por etapas. Em
uma primeira anlise, dados de elementos meteorolgicos observados de 39 estaes do
INMET localizadas no estado de Minas Gerais e reas vizinhas foram utilizados para o
clculo do balano hdrico climatolgico, segundo a metodologia de Thornthwaite e Mather e
para a estimativa da evapotranspirao pelo mtodo de Penman-Monteith-FAO. A partir
desses valores foi calculado o ndice de umidade para cada uma das 39 estaes. Em seguida
desenvolveu-se um modelo de regresso linear mltipla com base na varivel dependente
ndice de umidade anual e variveis independentes como a mdia anual da temperatura media
do ar e precipitao pluvial anual total. Aps a gerao do modelo, avaliou-se sua
performance utilizando dados globais de temperatura do ar e precipitao pluvial de
superfcies climticas interpoladas de alta resoluo da superfcie terrestre, excluindo a regio
da Antrtica, para a espacializao do ndice de umidade estimado pelo algoritmo, em
ambiente SIG, para o perodo de 1950-2000 (dados do Worldclim) e para os perodos de1990-
2020, 2020-2050 e 2050-2080 (dados do CCCMA) de cenrios futuros de mudanas
climticas A2 e B2 do Painel Intergovernamental sobre Mudanas Climticas (IPCC AR3).
Com base no modelo de regresso linear mltipla desenvolvido, explicou-se
aproximadamente 92% (valor de R2) do comportamento do ndice de umidade por meio de
dados de precipitao pluvial e da temperatura do ar. O algoritmo apresentou boa
performance para a caracterizao de zonas terrestres com climas rido, tropical e temperado,
de acordo com a classificao de Kppen-Geiger pois os resultados foram correspondentes
aos encontrados na literatura pesquisada. Em relao aos estudos sobre mudanas climticas
observou-se que as condies de clima rido so previstas de aumentar severamente nos
perodos analisados, principalmente no cenrio de emisso A2 2080, considerado o cenrio mais pessimista. Considerando que existem ainda lacunas relevantes de conhecimento
atualmente disponvel sobre alguns aspectos de mitigao do clima, assim como sobre a
disponibilidade de dados climticos, o algoritmo desenvolvido e a metodologia utilizada para
avaliar a variabilidade climtica no presente estudo podem ser teis para reduzir as incertezas
sobre o clima atual e futuro, facilitando a tomada de decises relacionadas mitigao de
mudanas climticas.
Palavras chave: classificao climtica, regresso l inear mltipla, mudanas climticas.
__________________
* Comit de Orientao: Marcelo de Carvalho Alves UFMT (Orientador); Luciana Sanches
- UFMT (Coorientadora); Luiz Gonsaga de Carvalho - UFLA (Coorientador).
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ABSTRACT
Climate classification systems are used to characterize variations in the components of the
climate on a local, regional or global scale, in order to delimit homogeneous areas, to
characterize the biological and physical environment, but also to distinguish the key features
of climatic behavior. Among the several existing classification systems, stand out those
developed by Kppen-Geiger and Thornthwaite. Both used different climatic elements for
classification of climate. Kppen-Geiger was based on vegetation, temperature and
precipitation data. Moreover Thornthwaite has introduced new concepts and was based on the
evapotranspiration and water balance, classifying the climate on scales of moisture. The aim
of this study was to develop, evaluate and implement an algorithm to classify arid, tropical
and temperate climates of Earth's surface, based on the moisture index of the climatic
classification of Thornthwaite and in the climatic limits defined by Kppen-Geiger climatic
classification, using geographic database of average annual mean air temperature and total
rainfall. The algorithm was developed in stages. In a first analysis, meteorological elements
data observed from 39 INMET' stations located in the state of Minas Gerais and surrounding
areas were used for calculating the climatic water balance, following the method of
Thornthwaite and Mather and for estimation of evapotranspiration by the method of Penman-
Monteith-FAO. From these values we calculated the moisture index for each of the 39
stations. Then we developed the multiple linear regression model based on the annual
moisture index as dependent variable and independent variables as the mean annual average
air temperature and annual total rainfall. After generating the model, we evaluated its
performance using global data of air temperature and rainfall of high resolution interpolated
climate surfaces of land surface, excluding the region of Antarctica to the spatial distribution
of the moisture index estimated by the algorithm in a GIS environment , for the period 1950-
2000 (Worldclim data) and for the periods of 1990-2020, 2020-2050 and 2050-2080
(CCCMA data) of future climate change scenarios A2 and B2 of the Intergovernmental Panel
on Climate Change (IPCC AR3). Based on multiple linear regression model developed, it was
explained approximately 92% (R2 value) of the behavior of the moisture index by using data
of rainfall and air temperature. The algorithm showed good performance for the
characterization of terrestrial areas with arid, tropical and temperate climates, as the results
were corresponding to those found in the literature. Regarding the studies on climate change it
was observed that the conditions of arid climate increased sharply in the periods analyzed,
particularly in the A2 - 2080 emission scenario, considered the worst case scenario. Whereas
there are still gaps relevant to currently available knowledge on some aspects of climate
mitigation, as well as on the availability of climate data, the regression model developed and
the methodology used to assess climate variability in this study may be useful to reduce
uncertainties about the current climate and future, facilitating the decision-making related to
mitigation of climate change.
Keywords: climate classification, multiple linear regression model, climate change.
__________________
* Advising Committe: Marcelo de Carvalho Alves UFMT (Adviser); Luciana Sanches -
UFMT (Co-adviser); Luiz Gonsaga de Carvalho - UFLA (Co-adviser).
-
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Fluxograma da base de dados utilizada na modelagem. ........................................... 36
Figura 2. Linha de fronteira poltica do estado de Minas Gerais com a localizao das estaes
climatolgicas do INMET. ....................................................................................................... 37
Figura 3. Distribuio espacial das estaes meteorolgicas do WORDCLIM ....................... 38
Figura 4. Processamento dos dados das superfcies de alta resoluo. .................................... 39
Figura 5. Fluxograma do procedimento utilizado para a obteno das bases de dados do
modelo CCCMA para os Cenrios A2 e B2. ............................................................................ 41
Figura 6. Fluxograma do procedimento utilizado para a obteno do ndice de umidade anual
de Thornthwaite (Iu).. ............................................................................................................... 43
Figura 7. Fluxograma do desenvolvimento do modelo de regresso linear mltipla. .............. 45
Figura 8. Mapa da classificao climtica de Kppen-Geiger (PEEL et al., 2007). ................ 46
Figura 9. Fluxograma da implementao do modelo de regresso linear mltipla - Etapa 4. 47
Figura 10. Fluxograma do algoritmo desenvolvido para a classificao dos climas rido,
tropical e temperado da superfcie terrestre. ............................................................................. 48
Figura 11. Modelo de regresso linear desenvolvido para estimar o ndice de umidade de
Thornthwaite baseado em dados de temperatura e precipitao. ............................................. 49
Figura 12. Variabilidade espacial do ndice de umidade baseado em regresso linear (A) e co-
krigagem simples (B)................................................................................................................ 51
Figura 13 - Representao das estimativas do ndice de umidade de Thornthwaite, gerado pelo
modelo de regresso linear mltipla, referente ao perodo de 1950-2000. ............................... 52
Figura 14. Representao de estimativas do ndice de umidade de Thornthwaite, obtidas pelo
modelo de regresso linear mltipla, referente ao cenrio A2. ................................................ 56
Figura 15. Representao de estimativas do ndice de umidade de Thornthwaite, obtidas pelo
modelo de regresso linear mltipla, referente ao cenrio B2. ................................................ 57
Figura 16. Medidas das reas globais relacionadas aos tipos climticos de Thornthwaite para o
ndice de umidade estimado pelo modelo de regresso linear mltipla referente ao perodo de
1950-2000 e aos cenrios de mudanas climticas A2 e B2. ................................................... 64
-
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Principais tipos climticos da classificao de Kppen-Geiger. ............................. 19
Tabela 2. Tipos climticos de Thornthwaite. .......................................................................... 26
Tabela 3. Tipos climticos com base no ndice de umidade de Thornthwaite ......................... 43
Tabela 4. reas estimadas (km2) de estimativas do ndice de umidade referente aos cenrios
de 1950-2000, A2 e B2, de acordo com o tipo climtico (TC). ............................................... 55
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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
% Porcentagem
C Graus celsius
AMSR-E Advanced Scanning Radiometer
AR4 Fourth Assessment Report
b0 Intercepto da equao de regresso
b1, b2...bn Coeficientes das variveis independentes
BHC Balano Hdrico Climatolgico
CCCMA Canadian Centre for Climate Modelling and Analysis
Cenrios de
emisso do IPCC
A1
A1B
A1T
A1F1
A2
B1
B2
CGCM1 The First Generation Coupled Global Climate Model
CH4 Metano
CO2 Dixido de carbono
Def hid Dficit hdrico
EC Elementos climticos
ETo Evapotranspirao de Referncia
ETP Evapotranspirao Potencial
ETP-PM-FAO Evapotranspirao de referncia estimada pelo mtodo de Penman-
Monteith FAO
ETR Evapotranspirao Real
EUMETSAT European Organization for the Exploitation of Meteorological Satellites
Exc hid Excedente hdrico
FAO Food and Agriculture Organization
GAW Global Atmosphere Watch
-
GCM Global Climate Model
GMAO Global Modeling and Assimilation
h Hora
Ia ndice de aridez
ICRISAT International Crops Research Institute for the Semi-Arid Tropics
Ih ndice hdrico
INMET Instituto Nacional de Meteorologia
IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change
Iu ndice de Unidade
km2 Quilmetro quadrado
kPa Kilopascal
kPa C-1
Kilopascal por graus celsius
LSA-SAF Land Surface Analysis/ Satellite Application Facility
m s-1
Metros por segundo
mb milibar
MJ m2 dia
-1 Mega joule por metro quadrado por dia
mm Milmetros
mm dia-1
Milmetros por dia
MODIS Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer
MSG Meteosat Second Generation
n Nmero de variveis independentes
N2O xido nitroso
NDVI Normalized Difference Vegetation Index
OMM Organizao Meteorolgica Mundial
P Precipitao pluvial
PNUMA Programa das Naes Unidas para o Meio Ambiente
ppb Parte por bilho
ppm Parte por milho
ppmv Parte por milho por volume
R.M.S.E (Root-mean-square-error) Raiz quadrada mdia do erro
R2
Coeficiente de determinao
R2 Ajustado Coeficiente de determinao ajustado
Rn Radiao lquida na superfcie
-
SEVIRI Spinning Enhanced Visible and InfraRed Imager
SIG Sistema de Informao Geogrfica
SRES Special Report on Emissions Scenarios
T Temperatura
TAR Third Assessment Report
TC Tipos climticos
Tipos Climticos
de Kppen-Geiger
A Climas Tropicais Chuvosos
Af Clima tropical mido de floresta
Aw Clima tropical de savana
Am Clima tropical de mono
B Climas Secos
BSh Clima quente de estepe
BSk Clima frio de estepe
BWh Clima quente de deserto
BWk Clima frio de deserto
C Climas Temperados Chuvosos E Moderadamente Quentes
Cfa Clima temperado mido em todas as estaes e vero quente
Cfb Clima temperado mido em todas as estaes e vero
moderadamente quente
Cfc Clima temperado mido em todas as estaes e vero
moderadamente frio e curto
Cwa Clima temperado mido com inverno seco e vero quente (chuva
de vero)
Cwb Clima temperado mido com inverno seco e vero temperado
(chuva de vero)
Cwc Clima temperado mido com inverno seco e vero moderadamente
frio e curto (chuva de vero)
Csa Clima temperado mido com vero seco e quente (chuva de
inverno)
Csb Clima temperado mido com vero seco e moderadamente quente
(chuva de inverno)
D Climas Frios Com Neve-Floresta
Dfa Clima mido em todas as estaes e vero quente
-
Dfb Clima mido em todas as estaes e vero frio
Dfc Clima mido em todas as estaes e vero moderadamente frio e
curto
Dfd Clima mido em todas as estaes e inverno intenso
Dwa Clima temperado frio com inverno seco e vero quente (chuva de
vero)
Dwb Clima temperado frio com inverno seco e vero moderadamente
quente (chuva de vero)
Dwc Clima temperado frio com inverno seco e vero moderadamente
frio e curto (chuva de vero)
Dwd Clima temperado frio com inverno seco e intenso (chuva de vero)
E Climas Polares
ET Clima de Tundra
EF Clima de neve e gelo perptuo
Tipos climticos
de Thornthwaite
A Super-mido
B4 mido
B3 mido
B2 mido
B1 mido
C2 Submido
C1 Submido seco
D Semirido
E - rido
WMO World Meteorological Organization
WORDCLIM Global Climate Data
x1, x2...xn Variveis independentes
Valor da varivel dependente
-
SUMRIO
1. INTRODUO .................................................................................................................... 15
2. OBJETIVOS ......................................................................................................................... 17
2.1 Objetivo Geral ................................................................................................................. 17
2.2 Objetivos Especficos...................................................................................................... 17
3. REVISO BIBLIOGRFICA ............................................................................................. 18
3.1 Sistemas de Classificao Climtica ............................................................................... 18
3.2 Classificao Climtica de Kppen-Geiger .................................................................... 18
3.3 Classificao Climtica de Thornthwaite ....................................................................... 20
3.4 Evapotranspirao ........................................................................................................... 21
3.5 Balano Hdrico .............................................................................................................. 24
3.6 ndices de Umidade......................................................................................................... 25
3.7 Mudanas Climticas ...................................................................................................... 27
3.7.1 Cenrios Econmicos e Mudanas Climticas......................................................... 30
3.8 Sistemas de Informaes Geogrficas (SIGs)................................................................. 32
4. MATERIAL E MTODOS .................................................................................................. 36
4.1 Dados Utilizados ............................................................................................................. 36
4.1.1 Base de dados do INMET ........................................................................................ 36
4.1.2 Base de dados do Wordclim ..................................................................................... 37
4.1.3 Base de dados do CCCMA....................................................................................... 39
4.2 Processamento dos Dados Construo do Algoritmo .................................................. 41
4.2.1 Etapa 1: Clculo do ndice de umidade de Thornthwaite (Iu) .................................. 41
4.2.2 Etapa 2: Modelagem dos dados de ndice de umidade: Anlise de Regresso Linear
Mltipla ............................................................................................................................. 44
4.2.3 Etapa 3: Separao das regies climticas dos climas rido, tropical e temperado da
classificao climtica de Kppen-Geiger ........................................................................ 45
4.2.4 Etapa 4: Implementao do Modelo de Regresso Linear Mltipla: Classificao
das zonas climticas globais .............................................................................................. 46
5. RESULTADOS E DISCUSSO.......................................................................................... 49
6. CONCLUSO ...................................................................................................................... 67
REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ..................................................................................... 68
-
15
1. INTRODUO
O clima um importante elemento formador do ambiente planetrio que pode ser
entendido como as condies atmosfricas mdias de uma regio e caracterizado como um
fenmeno multivariado, uma vez que consequncia das interaes entre a atmosfera e a
superfcie terrestre. O clima influencia praticamente a maioria das atividades humanas, em
especial a agricultura, que est intensamente condicionada disponibilidade hdrica regional.
As variaes dos elementos do clima em escala global, regional e local, ao longo do tempo,
fazem parte da dinmica do sistema Terra-atmosfera, e o conhecimento das condies
climticas de uma determinada regio de extrema importncia para delimitar regies
climaticamente homogneas, estabelecer o meio fsico e biolgico e determinar as principais
caractersticas do clima. Os sistemas de classificaes climticas so utilizados para estes fins,
facilitando a troca de informaes e anlises posteriores para diferentes objetivos
(VIANELLO e ALVES, 1991).
A escolha dos parmetros a serem analisados para a classificao climtica
depende da disponibilidade de sries histricas de dados meteorolgicos observados. Os
elementos de temperatura e precipitao so muitas vezes utilizados nesses sistemas, porm
dados relacionados vegetao, altitude, latitude e umidade tambm orientaram algumas
classificaes climticas. (NBREGA, 2010).
Atualmente ndices de umidade tm sido amplamente utilizados para a
delimitao de regies climticas, pois alm de integrar os efeitos da temperatura e da
precipitao, sob o ponto de vista de disponibilidade hdrica, a estimativa da umidade de uma
determinada regio tem grande importncia e aplicabilidade, principalmente para as
atividades agrcolas e para o monitoramento dos recursos hdricos renovveis. Thornthwaite
em 1948 j afirmava que as deficincias e os excedentes de gua ao longo de um ano,
caracterizados por meio do balano hdrico, poderiam influenciar o clima de determinada
regio alterando as condies de umidade.
O desenvolvimento de pesquisas na rea de climatologia, principalmente em
relao classificao do clima, implica na utilizao de uma base de dados de
aproximadamente 30 anos. Desta forma, Sistema de Informao Geogrfica (SIG) tem sido
aplicado para este fim (CHAPMAN e THORNES, 2003; USTRNUL et al., 2005; ASHIQ et
al., 2010; LIU et al., 2011; WANG et al., 2011; KYLE et al., 2011) e os resultados
-
16
confirmaram a utilidade dessa ferramenta para construir mapas climticos em diferentes
escalas. De fato, SIG um sistema que apresenta um grande potencial no campo da anlise
espacial e modelagem geogrfica de conjuntos de dados espaciais, principalmente devido
sua capacidade de manipular, editar e armazenar uma grande quantidade de informaes
(GUIOMAR, 2005).
Desta forma, o conceito de classificao climtica tem sido aplicado a uma ampla
gama de temas de pesquisa sobre clima e mudanas climticas (LOHMANN et al., 1993;
BECK et al., 2005; FEDDEMA, 2005; KOTTEK et al., 2006; PEEL et al., 2007) e o
desenvolvimento de tcnicas relacionadas cincia geomtica permitiram avaliar as
mudanas climticas ocasionadas pela variao dos processos fsicos que regulam o clima no
planeta. Embora essas variaes possam ser oriundas de fontes internas e externas ao sistema
climtico ou em decorrncia das atividades humanas, elas esto associadas principalmente ao
aquecimento global induzido pelo aumento da emisso dos gases de efeito estufa que tem sido
o foco de uma multiplicidade de investigaes cientficas nas duas ltimas dcadas (JIANG et
al., 2007).
De acordo com o Painel Intergovernamental sobre Mudanas Climticas IPCC
(Intergovernmental Panel on Climate Change) (2007a) existe alta credibilidade de que, em
meados do sculo XXI, o escoamento anual dos rios e a disponibilidade de gua sejam
projetados para aumentar nas regies localizadas nas altas latitudes e em algumas reas
tropicais midas e diminuir em algumas regies secas e nas latitudes mdias e tropicais.
Muitas reas semiridas, como s localizadas na bacia do Mediterrneo, no oeste dos Estados
Unidos, na frica do Sul e no nordeste do Brasil sofrero uma diminuio dos recursos
hdricos devido s mudanas climticas.
Nesse contexto, considerando a falta de longas sries de registros de elementos
meteorolgicos observados necessrios para a caracterizao do clima de uma regio em
particular, ou em escala global, bem como para aplicao dos dados de simulaes climticas
do IPCC, tornou-se necessrio desenvolver uma ferramenta mais racional para a classificao
climtica, assim como para o estudo sobre mudanas climticas com base em dados
disponveis. Esta ferramenta ser til para auxiliar na delimitao e mapeamento dos
diferentes tipos climticos e na reprodutibilidade facilitada do conhecimento adquirido em
centros de pesquisas e universidades, assim como na tomada de deciso para favorecer a
implementao de estudos sobre o efeito de mudanas climticas.
-
17
2. OBJETIVOS
2.1 Objetivo Geral
Objetivou-se neste trabalho desenvolver, avaliar e implementar um algoritmo
baseando-se no ndice de umidade da classificao climtica de Thornthwaite e em dados de
temperatura do ar e precipitao pluvial para classificar os climas rido, tropical e temperado
definidos pela classificao de Kppen-Geiger para estudos de mudanas climticas.
2.2 Objetivos Especficos
Como objetivos especficos tm-se:
Desenvolver um modelo de regresso linear mltipla para classificar o clima baseado
em dados de temperatura do ar, precipitao pluvial e no ndice de umidade de
Thornthwaite.
Utilizar os limites das regies climticas definidas pela classificao climtica de
Kppen-Geiger para separar as regies de climas rido, tropical e temperado.
Utilizar superfcies climticas interpoladas de alta resoluo da mdia anual da
temperatura mdia do ar e da precipitao pluvial anual para implementar a
classificao climtica proposta.
Implementar o algoritmo desenvolvido para o mapear as regies climticas da
superfcie terrestre para o perodo de 1950-2000 e para cenrios futuros de mudanas
climticas.
Avaliar os resultados obtidos com base em resultados de pesquisas semelhantes
encontradas na literatura.
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18
3. REVISO BIBLIOGRFICA
3.1 Sistemas de Classificao Climtica
Os sistemas de classificao climtica tm sido largamente aplicados com a
finalidade de definir as diferentes caractersticas climticas locais, regionais e globais a partir
da anlise do maior nmero possvel de elementos meteorolgicos para a diviso dos climas
do Planeta em grupos distintos, em sua maioria identificados por nomes e/ou smbolos.
Entretanto, pela natureza multivariada do clima, a orientao para a questo sobre a sua
classificao deve considerar aspectos relacionados escala, aos objetivos e aos dados
disponveis, tanto em termos de distribuio espacial, como em durao e confiabilidade
(MENDONA e DANNI-OLIVEIRA, 2007).
Obedecendo a critrios recomendados pela Organizao Meteorolgica Mundial -
OMM, uma classificao deve ser aplicada a longas sries estatsticas de dados
meteorolgicos de diferentes localidades, conhecidas como Normais Climatolgicas, que so
obtidas por meio do clculo das mdias desses dados e se referem a perodos padronizados de
30 anos (MENDONA e DANNI-OLIVEIRA, 2007).
De modo geral, os critrios utilizados nos principais sistemas de classificao
climtica variam entre precipitao, temperatura do ar, massas de ar, vegetao e umidade. A
validade destas vrias abordagens deve ser medida em termos do sucesso desses sistemas para
atender os objetivos da realizao de classificaes climticas (NBREGA, 2010).
Dentre esses objetivos destacam-se: a simplificao ou generalizao dos dados
climticos; a possibilidade de uma descrio concisa do clima em termos dos fatores
verdadeiramente ativos (ou seja, fatores que influenciam diretamente na caracterizao do
clima); o provimento de um meio pelo qual regies climticas podem ser identificadas e
mapeadas; a aplicabilidade em diferentes escalas; e o fornecimento de subsdios para estudos
sobre as causas das variaes climticas observadas (NBREGA, 2010).
Dentre os diversos sistemas de classificao climtica existentes, destacam-se os
desenvolvidos por Kppen-Geiger e Thornthwaite (VIANELLO e ALVES, 1991).
3.2 Classificao Climtica de Kppen-Geiger
-
19
A primeira classificao dos climas do mundo foi apresentada por Wladimir
Kppen em 1901 (VIANELLO e ALVES, 1991) e posteriormente atualizada com a
contribuio de Rudolf Geiger. A classificao climtica global de Kppen-Geiger considerou
que a vegetao natural de cada grande regio da Terra essencialmente uma expresso do
clima nela prevalecente, pois fundamentou-se nos cinco grupos de vegetao determinado no
mapa de vegetao global, pelo botnico francs De Candolle, referindo-se s zonas
climticas dos antigos gregos (KPPEN, 1948). Esses grupos de vegetao de Kppen
distinguem-se entre as plantas da zona equatorial (A), da zona rida (B), da zona quente
temperada (C), da zona de neves (D) e da zona polar (E). Na determinao dos tipos
climticos, foram considerados a sazonalidade e os valores mdios anuais e mensais da
temperatura do ar e da precipitao pluvial, em que a segunda letra considera a precipitao e
uma terceira letra considera a temperatura do ar (KOTTEK et al., 2006).
Assim, o modelo compreende um conjunto de letras maisculas e minsculas para
designar os grandes grupos climticos, os subgrupos ou ainda as subdivises que indicam
caractersticas especiais sazonais (TABELA 1).
Tabela 1. Principais tipos climticos da classificao de Kppen-Geiger (MENDONA e DANNI-OLIVEIRA,
2007; VIANELLO e ALVES 1991).
A CLIMAS TROPICAIS CHUVOSOS
Af Clima tropical mido de floresta
Aw Clima tropical de savana
Am Clima tropical de mono
B CLIMAS SECOS
BSh Clima quente de estepe
BSk Clima frio de estepe
BWh Clima quente de deserto
BWk Clima frio de deserto
C CLIMAS TEMPERADOS CHUVOSOS E MODERADAMENTE QUENTES
Cfa Clima temperado mido em todas as estaes e vero quente
Cfb Clima temperado mido em todas as estaes e vero moderadamente quente
Cfc Clima temperado mido em todas as estaes e vero moderadamente frio e curto
Cwa Clima temperado mido com inverno seco e vero quente (chuva de vero)
Cwb Clima temperado mido com inverno seco e vero temperado (chuva de vero)
Cwc Clima temperado mido com inverno seco e vero moderadamente frio e curto
(chuva de vero)
Csa Clima temperado mido com vero seco e quente (chuva de inverno) Csb Clima temperado mido com vero seco e moderadamente quente (chuva de inverno)
D CLIMAS FRIOS COM NEVE-FLORESTA
Dfa Clima mido em todas as estaes e vero quente
Dfb Clima mido em todas as estaes e vero frio
Dfc Clima mido em todas as estaes e vero moderadamente frio e curto
Dfd Clima mido em todas as estaes e inverno intenso
Dwa Clima temperado frio com inverno seco e vero quente (chuva de vero)
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Dwb Clima temperado frio com inverno seco e vero moderadamente quente (chuva de
vero)
Dwc Clima temperado frio com inverno seco e vero moderadamente frio e curto (chuva
de vero)
Dwd Clima temperado frio com inverno seco e intenso (chuva de vero)
E CLIMAS POLARES
ET Clima de Tundra
EF Clima de neve e gelo perptuo
Estudos recentes apresentaram atualizaes do mapa climtico de Kppen-Geiger
produzidos em diferentes resolues, tipos e perodos de registro de dados e nveis de
complexidade (KALKOVA et al., 2003; GNANADESIKAN e STOUFFER, 2006; KOTTEK
et al., 2006). Entretanto, o trabalho mais abrangente foi desenvolvido por Pell et al. (2007)
que apresentou um mapa com 31 tipos climticos e com resoluo 0,1 de latitude por 0,1 de
longitude, baseando-se em dados de estaes meteorolgicas globais para todo o perodo de
registro.
A caracterizao do clima uma ferramenta importante que pode fornecer
informaes inerentes vulnerabilidade de recursos hdricos de uma determinada regio local
ou global. Neste sentido a classificao climtica de Kppen-Geiger tem sido aplicada para
orientar zoneamentos climticos que prope a criao de zonas agroclimticas que possam
oferecer os melhores benefcios, tanto econmicos quanto ambientais, subsidiando a adoo
de tcnicas adequadas para o gerenciamento da irrigao das culturas agrcolas, assim como
proporcionando o conhecimento da variabilidade da distribuio dos recursos hdricos ao
longo da superfcie (WHITE et al., 2001; ROLIM et al., 2007; S-JUNIOR et al., 2011).
3.3 Classificao Climtica de Thornthwaite
Concomitante aos estudos de Kppen, Thornthwaite e Holsman (1941) atestaram
que a ausncia de dados sobre evaporao e transpirao contribua para um atraso na anlise
de muitos problemas climticos. E devido inexistncia de tcnicas satisfatrias para a
determinao da perda de umidade, Thornthwaite (1948) introduziu o conceito de balano
hdrico climatolgico e de evapotranspirao potencial, assim como mtodos elaborados que
possibilitam a sua quantificao e estimativa. Em sua proposta, o autor ainda introduziu a
eficincia da temperatura e de precipitao efetiva, alm de tomar como base para sua
classificao o ndice de umidade e de evapotranspirao potencial.
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Embora a classificao climtica de Kppen-Geiger seja a mais utilizada em
estudos climticos, a classificao de Thornthwaite citada como um melhor sistema por sua
abordagem racional, principalmente para a seleo dos valores de temperatura e precipitao
para as diferentes zonas climticas (VIANELLO e ALVES, 1991; FEDDEMA, 2005; ROLIM
et al., 2007). No entanto, esta classificao pouco utilizada, pois tende a ser muito complexa
para uso em ajustes dirios e mapas globais dessa classificao so difceis de serem
produzidos (FEDDEMA, 2005).
Feddema (2005) apresentou mapas globais dos ndices de Thornthwaite,
realizando uma reviso dos tipos climticos para facilitar a reprodutibilidade do mtodo, e
utilizando uma verso modificada do ndice de umidade para a definio de um ndice de
sazonalidade sensvel variao mdia sazonal em ambas as condies trmicas e de
umidade. Izzo et al. (2010) utilizaram a classificao de Thornthwaite para o mapeamento
climtico da Repblica Dominicana e concluram que o territrio estava vulnervel prticas
de uso extensivo e intensivo do solo, devido aos climas rido e semirido predominantes,
apresentando implicaes significativas quanto ao suprimento de gua tanto para o
abastecimento pblico, quanto para irrigao.
A maioria dos sistemas de classificao climtica existentes apresenta falhas por
considerar apenas um elemento ou um critrio para a identificao dos diferentes tipos
climticos do globo. O fator trmico utilizado para reconhecer os principais tipos climticos
define com dificuldade os climas ridos, sendo necessrio considerar a umidade. Nesse
sentido, as principais regies climticas da classificao climtica de Kppen-Geiger foram
definidas levando em considerao as temperaturas dos meses mais frios e quentes como
fatores preponderantes, para determinar os valores crticos (ou seja, temperaturas mximas e
mnimas). Contudo, na delimitao de climas ridos, considerou-se o emprego da
precipitao. De forma semelhante, Thornthwaite acreditava que a umidade era um fator
verdadeiramente ativo para explicar as variaes climticas, porm para definir os climas frios
foi necessria a considerao da temperatura (NBREGA, 2010).
3.4 Evapotranspirao
Evapotranspirao a perda de gua resultante da combinao dos processos de
evaporao da superfcie do solo e transpirao das plantas. A evaporao engloba a
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converso da gua lquida em vapor, removida de uma superfcie evaporante em funo da
quantidade de energia e da disponibilidade de gua da superfcie, assim como do gradiente de
presso entre a superfcie e o ar adjacente. O processo de transpirao consiste na vaporizao
da gua lquida contida nos tecidos das plantas para a atmosfera, predominantemente por
meio dos estmatos (ALLEN et al., 1998). O estmato atua como um regulador fundamental
da taxa de transpirao, juntamente com a camada de ar adjacente folha (CARDOSO, 2009).
Para a avaliao do balano hdrico climatolgico de uma regio, necessrio
introduzir os diferentes conceitos de evapotranspirao. A evapotranspirao potencial (ETP)
pode ser considerada como a gua utilizada por uma extensa superfcie vegetada, em
crescimento ativo e cobrindo totalmente um terreno bem suprido de umidade, sem restrio de
falta de gua no solo. A evapotranspirao real (ETR) ocorre numa superfcie vegetada,
independente de sua rea, de seu porte e das condies de umidade do solo, ocorrendo em
qualquer circunstncia, sem imposio de qualquer condio de contorno. A
evapotranspirao de referncia (ETo) pode ser entendida como aquela de uma extensa
superfcie, coberta totalmente por grama com altura de 0,08 a 0,15 m, em crescimento ativo e
sem deficincia hdrica (TOMASELLA e ROSSATO, 2005).
Diante dos diversos mtodos desenvolvidos por cientistas e especialistas em todo
o mundo para a estimativa da evapotranspirao potencial a partir de diferentes elementos
climticos, a Food and Agriculture Organization of the United Nations - FAO recomenda o
uso do mtodo de Penman-Monteith por oferecer os melhores resultados, com menor erro
possvel, em relao a uma cultura de referncia. Este mtodo foi originalmente proposto para
a estimativa da evapotranspirao de referncia para manejo de irrigao (ALLEN et al.,
1998), no entanto, seu uso prtico restrito pelas exigncias de muitos elementos do clima.
Para resolver este problema, alguns trabalhos tm avaliado tcnicas alternativas
como o emprego de dados climticos limitados para a estimao da evapotranspirao de
referncia pelo mtodo de Penman-Monteith-FAO. Dados climticos perdidos so
mensurados a partir de dados existentes, seja pela aplicao de anlise espacial em SIG, ou
por modelagem fsica e matemtica, fornecendo resultados aceitveis para diferentes
condies climticas (POPOVA et al., 2006; CAI et al., 2007; SENTELHAS et al., 2010;
ROCHA et al., 2011).
O uso da cincia geomtica relacionada a aplicaes de inteligncia
computacional, SIG, sensoriamento remoto e tcnicas de anlise espacial, possibilitou o
aumento da aquisio, armazenamento, acesso, anlise, transformao e representao de
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dados climticos ao longo do espao e do tempo (MEIRELLES et al., 2007). Recentes
estudos demonstraram que redes neurais e a lgica fuzzy tm sido empregadas com melhor
desempenho do que os mtodos estatsticos tradicionais, melhorando os resultados de
pesquisas relacionadas com a determinao de campos de precipitao (LAUZON et al.,
2006), eliminao de rudo nas imagens (QIN e YANG, 2007), bem como na modelagem do
processo de evapotranspirao (ODHIAMBO et al., 2001a, b; OZKAN, 2011).
Rahimikhoob (2010) usou redes neurais artificiais para estimar a
evapotranspirao de referncia, para reas tropicais midas do sudeste do Iran, baseando-se
somente em dados de temperatura mxima e mnima do ar e radiao extraterrestre. Os
resultados encontrados foram semelhantes aos obtidos pelo mtodo de Penman-Monteith-
FAO que foi empregado como referncia para a avaliao da performance do modelo,
demonstrando grande aplicabilidade da anlise de inteligncia artificial quando apenas dados
de temperatura do ar so conhecidos.
Anlise de regresso linear mltipla tambm tem sido aplicada na estimativa de
elementos climatolgicos (JEDIDI et al., 2009; CHEN et al., 2010). Marti et al. (2011)
apresentaram diferentes abordagens com base em regresso linear simples, regresso linear
mltipla e redes neurais artificiais na anlise de estimativa da evapotranspirao de referncia
alcanando resultados muitos similares e acurados com a utilizao desses dois ltimos
mtodos.
Tcnicas avanadas relacionadas com a utilizao de SIG tm utilizado
superfcies de alta resoluo e produtos dos sensores de satlites para gerar superfcies de
evapotranspirao global que possam fornecer dados dirios ou em tempo real. Mu et al.
(2009) desenvolveram um modelo para estimar a evapotranspirao pela abordagem de
Penman-Monteith com base em dados de vegetao derivados do sensor MODIS (Moderate
Resolution Imaging Spectroradiometer), dados de dficit de presso de vapor e temperatura
do ar orientados pelo sensor AMSR-E (Advanced Microwave Scanning Radiometer); e dados
de temperatura do ar, umidade e radiao solar derivados do sensor GMAO (Global Modeling
and Assimilation). Os resultados indicaram um potencial significativo para o mapeamento
regional e monitoramento dirio da superfcie de evapotranspirao da Terra usando
informaes sinrgicas, a partir de dados de sensoriamento remoto.
Recentemente foi publicada a ltima verso do modelo de Mu et al. (2011), onde
foi melhorada a gerao de produtos em escala global de evapotranspirao anual,
evapotranspirao com a durao de 8 dias e em tempo real fornecendo informaes crticas
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dos ciclos terrestres globais de gua e energia e mudanas ambientais. Ghilain et al. (2011)
apresentaram um modelo desenvolvido na estrutura do EUMETSAT (European Organisation
for the Exploitation of Meteorological Satellites). O modelo um esquema simplificado de
transferncia Solo-Vegetao-Atmosfera que utiliza como dados de entrada dos produtos da
LSA-SAF (Land Surface Analysis Satellite Application Facility) adotando resoluo
espacial do instrumento SEVIRI (Spinning Enhanced Visible and InfraRed Imager) a bordo
do satlite MSG (Meteosat Second Generation). Os mapas de evapotranspirao so
produzidos a cada 30 minutos, em tempo real, para todas as condies do tempo.
A evapotranspirao um componente importante no ciclo hidrolgico e est
diretamente conectada com o balano de energia, mas pela dificuldade de observao da
mesma em escala regional ou continental, ainda no potencialmente conhecida. A correta
quantificao da evapotranspirao poder contribuir para um melhor conhecimento do ciclo
hidrolgico, assim como, para a quantificao de mudanas futuras nas variveis hidrolgicas
intrnsecas a este ciclo (GHILAIN et al. 2011).
3.5 Balano Hdrico
O balano hdrico climatolgico (BHC) a somatria das quantidades de gua
que entram e saem de certa poro do solo em um determinado intervalo de tempo. O
resultado a quantidade lquida de gua que nele permanece disponvel s plantas. O clculo
do balano hdrico foi introduzido por Thornthwaite (1948) para quantificar e estudar o fator
hdrico, assim como um recurso para superar as limitaes da classificao climtica proposta
por Kppen em 1901, que at ento se baseava em dados de temperatura e precipitao como
a melhor expresso da totalidade do clima.
Posteriormente, Thornthwaite e Mather (1955) revisaram a metodologia do BHC
apresentando modificaes em relao capacidade de armazenamento de gua no solo. Este
modelo visa calcular as entradas e sadas de gua no sistema solo-planta, considerando a
capacidade de armazenamento de gua do solo, dados de precipitao pluvial e
evapotranspirao. No entanto os dados de evapotranspirao so mais escassos que os de
temperatura e precipitao, ainda nos dia atuais, o que dificulta a sua utilizao em alguns
sistemas de classificao climtica.
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O mtodo proposto por Thornthwaite e Mather (1955) tem sido amplamente
utilizado para identificar locais onde possa ocorrer um maior rendimento de culturas agrcolas
(DE SOUZA et al., 2006, KAPUR et al., 2010), para a estimao de parmetros climticos a
fim de estabelecer comparaes entre as condies predominantes (SRIDHAR e HUBBARD,
2010), na avaliao espao-temporal da evapotranspirao (GAO et al., 2011), em estudos de
investigao de impactos das mudanas climticas sobre a disponibilidade hdrica
(GRUNDSTEIN, 2009; FERREIRA et al., 2010; KAPUR et al., 2010) e na modelagem
hidrolgica do escoamento superficial de bacias hidrogrficas (JIANG et al., 2007;
COLLICK, 2009).
O BHC possibilita a previso da variao temporal do armazenamento de gua no
solo, abrangendo estimativas do dficit e excedente hdrico, assim como da evapotranspirao
real, pois considera que a taxa de perda de gua por evapotranspirao varia linearmente com
o armazenamento de gua no solo (TOMASELLA e ROSSATO, 2005). Uma descrio
detalhada do BHC proposto por Thornthwaite e Mather pode ser encontrada em Vianello e
Alves (1991) e ICRISAT (1980).
3.6 ndices de Umidade
ndices de umidade so utilizados para avaliar a eficcia da precipitao em um
determinado local, ou seja, se a demanda climtica de gua para o suprimento de uma
determinada rea maior ou menor que a precipitao que nela acontece. Esses ndices tm
sido usados para agregar os efeitos da temperatura do ar e precipitao em muitos estudos
climticos (FEDDEMA, 2005; YANG et al., 2005; YANLING et al., 2008, NASTOS et al.,
2011). Como podem ser derivados a partir de dados normalmente disponveis tais como a
temperatura anual mdia e precipitao total anual, os ndices de umidade so adequados para
estudos de longo prazo (GRUNDSTEIN, 2009); tambm tem sido utilizado para avaliar a
variao no regime de umidade de determinados locais (MANIKANDAN et al., 2009,
KAPUR et al., 2010), assim como, em estudos de distribuio da vegetao em escala global
(SUZUKI et al., 2006).
Thornthwaite (1948) desenvolveu um ndice de umidade por meio da relao
entre evapotranspirao potencial e precipitao constatando que quando a deficincia de
gua maior em relao evapotranspirao potencial, o clima torna-se mais rido; quando o
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excesso de gua maior, o clima torna-se mais mido. Como excesso e deficincia hdrica
ocorrem em diferentes estaes do ano na maioria dos lugares, ambos participam da formao
do ndice de umidade, um afetando positivamente, e o outro negativamente. Desta forma, por
meio do balano hdrico climatolgico, Thornthwaite calculou a relao entre excesso e
deficincia hdrica e evapotranspirao potencial o que resultou respectivamente em ndice
hdrico e de aridez.
Embora o excesso de gua em uma estao no possa prevenir uma deficincia em
outra estao, pode segundo Thornthwaite, certamente compensar em parte, uma vez que o
excesso aumenta a disponibilidade de gua. Assim Thornthwaite (1948) definiu que o excesso
de 6 polegadas em uma estao poderia compensar uma deficincia de 10 polegadas em outra
estao e utilizou esta proporo no clculo do ndice de umidade. Este ndice foi usado por
Thornthwaite para classificar o clima em 9 tipos climticos, numa escala de umidade que
varia de rido ao supermido, conforme Tabela 2.
Tabela 2. Tipos climticos de Thornthwaite (THORNTHWAITE, 1948).
Tipos Climticos ndice de Umidade (Iu)
A - Super-mido Iu 100
B4 mido 80 Iu < 100
B3 mido 60 Iu < 80
B2 mido 40 Iu < 60
B1 mido 20 Iu < 40
C2 - Sub-mido 0 Iu < 20
C1 - Sub-mido seco -20 Iu < 0
D - Semi-rido -40 Iu < -20
E rido -60 Iu < -40
Da mesma forma que o BHC, o ndice de umidade de Thornthwaite tambm foi
aperfeioado por Thornthwaite e Mather (1955) passando a ser igualmente ponderado pelos
ndices hdricos e de aridez, de forma que os limites de umidades para os climas secos foram
modificados.
O ndice de umidade de Thornthwaite e Mather (1955) tem sido largamente
utilizado em estudos climticos. Carvalho et al. (2010) utilizaram geoestatstica multivariada
na caracterizao climtica do estado de Minas Gerais para analisar a variabilidade espacial
do ndice de umidade de Thornthwaite e outros parmetros por meio de mapas de cokrigagem
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simples universal. Em estudos agroclimticos, este ndice tem apresentado maior
sensibilidade na separao das zonas climticas tanto em topo quanto em mesoescala em
relao ao sistema de Kppen-Geiger, que se desenvolve melhor quando aplicado em macro
escala (ROLIM et al., 2007; CUNHA e MARTINS, 2009).
O ndice de umidade de Thornthwaite tambm tem sido aplicado em estudos sobre
mudanas climticas. Lopes e Osman (2010) avaliaram a interferncia das novas condies
climticas no movimento das fundaes dos edifcios (sapatas) por meio do clculo deste
ndice de umidade e desenvolveram mapas de isolinhas do ndice de umidade de Thornthwaite
para o estado de Victria (Austrlia), para 3 perodos de 20 anos entre 1948 e 2007. Os
autores verificaram que a regio vem experimentando condies de climas secos nos ltimos
60 anos e que em longo prazo, edifcios construdos em perfis de argila, em climas mais
secos, experimentaro maior movimento na fundao devido a maior profundidade de
umidade do solo.
Park et al. (2011), analisaram o impacto potencial do retorno da vegetao sobre
as mudanas na aridez do clima de vero, sobre influncia da duplicao da concentrao de
CO2 (dixido de carbono) atmosfrico para os Estados Unidos usando um conjunto de
simulaes climticas de 100 anos por meio de um modelo climtico global interativamente
acoplado a um modelo de vegetao dinmica. O ndice de umidade de Thornthwaite foi
usado para determinar a aridez nos climas. A atmosfera mais quente e a superfcie mais seca
resultante do aumento na concentrao de CO2 aumentaram a aridez no clima sobre a maior
parte dos Estados Unidos, devido ao maior incremento da evapotranspirao em relao
precipitao, porm o retorno da vegetao aliviou significativamente o aumento da aridez.
3.7 Mudanas Climticas
Nas ltimas dcadas o interesse pelo estudo de mudanas climticas, tem crescido
substancialmente, sobretudo, em funo das alteraes climticas j registradas ao longo dos
ltimos anos, destacando-se aumentos de temperatura, maior frequncia e intensidade de
eventos climticos extremos, condies de secas, tempestades e inundaes, variaes nos
regimes de chuvas, que controlam a produtividade dos sistemas naturais e agrcolas; a
frequncia dos incndios florestais, retrao de geleiras e elevao do nvel do oceano
(DODSON et al., 2007).
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28
As pesquisas em mudanas climticas buscam prover o conhecimento necessrio
para subsidiar a tomada de decises na construo de estratgias de avaliao de riscos e
aes de adaptao s mudanas que j iniciaram e mitigao. Desde a dcada de 1980,
evidncias cientficas sobre mudanas climticas em nvel global despertaram o interesse
crescente no pblico e na comunidade cientfica em geral. A OMM e o Programa das Naes
Unidas para o Meio Ambiente (PNUMA) estabeleceram o Painel Intergovernamental em
Mudanas Climticas (IPCC - Intergovernamental Panel on Climate Change), encarregado de
apoiar trabalhos cientficos na rea de avaliaes do clima e cenrios de mudanas climticas
para o futuro.
O Terceiro Relatrio Cientfico do IPCC TAR (Third Assessment Report)
publicado em 2001, j havia demonstrado um aumento de 0,6 C (2) na temperatura mdia
da superfcie global desde 1860 at o ano 2000 (perodo de registro). Alm disso, muito
provvel que os anos 1990s foram dcada mais quente, e que 1998 foi o ano mais quente de
todo o perodo observacional (desde 1861). O TAR tambm relatou uma diminuio em
aproximadamente 10% na cobertura de neve e gelo desde 1960 e que o nvel mdio do mar
aumentou globalmente (IPCC, 2001).
O TAR evidenciou que as mudanas observadas no clima so pouco provveis
devido variabilidade interna do clima, ou seja, a capacidade do clima de produzir variaes
de considervel magnitude ao longo prazo sem forantes externas. As mudanas observadas
so devido a uma combinao de efeitos antropognicos e forantes naturais. As contribuies
das atividades humanas foram determinantes no aquecimento global no perodo avaliado. As
emisses de gases de efeito estufa e aerossis devido a atividades humanas continuam a
alterar a atmosfera e consequentemente o clima, enquanto que os fatores naturais
contriburam, em pequena escala, na forante radiativa no sculo passado (IPCC, 2001).
O Quarto Relatrio Cientfico do IPCC AR4 (Fourth Assessment Report)
(2007c) publicado em 2007 apresentou evidncias de mudanas climticas, especialmente nos
extremos climticos que podem afetar significativamente o planeta, principalmente, os pases
menos desenvolvidos de regies tropicais. As avaliaes observadas e as projees climticas
para o futuro mostraram evidncias e tendncias de agravamento do aquecimento global e
aumento de temperatura.
O termo mudanas climticas, segundo o IPCC (2007c), refere-se a qualquer
alterao no clima ao longo do tempo, seja devido variabilidade natural ou como resultado
da atividade humana. As alteraes nas concentraes dos gases de efeito estufa e aerossis
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29
presentes na atmosfera, na radiao solar e nas propriedades da superfcie terrestre
caracterizam alteraes que afetam o equilbrio energtico do sistema climtico. Estas
alteraes so expressas em termos da forante radiativa, que usada para comparar a forma
como uma srie de fatores humanos e naturais influencia no aquecimento ou resfriamento
sobre os climas globais.
A forante radiativa uma medida da influncia que um fator tem para alterar o
equilbrio energtico de entrada e sada no sistema Terra-atmosfera, sendo um ndice da
importncia do fator como um mecanismo de variao climtica potencial. A fora positiva
tende a aquecer a superfcie, enquanto a fora negativa tende a resfri-la. A forante radiativa
combinada devido aos aumentos das concentraes de dixido de carbono (CO2), metano
(CH4) e xido nitroso (N2O) produzem um efeito de aquecimento enquanto que as
contribuies antrpicas para os aerossis (principalmente sulfato, carbono orgnico, carbono
negro, nitrato e poeira), juntos, produzem um efeito de resfriamento (IPCC, 2007c).
As concentraes atmosfricas globais de CO2, CH4 e N2O aumentaram
significativamente como resultado das atividades humanas desde 1750 e agora excedem em
muito os valores pr-industriais determinados a partir de ncleos de gelo. Os aumentos
globais na concentrao de CO2 se devem principalmente ao uso de combustveis fsseis e
mudanas no uso da terra, enquanto as de CH4 e N2O so principalmente devido agricultura
(IPCC, 2007c).
Neste sentido, sistemas de classificao climtica tm sido utilizados para avaliar
a intensidade e distribuio das alteraes do clima no futuro, assim como para estimar a
magnitude dos possveis impactos no ecossistema terrestre. Izzo et al. (2010), Lopes e Osman
(2010) e Kapur et al. (2010) demonstraram por meio do ndice de umidade de Thornthwaite
uma diminuio de reas midas nas regies da Repblica Dominicana no perodo de 1971-
2000, da Austrlia no perodo de 1948-2007, e do Sul da Itlia para os prximos 100 anos,
respectivamente, devido ao aumento da aridez em funo da elevao da temperatura do ar e
consequentemente do aumento da evapotranspirao. Destacando a necessidade de medidas
polticas apropriadas para minimizar no futuro, a demanda de gua para a irrigao de culturas
agrcolas. Em um estudo semelhante desenvolvido ao longo dos ltimos 110 anos (1895-
2005), Grundstein (2009) encontrou resultados opostos para os Estados Unidos, pois observou
que apesar do padro de aumento de temperatura do ar, as regies sul, nordeste e nordeste
central deste pas tornaram-se mais midas.
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De um modo geral, as pesquisas realizadas atualmente acordam que o aumento da
temperatura devido s alteraes climticas est mudando significativamente os padres
globais de distribuio e intensidade da precipitao, de forma que a evapotranspirao tem se
tornado uma ferramenta til para a avaliao dos impactos na superfcie terrestre. O mtodo
de Thornthwaite para estimativa da evapotranspirao potencial tem sido empregado para a
avaliao espao-temporal da aridez (NASTOS et al., 2011), como tambm na modelagem da
estimativa de recursos hdricos renovveis em condies de mudanas climticas para o
perodo de 2080-2099 sob condies do cenrio A1B. Nesse ltimo caso, os resultados
indicaram que a mdia anual de volume de recursos hdricos renovveis para a cidade de
Taiwan diminuiu 12,3%, comparao com a mdia do perodo de 1949-2000 (TSAI e
HUANG, 2011).
Cardoso (2009) utilizou modelos regionais de clima-vegetao para o estudo da
variabilidade espacial e temporal dos componentes da evapotranspirao para o Brasil, por
meio de anlise harmnica, comparando as condies atuais com projees futuras sobre
influencia de mudanas climticas do cenrio A2. Segundo o autor, houve diminuio da
evapotranspirao nas regies Central e Amaznica devido provavelmente substituio da
vegetao de floresta por vegetao de cerrado.
O potencial impacto das mudanas da vegetao para a reconstruo e previso do
sistema climtico da atmosfera de importncia substancial, devido grande rea de terra
afetada e persistncia da cobertura vegetal por vrios anos. Neste sentido, Wang e Overland,
(2004) utilizaram estimativas de ndice de vegetao por diferenas normalizadas (NDVI -
Normalized Difference Vegetation Index) por meio de imagens de satlite e da classificao
de Kppen para realizar o acompanhamento desta mudana em uma ampla base do rtico. Os
autores verificaram que houve uma diminuio significativa na vegetao de tundra nos
ltimos 100 anos que afetou a extenso do subtipo climtico polar de tundra na regio,
principalmente nos anos 90s, demonstrando que o impacto do aquecimento nesta poca foi o
mais forte no sculo XX, corroborando com os resultados do TAR.
3.7.1 Cenrios Econmicos e Mudanas Climticas
Um dos principais avanos na avaliao das projees climticas o grande
nmero de simulaes disponveis a partir de uma gama mais ampla de modelos, que em
conjunto com informaes adicionais fornecem uma base quantitativa para estimar
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31
probabilidades de muitos aspectos futuros de alteraes climticas. Os modelos climticos so
usados como ferramentas para projees de futuras mudanas do clima, como consequncia
de futuros cenrios de forantes climticas (MARENGO e SOARES, 2003).
A fim de determinar como o clima pode mudar no futuro, necessrio o
conhecimento das concentraes de certos componentes atmosfricos, como vapor de gua,
CO2, CH4 e N2O (os gases do efeito estufa) que influenciam no balano energtico da Terra,
pois absorvem ondas longas (calor) que a radiao emitida pela superfcie da Terra e
reemitem essa energia, elevando a temperatura da superfcie. Embora estes gases de efeito
estufa ocorram naturalmente, as atividades humanas desde o incio da revoluo industrial
resultaram em grandes aumentos nessas concentraes, e agora amplamente aceito que isso
tem influenciado o clima global (IPCC, 2000).
O IPCC por meio do Relatrio Especial em Cenrios de Emisso (Special Report
on Emission Scenarios SRES) estabeleceu cenrios econmicos de mudanas climticas que
abrangem um leque de futuros possveis e servem como condies iniciais e forantes para o
estudo das projees do clima. Estes cenrios abrangem diferentes etapas de desenvolvimento
demogrfico, tecnolgico e econmico que podem influenciar as emisses futuras de gases do
efeito estufa. So cenrios ilustrativos com diferentes atuaes da forante radiativa, como
por exemplo, concentraes diferenciadas de CO2 e aerossis relacionados utilizao ou no
de combustveis fsseis, entre outros. Para subsidiar estudos que buscam reproduzir ou
modelar as projees climticas foram definidas duas famlias de cenrios: os cenrios da
famlia A e os da famlia B (IPCC, 2000):
Cenrio A1 descreve um mundo futuro de crescimento econmico muito
rpido, a populao global atingindo um pico em meados do sculo XXI e um
declnio em seguida e a rpida introduo de tecnologias novas e mais eficientes.
Os principais temas subjacentes so a convergncia entre as regies, capacitao e
aumento das interaes culturais e sociais, com uma reduo substancial das
diferenas regionais na renda per capita. A famlia do cenrio A1 se subdivide em
3 grupos de acordo com as direes alternativas do sistema energtico: A1FI
utilizao intensiva de fsseis; A1T utilizao de fontes de energia no fsseis;
A1B um equilbrio entre todas as fontes.
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32
Cenrio A2 descreve um mundo muito heterogneo. O tema subjacente a
autossuficincia e a preservao das identidades locais. Os padres de fertilidade
entre as regies convergem muito lentamente, o que resulta no contnuo aumento
da populao. O desenvolvimento econmico orientado principalmente para a
regio e por isso o crescimento econmico per capita e as mudanas tecnolgicas
so mais lentas e fragmentadas do que em outros cenrios.
Cenrios B1 descrevem um mundo convergente com a mesma populao
global, que atinge o pico em meados do sculo XXI e declina em seguida, como
no cenrio A1, mas com uma mudana rpida nas estruturas econmicas em
direo a uma economia de servios e informaes, com redues da intensidade
de material e a introduo de tecnologias limpas e recursos eficientes. A nfase
est nas solues globais para a sustentabilidade econmica, social e ambiental,
incluindo a melhoria da equidade, mas sem iniciativas climticas adicionais.
Cenrio B2 descreve um mundo no qual a nfase est em solues locais para
a sustentabilidade econmica, social e ambiental. um mundo com contnuo
aumento da populao, mas, a uma taxa inferior ao A2. Apresenta nveis
intermedirios de desenvolvimento econmico e mudanas tecnolgicas menos
rpidas e mais diversas do que os cenrios A1 e B1. Embora o cenrio seja
orientado pela proteo ambiental e equidade social, isso focado apenas em
nveis local e regional.
De um modo geral, os cenrios de emisses tm sido utilizados em uma variedade
de estudos climticos. Sheffield e Woods (2008) avaliaram as mudanas futuras em
decorrncia de secas por meio do estudo da umidade do solo para os cenrios A1B, A2 e B1
do SRES para a superfcie terrestre. Keim et al. (2011) avaliaram a hidroclimatologia da
regio centro-norte da Costa do Golfo do Mxico utilizando registros climticos histricos de
temperatura do ar e precipitao, assim como dos cenrios de emisso A1B e B1, onde
verificaram um aumento na temperatura de aproximadamente 1,5C 1 e um possvel declnio
da precipitao anual.
3.8 Sistemas de Informaes Geogrficas (SIGs)
-
33
Os sistemas de informaes correspondem a conjuntos especficos para a
manipulao de dados que operam sobre informaes e naturezas geogrficas, ou seja, dados
que incluam referncias e localizaes no espao, chamados de dados geogrficos
(GUIOMAR, 2005). Os SIGs correspondem s ferramentas tecnolgicas utilizadas para
realizar anlises com dados geogrficos por meio de procedimentos computacionais
permitindo o entendimento e anlise da ocupao do meio fsico (SILVA, 2003).
Burrough citado por Gomarasca (2010) definiu SIG pela primeira vez em 1986
como um conjunto poderoso de ferramentas para coletar, armazenar, recuperar, transformar e
visualizar dados espaciais do mundo real. Entretanto um SIG pode tambm ser considerado
como um sistema de suporte deciso, envolvendo a integrao de dados espaciais
referenciados em um ambiente de resoluo de problemas (COWEN, 1988).
Os fenmenos relacionados ao mundo real, segundo Sinton (1978), podem ser
descritos de forma espacial, quando a variao muda de lugar para lugar; de forma temporal,
quando a variao muda com o tempo; e de forma temtica, quando a variao detectada por
meio de mudanas de caractersticas. Em conjunto, estas 3 formas de se observar os
fenmenos que ocorrem na superfcie da terra so denominadas dados espaciais, que so
utilizados para representar graficamente os elementos geogrficos.
Como os SIGs so utilizados para a manipulao de dados extensos, de grandes
volumes, possuem estruturas complexas e um banco de dados que garante a consistncia e
integridade do armazenamento dos dados e de seus inter-relacionamentos, e que tambm
permite a implementao de meios convenientes e eficientes para a consulta, recuperao de
dados e computao das informaes contidas na base (MEIRELLES et al., 2007).
De acordo com Cmara et al. (2001), a estrutura geral de um SIG possui os
seguintes componentes que se inter-relacionam de forma hierrquica: interface com usurio,
entrada e integrao de dados, funes de consulta e anlise espacial, visualizao e plotagem,
armazenamento e recuperao de dados (organizados sob a forma de um banco de dados
geogrficos). No nvel mais prximo ao usurio, a interface homem-mquina define como o
sistema operado e controlado. No nvel intermedirio, um SIG deve ter mecanismos de
processamento de dados espaciais (entrada, edio, anlise, visualizao e sada). No nvel
mais interno do sistema, a gerncia de bancos de dados geogrficos oferece armazenamento e
recuperao dos dados espaciais e seus atributos.
De modo geral, pode-se dizer que um SIG um sistema que apresenta um grande
potencial na anlise espacial. Podem ser encarados como um meio de armazenar, editar e
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34
manipular as informaes sobre as caractersticas da superfcie da Terra, assim como, servir
para o estudo de processos ambientais, para a anlise de tendncias, para o estudo de
fenmenos de comportamento espao-temporal ou ainda para a simulao de possveis
cenrios resultantes de determinadas decises ao nvel de planejamento e ordenamento do
territrio (GUIOMAR, 2005).
Atualmente, SIG tem se tornado uma soluo til para a gesto de vastos
conjuntos de dados espaciais do clima para um grande nmero de aplicaes, uma vez que
fenmenos climatolgicos e meteorolgicos so natural e espacialmente variveis
(CHAPMAN e THORNES, 2003). A obteno de valores de elementos climticos, por
exemplo, onde as estaes de medio esto ausentes, por meio de tcnicas de interpolao
que transformam valores pontais em superfcies contidas no limite da malha de pontos
considerada, tem sido largamente aplicada. Esta tcnica integrada pelo SIG, que possibilita a
utilizao de procedimentos para a obteno de cartografia georreferenciada, contribuindo de
forma significativa para a climatologia (TVEITO et al., 2006).
Chapman e Thornes (2003) apresentaram uma reviso do papel do SIG na
climatologia e meteorologia, onde discutiram mtodos utilizados para obteno e refinamento
de dados sobre o clima; e analisaram a aplicao de SIG e conjuntos de dados climticos
espaciais em diversas reas do conhecimento, inclusive em mudanas climticas. Os autores
verificaram um aumento do uso de SIG em uma variedade de aplicaes que envolvem dados
climticos, devido entre outros fatores, aos grandes avanos na capacidade de processamento
do computador, o desenvolvimento de novas tecnologias e a proliferao da internet.
As influncias naturais e antropognicas sobre o clima global estimularam o
desenvolvimento de modelos capazes de reproduzir o clima contemporneo mdio e sua
variabilidade, assim como de explorar cenrios de mudanas climticas futuras. Esses
modelos envolvem a representao realista dos principais componentes do sistema climtico e
suas interaes (FLATO et al., 2000). Em geral a compreenso dos impactos das mudanas
climticas nos sistemas biolgicos representa um desafio e requer a modelagem de sistemas
complexos, por meio da anlise de Modelos Climticos Globais (Global Climate Model -
GCM).
Entretanto, segundo Liu et al. (2001) as projees dos GCM fornecem apenas
informaes de resoluo grosseira que no adequado para aplicaes locais. Desta forma os
SIGs tm o potencial de proporcionar uma maior capacidade para a avaliao das mudanas
climticas, por meio da tcnica de downscaling, utilizadas como tcnica de regionalizao que
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35
traduzem as projees de mudanas climticas de uma escala grosseira para a uma escala
relevante para estudos de impactos regionais com vrios esforos de modelagem fenolgica
que se traduzem em ndices de variveis climticas (LIU et al., 2011).
Neste sentido tcnicas de downscaling, bem como superfcies climticas globais
interpoladas de alta resoluo para diferentes perodos de normais climatolgicas, tm sido
desenvolvidas levando em considerao variveis climticas como precipitao (ASHIQ et
al., 2010; CHEN et al., 2010), ou ambos temperatura do ar e precipitao (HIJMANS et al.,
2005; RAMIRES-VILLEGAS e JARVIS 2010) que podem ser utilizadas um muitas
aplicaes, assim como em estudos sobre mudanas climticas.
Neste sentido, Liu et al. (2011) desenvolveram um SIG baseado em ferramenta de
avaliao de risco para a visualizao de impactos das mudanas climticas nas indstrias
agrcolas e avaliao de estratgias de adaptao eventuais. Wang et al. (2011) utilizaram SIG
combinado com um modelo de simulao de disponibilidade de gua para irrigao para
avaliar o padro de cultivo em condies climticas e cenrios futuros diferentes de
disponibilidade de gua para irrigao para uma das reas de irrigao mais importantes da
Austrlia, a Murrumbidgee Irrigation Area.
-
36
4. MATERIAL E MTODOS
4.1 Dados Utilizados
Na realizao deste trabalho foram utilizadas trs bases de dados da superfcie
terrestre (FIGURA 1). Em uma primeira anlise os dados de elementos meteorolgicos
observados pelo INMET (Instituto Nacional de Meteorologia) foram utilizados para o
desenvolvimento de um modelo de regresso linear mltipla. Em seguida foram utilizados
dados globais de superfcies de alta resoluo da superfcie terrestre, excluindo a regio da
Antrtica, para a implementao e anlise da performance do modelo. Nesta etapa o modelo
de regresso linear foi analisado com os dados do modelo climtico desenvolvido pelo
WORLDCLIM referente ao perodo de 1950-2000 e com os dados do modelo climtico
desenvolvido pelo CCCMA referente ao perodo de 1990-2020, 2020-2050 e 2050-2080 dos
cenrios futuros de mudanas climticas.
Figura 1. Fluxograma da base de dados utilizada na modelagem.
4.1.1 Base de dados do INMET
A base de dados do INMET foi constituda de 39 estaes climatolgicas, sendo
30 localizadas no Estado de Minas Gerais, 4 situadas no Estado de So Paulo, 2 localizadas
no Estado da Bahia, 1 no Estado do Esprito Santo, 1 no Estado do Rio de Janeiro e 1 no
Distrito Federal (FIGURA 2), onde foram obtidos dados primrios, ou seja as mdias de cada
estao, apresentados em normais climatolgicas, a partir do perodo mdio de 1961 a 1990
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37
(BRASIL, 1992), publicadas pelo prprio INMET e disponibilizadas mundialmente pela
OMM dos seguintes elementos climticos:
- precipitao pluvial mensal (mm);
- temperatura mensal mdia, mxima e mnima do ar (C);
- umidade relativa mensal (%);
- presso atmosfrica mensal (mb);
- velocidade do vento mensal (m s-1
);
- insolao mensal (h);
Figura 2. Linha de fronteira poltica do estado de Minas Gerais com a localizao das estaes climatolgicas
do INMET.
4.1.2 Base de dados do Wordclim
Os dados globais foram compilados de superfcies climticas interpoladas de alta
resoluo para reas globais terrestres, referentes ao perodo de 1950-2000 e originaram-se do
banco de dados climatolgico digital disponibilizado gratuitamente pelo WORLDCLIM -
GLOBAL CLIMATE DATA (HIJMANS et al., 2005). Nesta base de dados foram criadas
superfcies interpoladas mensais de dados de precipitao pluvial (mm) e temperatura mdia,
mxima e mnima do ar (C), oriundos de estaes climatolgicas dispostas em todo o mundo
-
38
(FIGURA 3). Essa superfcie tem resoluo espacial de 30 segundos de arco, o que
equivalente a aproximadamente 0,86 km2 no equador e menos em outros lugares, sendo
comumente referido como resoluo de 1 km2.
Figura 3. Distribuio espacial das estaes meteorolgicas do WORDCLIM (pontos vermelhos) a partir do
qual os dados foram utilizados na interpolao. (A) Dados de precipitao pluvial em mm (47 554
estaes); (B) Dados de temperatura mxima em C (24 542 estaes); (C) Dados de temperatura
mnima em C (14 930 estaes) (HIJMANS et al., 2005).
-
39
Neste trabalho foram utilizadas somente as superfcies mensais mdias de
temperatura do ar e precipitao pluvial. Os arquivos, em formato raster, disponibilizam os
dados na forma de mdias mensais para os 12 meses do perodo de 1950-2000. O modelo
desenvolvido neste trabalho foi alimentado por mdia anual da temperatura mdia do ar e
precipitao pluvial mdia anual. Desta forma, para a obteno desses valores, foi necessria
a realizao da mdia aritmtica entre os 12 arquivos em ambiente SIG, por meio da aplicao
da lgebra de mapas resultando em um nico arquivo de mdia anual. Em relao
precipitao pluvial, os 12 arquivos dos dados mensais mdios foram somados, tambm em
ambiente SIG, para a obteno de um arquivo de precipitao anual total mdia (FIGURA 4).
Figura 4. Processamento dos dados das superfcies de alta resoluo.
4.1.3 Base de dados do CCCMA
Os dados referentes aos cenrios futuros de mudanas climticas originaram-se do
banco de dados climatolgico digital disponibilizado gratuitamente pela CCCMA - Canadian
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40
Centre for Climate Modelling and Analysis. Neste trabalho foram utilizados dados do modelo
CGCM1 (The first generation coupled global climate model) (FLATO et al., 2000) referente
ao TAR. Esse modelo representa o efeito radiativo lquido de todos os gases de efeito estufa
por meio de uma concentrao "equivalente" de CO2. Essa concentrao necessariamente
maior do que as concentraes de CO2 observadas, uma vez que representa uma forante para
o clima.
Em simulaes de mudanas climticas, a alterao na concentrao dos gases de
efeito estufa representada no modelo como uma perturbao em relao concentrao
equivalente de CO2. Como referncia utiliza-se o valor de 330 ppmv (parte por milho por
volume) e as simulaes de mudanas climticas envolvem mudanas em relao a este valor.
Para o cenrio A2 as concentraes de CO2 so 585 ppmv, 779 ppmv e 1050 ppmv para os
perodos de 1990-2020, 2020-2050 e 2050-2080, respectivamente. Para o cenrio B2 as
concentraes de CO2 so 578 ppmv, 700 ppmv e 823 ppmv para os perodos de 1990-2020,
2020-2050 e 2050-2080, respectivamente (IPCC, 2000).
Os cenrios A2 e B2 abrangem o perodo de 1990-2100. Para a obteno dos
dados, esses cenrios do modelo CGCM1 foram relacionados com os perodos de 2020, 2050
e 2080, aplicando a tcnica de downscaling para 1km2, de acordo com a metodologia de
superfcies climticas de alta resoluo de Hijmans et al. (2005). Esse modelo disponibiliza
dados simulados de vrios elementos climticos sendo utilizados neste trabalho apenas os
arquivos referentes aos dados mensais de temperatura mdia do ar (C) e precipitao pluvial
(mm).
Para a obteno da mdia anual da temperatura mdia do ar, foi necessria a
realizao da mdia aritmtica entre os 12 arquivos em ambiente SIG, por meio da aplicao
da lgebra de mapas resultando em um nico arquivo de mdia anual para cada um dos trs
perodos (2020, 2050, 2080) de estudos de cada cenrio de emisso. Em relao precipitao
pluvial, os arquivos dos dados mensais mdios foram somados, tambm em ambiente SIG,
para a obteno de um arquivo de precipitao mdia anual total para cada cenrio de emisso
(FIGURA 4).
-
41
Figura 5. Fluxograma do procedimento utilizado para a obteno das bases de dados do modelo CCCMA para
os Cenrios A2 e B2.
4.2 Processamento dos Dados Construo do Algoritmo
A construo do algoritmo foi feita em quatro etapas. Na primeira etapa realizou-
se o clculo do ndice de umidade de Thornthwaite, na segunda etapa desenvolveu-se a
modelagem dos dados por meio de tcnicas de regresso linear mltipla. Na terceira etapa
realizou-se a separao das regies climticas referentes aos climas rido, tropical e
temperado da classificao climtica de Kppen-Geiger mapeados para a superfcie terrestre.
Na quarta etapa realizou-se a implementao do algoritmo e espacializao do ndice de
umidade.
4.2.1 Etapa 1: Clculo do ndice de umidade de Thornthwaite (Iu)
Iniciou-se o clculo do ndice de umidade pela obteno da evapotranspirao a
partir da base de dados do INMET para as 39 estaes (Figura 2), pelo mtodo de Penman-
Monteith-FAO (ALLEN et al., 1998), cuja equao bsica dada pela equao 1:
0, 08 -
900
-
1 0, Equao (1)
-
42
em que: ETo a evapotranspirao de referncia (mm dia-1
); Rn a radiao lquida na
superfcie (MJ m2 dia
-1); G o fluxo de calor no solo (MJ m
2 dia
-1); T a mdia diria da
temperatura do ar a 2 m de altura (C); U2 a velocidade do vento a 2 m de altura (m s-1
); es
a presso da saturao de vapor (kPa); ea a presso de vapor atual (kPa); es - ea o dficit de
saturao de vapor (kPa); a inclinao da curva da presso de vapor versus temperatura
(kPa C-1
) e a constante psicromtrica (kPa C-1).
Com base nos dados de evapotranspirao, realizou-se a elaborao do Balano
Hdrico segundo Thornthwaite e Mather (1955) para todas as 39 localidades (FIGURA 2). Da
mesma forma como Carvalho et al. (2008), a ETo, estimada pelo mtodo Penman-Monteith-
FAO ficou denominada, para os propsitos deste trabalho, de evapotranspirao potencial
por ser o atual estudo de natureza climatolgica e deste modo foi considerada no clculo do
BHC. A capacidade de gua disponvel no solo adotada para o clculo do BHC foi de 100
mm, sendo a mais usual para efeito de estudos climatolgicos de acordo com Vianello e Alves
(1991).
Aps a gerao do BHC para cada localidade, tomaram-se os totais anuais da
evapotranspirao potencial, deficincia hdrica e excedente hdrico para os clculos dos
ndices de umidade para cada localidade conforme as equaes 2, 3 e 4 (THORNTWAITHE e
MATHER, 1955).
Equao (2)
Equao (3)
em que: Ih o ndice hdrico; Ia o ndice de aridez; Exc hid o excedente de hdrico obtido
pelo BHC; Def hid o dficit hdrico obtido pelo BHC; e ETP a evapotranspirao
potencial.
Equao (4)
em que: Iu o ndice de umidade total.
Um fluxograma com um resumo desses procedimentos apresentado na Figura 6.
-
43
Figura 6. Fluxograma do procedimento utilizado para a obteno do ndice de umidade anual de Thornthwaite
(Iu). Em que: EC so os elementos climticos mensais: temperatura, mdia, mxima e mnima (C);
umidade relativa (%); presso atmosfrica (mb); velocidade do vento (m s-1
); e insolao (h). P a
precipitao pluvial mensal (mm). ETP-PM-FAO a evapotranspirao de referncia estimada pelo
mtodo de Penman-Monteith-FAO (mm). BHC o balano hdrico climatolgico. Def hid a
deficincia hdrica anual (mm). Exc hid o excedente hdrico. Ia o ndice de aridez. Ih o ndice
hdrico. Iu o ndice de umidade (CARVALHO et al., 2008).
Como resultado do aperfeioamento do balano hdrico climatolgico por
Thornthwaite e Mather (1955), os limites dos tipos climticos do ndice de umidade
apresentado por Thornthwaite em 1948 foi modificado apenas para os climas secos. Desta
forma, para aplicaes neste trabalho foram considerados os limites apresentados por
ICRISAT (1980), conforme a Tabela 3.
Tabela 3. Tipos climticos com base no ndice de umidade de Thornthwaite (ICRISAT, 1980).
Tipos Climticos ndice de Umidade (Iu)
A - Super-mido Iu 100
B4 - mido 80 Iu < 100
B3 - mido 60 Iu < 80
B2 - mido 40 Iu < 60
B1 - mido 20 Iu < 40
C2 - Sub-mido 0 Iu < 20
C1 - Sub-mido seco -33,3 Iu < 0
D - Semi-rido -66,7 Iu < -33,3
E - rido -100 Iu < -66,7
-
44
4.2.2 Etapa 2: Modelagem dos dados de ndice de umidade: Anlise de Regresso Linear
Mltipla
A anlise de regresso mltipla descreve a relao linear entre uma varivel
dependente e duas ou mais variveis independentes por meio de um grfico (reta de
regresso) e de uma equao da reta (equao de regresso) que melhor representa essa
relao. As equaes de regresso podem ser teis para prever o valor de uma varivel
dependente, dado valores particulares de outras variveis independentes. Se a reta de
regresso se ajusta bem aos dados, ento faz sentido usar esta equao para previses, desde
que o limite dos valores disponveis no seja ultrapassado (TRIOLA, 2007). A forma geral de
uma equao de regresso linear mltipla dada pela equao 5:
Equao (5)
em que: n o nmero de variveis independentes; o valor da varivel dependente
(calculado com o uso da equao de regresso); x1, x2, ..., xn so as variveis independentes; b0
o intercepto y da equao de regresso; b1, b2, ..., bn so os coeficientes das variveis
independentes. Uma descrio detalhada da anlise regresso linear mltipla pode ser
encontrada em Triola (2007).
Para a construo do modelo de regresso utilizou-se os valores do ndice de
umidade calculado como varivel dependente e os valores da mdia anual da temperatura
mdia do ar e da precipitao anual, das 39 estaes do INMET (Figura 1), como variveis
independentes, processados por meio de software para clculos numricos, resultando em uma
equao.
De posse da equao, calculou-se o ndice de umidade para as 39 estaes
climatolgicas do INMET, utilizando os dados de mdia anual da temperatura mdia do ar e
precipitao anual e confeccionou-se um mapa climatolgico de Minas Gerais. Um resumo
dos procedimentos descritos nesta etapa apresentado na figura 7.
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45
Figura 7. Fluxograma do desenvolvimento do modelo de regresso linear mltipla.
4.2.3 Etapa 3: Separao das regies climticas dos climas rido, tropical e temperado da
classificao climtica de Kppen-Geiger
Para a implementao do modelo de regresso desenvolvido foi necessrio
realizar a separao das regies climticas correspondentes aos climas rido, tropical e
temperado das regies de climas frios e polares. Desta forma, utilizando o mapa atualizado da
classificao climtica de Kppen-Geiger desenvolvido por Peel et al. (2007), separou-se
essas regies climticas. Para isso foram consideradas as regies climticas dos tipos
climticos pertencentes aos grupos A climas tropicais chuvosos (Af, Am, e Aw), B climas
secos (BWh, BWk, BSh e BSk) e C climas temperados e moderadamente quentes (Cfa, Cfb,
Cfc, Csa, Csb, Cwa, Cwb e Cwc ), como sendo as classes representativas dos climas tropical,
rido e temperado, respectivamente. Como os climas frios e polares no foram considerados
neste estudo (classes D e E de Kppen-Geiger) optou-se por separar essas classes climticas
por meio da utilizao de uma mscara, ou seja, definiu-se uma nica colorao que
delimitasse as regies caracterizadas com os climas D e E. Essa mscara foi utilizada para a
representao dessas regies climticas em todos os mapas elaborados (FIGURA 8).
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46
Figura 8. Mapa da classificao climtica de Kppen-Geiger (PEEL et al., 2007).
4.2.4 Etapa 4: Implementao do Modelo de Regresso Linear Mltipla: Classificao das
zonas cl
top related