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Análise estatística dos resultados do modelo de previsão atmosféricaRAMS para a região do lago de Ilha Solteira (SP)

Beatriz da Silva Bernardino1, Isimar de A. Santos2, Claudio F. Neves 3.

1,2 Universidade Federal do Rio de Janeiro – CCMN – IGEO – Departamento de Meteorologia3 Universidade Federal do Rio de Janeiro - COPPE – Programa de Engenharia Oceânica

biabernard@gmail.com 1; isimar@acd.ufrj.br 2; neves@peno.coppe.ufrj.br 3

RESUMO – O objetivo geral do projeto ONDISA - Ondas produzidas por vento no lago deIlha Solteira é criar uma metodologia de monitoramento de ondas geradas pelo vento emcorpos d’água, utilizando os resultados do modelo atmosférico RAMS para simular ascondições meteorológicas sobre a região do lago. O modelo RAMS foi adaptado para a regiãode Ilha Solteira (SP) com 4 grades aninhadas e inicializado com as Reanálises do NCEP. Paraverificação dos resultados, utilizaram-se dados de três estações automáticas do INMET,localizadas próximas ao reservatório de Ilha Solteira. Os testes estatísticos realizados foram acorrelação linear de Pearson entre observações e simulações, o erro médio e o erro médioquadrático com e sem skill.

Palavras-chaves: modelos atmosféricos regionais; interação lago-atmosfera; geração de ondas

1. INTRODUÇÃO

O projeto ONDISA - Ondas produzidas por vento no lago de Ilha Solteira foi concebidocom base na necessidade de informações meteorológicas para apoio à navegação na HidroviaTietê-Paraná. Estudos preliminares e a prática corrente dos navegadores e gestores da hidroviaapontavam para os benefícios de um sistema especialista para alerta de ondas geradas por ventonos lagos que compõem a hidrovia. Acidentes já verificados nessa hidrovia e a existência dealgumas obras de proteção (e.g. em pilares de pontes, em estruturas de aproximação de eclusas eoutras estruturas hidráulicas) atestam a necessidade de desenvolver sistemas fluviais (RiverInformation Systems) específicos e georeferenciados. Ademais, encontram-se na WEB relatóriosde viagem de praticantes de pesca ou de navegação que reportam sobre condições severas deventos e ondas em lagos de barragens. O lago de Ilha Solteira, no noroeste do estado de São Paulo– Brasil é um típico exemplo destes casos (Figura 1).

Figura 1: Localização do lago de Ilha Solteira (SP).

O objetivo geral do projeto ONDISA é criar um sistema (metodologia) de alerta ànavegação para ondas geradas pelo vento em corpos d’água, utilizando os resultados de um

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modelo atmosférico para alimentar um modelo de geração de ondas.Este artigo apresenta a verificação de simulações numéricas feitas com o modelo

atmosférico RAMS (Regional Atmospheric Modeling System) sobre a região do lago,comparando seus resultados com dados observados em três localidades próximas ao lago.Discutem-se também alguns ajustes efetuados para aprimoramento das simulações.

2. METODOLOGIA

O modelo RAMS foi adaptado para a região de Ilha Solteira (SP) com 4 gradesaninhadas (Figura 2): a grade 1 com espaçamento de 48 km tem por função a assimilação dosdados da Reanálise do NCEP (National Centers for Environmental Prediction): pressão,temperatura, umidade e vento. As grades 2, 3 e 4, com espaçamentos de 12 km, 4 km e 1 km,respectivamente, fazem o downscaling desta informação até a escala adequada à estimativa dovento sobre o lago e acoplamento com o modelo de geração de ondas.

(a) (b) (c) (d)

Figura 2: As 4 grades do modelo RAMS utilizadas no estudo mostrando a topografiautilizada: (a) Grades 1 e 2; (b)1 e 3; (c) 1 e 4; (d) a grade 4 ampliada.

Os resultados da simulação numérica para temperatura, umidade relativa e velocidade

de vento foram validados através da comparação com os dados observados em três estações

meteorológicas automáticas – Jales (SP), Três Lagoas (MS), Valparaiso (SP), mantidas pelo

Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) e localizadas próximas ao reservatório de Ilha

Solteira, dentro da área de influência da grade 2. Selecionaram-se os meses de janeiro, abril,

julho e outubro de 2008, como representativos das estações do ano. Os dados previstos foram

coletados nos nós da grade 2 (Figura 2 (a)) mais próximos das três estações meteorológicas.

A distância entre as estações e os nós da grade é de, aproximadamente, 5 km e a

Figura 3 mostra as coordenadas geográficas das estações meteorológicas e dos pontosde grade utilizados na validação do RAMS.

local código latitude longitude altitude

Jales(SP)

A733 20,0954° S 50,3542° W 457 m

JAL 20,0434° S 50,3410° W

Três Lagoas(MS)

A704 20,7833° S 51,7000° W 313 m

TRL 20,7994° S 51,7449° W

Valparaíso(SP)

A734 21,3192° S 50,9303° W 374 m

VLP 21,3393° S 50,8810° W

3

Figura 3: Localização das estações do INMET (pontos em vermelho) selecionadas paraanálise comparativa da saída do RAMS (pontos em branco).

Para avaliar o desempenho do modelo RAMS, realizaram-se testes estatísticos(FREITAS, 2003) para cada estação e mês, utilizando a correlação linear de Pearson (roy), oerro médio (ME), o erro médio quadrático (RMSE) e o erro médio quadrático com skill(RMSEUB), dados pelas expressões (1) a (4):

n

ii

n

ii

n

iii

yooy

yyn

oon

yyoonyo

r

1

2

1

2

1

11

11

11

,cov(1)

oyoyn

MEn

iii

1

1(2)

n

iii oy

nRMSE

1

21(3)

n

iiiUB ooyy

nRMSE

1

21(4)

onde n é o número total de observações, oi é o dado observado, o é a média dos dadosobservados, yi corresponde aos dados simulados pelo modelo RAMS e y corresponde ao valor médioda série simulada.

FREITAS (2003) avalia o skill de uma simulação pelas seguintes condições:

1) sim obs; 2) RMSE < obs ; 3) RMSEUB < obs ,

onde obs é o desvio padrão das observações, sim é o desvio padrão das simulações.

3. RESULTADOS

A

Figura 4 mostra a comparação entre os dados observados (cor azul) e os dadossimulados (cor rosa) pelo modelo atmosférico RAMS, na estação meteorológica de Jales paraos meses de janeiro (verão) e julho (inverno) de 2008. Semelhante comparação foi feita para asestações de Três Lagoas e Valparaíso, nos quatro meses representativos de cada estação do ano.

Analisando o campo de temperatura nas três estações meteorológicas e nos quatromeses, nota-se que, em geral, as comparações entre os dados observados e simuladosapresentaram valores de correlação próximos de 1, indicando boa associação linear entre asduas séries. Os outros parâmetros estatísticos também apresentaram valores satisfatórios parao campo de temperatura.

No campo de umidade relativa, as estações de Três Lagoas (MS) e Valparaiso (SP)apresentaram o valor da raiz do erro médio quadrático (RMSE) maior que o valor do desviopadrão da série observada no mês de janeiro de 2008 (verão no hemisfério sul), sendoindicado como “Fora do Padrão” neste item do teste estatístico aplicado. O RMSE é umamedida de acurácia, portanto valores elevados de RMSE indicam alto nível de discrepânciaentre simulações e observações. A estação de Três Lagoas (MS) também apresentou o valorda raiz do erro médio quadrático (RMSE) maior do que o valor do desvio padrão da série

4

observada no mês de julho de 2008.Avaliando o campo de vento, quase todos os casos estudados, apresentaram-se “Fora

do Padrão” em pelo menos um requisito do teste estatístico aplicado, exceto para o ventomeridional (v) simulado para o mês de outubro de 2008, onde as três estações apresentaramresultados satisfatórios.

Jales - janeiro de 2008 Jales – julho de 2008Temperatura - Jales x Rams-JAL - Janeiro 2008

0

5

10

15

20

25

30

35

40

29/12/07 0:00 3/1/08 0:00 8/1/08 0:00 13/1/08 0:00 18/1/08 0:00 23/1/08 0:00 28/1/08 0:00 2/2/08 0:00 7/2/08 0:00

Data

Tem

pera

tura

(°C)

OBSERVADO PREVISTO

Temperatura - Jales x Rams-JAL - Julho 2008

0

5

10

15

20

25

30

35

26/6/08 0:00 1/7/08 0:00 6/7/08 0:00 11/7/08 0:00 16/7/08 0:00 21/7/08 0:00 26/7/08 0:00 31/7/08 0:00 5/8/08 0:00

Data

Tem

pera

tura

(°C)

OBSERVADO PREVISTO

Umidade Relativa - Jales x Rams-JAL - Janeiro 2008

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

29/12/07 0:00 3/1/08 0:00 8/1/08 0:00 13/1/08 0:00 18/1/08 0:00 23/1/08 0:00 28/1/08 0:00 2/2/08 0:00 7/2/08 0:00

Data

Um

idad

e R

elat

iva(

%)

OBSERVADO

PREVISTO

Umidade Relativa - Jales x Rams-JAL - Julho 2008

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

26/6/08 0:00 1/7/08 0:00 6/7/08 0:00 11/7/08 0:00 16/7/08 0:00 21/7/08 0:00 26/7/08 0:00 31/7/08 0:00 5/8/08 0:00

Data

Um

idad

e R

elat

iva(

%)

OBSERVADO

PREVISTO

Componente zonal - Jales x Rams-JAL - Janeiro 2008

-6,00

-4,00

-2,00

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

29/12/070:00

3/1/08 0:00 8/1/08 0:00 13/1/08 0:00 18/1/08 0:00 23/1/08 0:00 28/1/08 0:00 2/2/08 0:00 7/2/08 0:00

Data

Com

pone

nte

zona

l do

vent

o_u_

(m/s

)

OBSERVADO PREVISTO

Componente zonal - Jales x Rams-JAL - Julho 2008

-8,00

-6,00

-4,00

-2,00

0,00

2,00

4,00

26/6/08 0:00 1/7/08 0:00 6/7/08 0:00 11/7/08 0:00 16/7/08 0:00 21/7/08 0:00 26/7/08 0:00 31/7/08 0:00 5/8/08 0:00

Data

Com

pone

nte

zona

l do

vent

o_u_

(m/s

)

OBSERVADO PREVISTO

Componente zonal - Jales x Rams-JAL - Janeiro 2008

-6,00

-4,00

-2,00

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

29/12/070:00

3/1/08 0:00 8/1/08 0:00 13/1/08 0:00 18/1/08 0:00 23/1/08 0:00 28/1/08 0:00 2/2/08 0:00 7/2/08 0:00

Data

Com

pone

nte

zona

l do

vent

o_u_

(m/s

)

OBSERVADO PREVISTO

Componente meridional - Jales x Rams-JAL - Julho 2008

-10,00

-8,00

-6,00

-4,00

-2,00

0,00

2,00

4,00

6,00

26/6/08 0:00 1/7/08 0:00 6/7/08 0:00 11/7/08 0:00 16/7/08 0:00 21/7/08 0:00 26/7/08 0:00 31/7/08 0:00 5/8/08 0:00

Data

Com

pone

nte

mer

idio

nal d

o ve

nto_

v_(m

/s)

OBSERVADO PREVISTO

Figura 4: Comparação entre observações e simulações para Jales (SP) em janeiro e em julhode 2008. (a) Temperatura, (b) Umidade Relativa, (c) Componente zonal, (d) Componentemeridional do vento.

5

4. CONCLUSÕES

A simulação realizada pelo modelo atmosférico RAMS para o mês de outubro de 2008(primavera no hemisfério sul) apresentou os melhores resultados na comparação entre osdados simulados pelo modelo RAMS e os dados observados nas três estações meteorológicasmais próximas do lago de Ilha Solteira, pertencente à Hidrovia Tietê - Paraná.

janeiro 2008Estações

Três Lagoas(MS) Valparaiso(SP) Jales(SP)Índices u v u v u v

σ observado 1,19 1,39 2,14 1,83 1,85 2,05σ previsto 1,92 1,35 2,35 1,40 2,41 1,33r xy 0,51 0,38 0,66 0,45 0,55 0,37

ME -0,64 -2,35 0,12 -0,86 -0,25 0,01RMSE 1,79 1,66 1,87 1,93 2,09 1,98RMSE ub 1,50 0,30 0,98 1,17 1,54 1,55

σsim. ≈σobs.RMSE<σobs.

RMSEub<σobs.

abril 2008Estações

Três Lagoas(MS) Valparaiso(SP) Jales(SP)Índices u v u v u v

σ observado 0,92 1,28 1,57 1,39 1,67 1,80σ previsto 1,56 1,54 1,71 1,53 1,93 1,26r xy 0,42 0,58 0,54 -0,52 0,55 0,36

ME -0,35 0,59 -0,11 0,61 -0,11 0,23RMSE 1,48 1,44 1,58 2,62 1,72 1,80RMSE ub 1,27 0,86 0,67 0,65 0,95 1,28

σsim. ≈ σobs.RMSE < σobs.

RMSEub < σobs.

julho 2008Estações

Três Lagoas(MS) Valparaiso(SP) Jales(SP)Índices u v u v u v

σobservado 0,85 1,01 1,88 1,79 1,53 1,93σprevisto 1,30 1,62 1,49 1,60 1,74 1,56r xy 0,31 0,54 0,43 0,65 0,67 0,71

ME -1,81 0,18 -0,45 0,34 -0,79 -0,09RMSE 2,31 1,46 1,88 1,47 1,56 1,38RMSE ub 1,06 1,35 1,15 0,80 0,84 1,14

σsim.≈σobs.RMSE<σobs.

RMSEub<σobs.

outubro 2008Estações

Três Lagoas(MS) Valparaiso(SP) Jales(SP)Índices u v u v u v

σ observado 1,23 1,56 2,41 2,31 2,04 2,36σ previsto 1,88 1,88 2,22 1,85 2,48 1,63r xy 0,53 0,63 0,59 0,66 0,47 0,63

ME -0,89 0,30 0,24 0,39 0,06 0,66RMSE 1,83 1,54 2,12 1,81 2,35 1,96RMSE ub 1,42 1,05 0,93 1,37 1,41 1,71

σsim. ≈σobs.RMSE<σobs.

RMSEub<σobs.

Legenda:

obs = desvio padrão da série observada; sim = desvio padrão da série prevista; xyr = valor da

correlação linear de Pearson; ME = valor erro médio; RMSE = raiz quadrada do erro médioquadrático; RMSEub = valor da raiz quadrada do erro médio quadrático com skill.u Valor da componente zonal do vento v Valor da componente meridional do vento Dentro do Padrão Fora do Padrão

Figura 5: Avaliação de skill para as componentes zonal e meridional da velocidade de vento.

Comparando os resultados obtidos pelo modelo nas três estações utilizadas no estudopara os quatro meses representativos das estações do ano, nota-se que a estação de TrêsLagoas (MS) apresentou os piores resultados enquanto que em Valparaiso(SP) obtiveram-seos melhores resultados. Analisando a eficiência do modelo RAMS adaptado para região deIlha Solteira, conclui-se que as simulações numéricas apresentaram resultados satisfatóriosem relação à temperatura e à umidade relativa. Apesar das componentes do vento ficarem“Fora do Padrão” em alguns itens do teste estatístico aplicado, o modelo RAMS conseguesimular as escalas de tempo das mudanças de direção do vento.

5. AGRADECIMENTOS

O Projeto ONDISA é conduzido pela UNESP, campus de Ilha Solteira, pela UFRJ(COPPE e IGEO) e pelo Instituto de Pesquisas Hidráulicas da UFRGS, com apoio da FINEP,CAPES e FAPESP.

6. REFERÊNCIAS

Freitas, E. D. Circulações Locais em São Paulo e sua Influência sobre a Dispersão dePoluentes. Tese (Doutorado em Ciências Atmosféricas) – Departamento de CiênciasAtmosféricas. São Paulo: Universidade de São Paulo, 2003.

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Lo, J. C.-F., Z.-L. Yang, and R. A. Pielke Sr. (2008), Assessment of three dynamical climatedownscaling methods using the Weather Research and Forecasting (WRF) model, J. Geophys.Res., 113, D09112, doi:10.1029/2007JD009216.