Evolução Temporal Da Localização Média Da Temperatura Do Ar Obtida Em Estações Da Rede Do Inmet)

EVOLUÇÃO TEMPORAL DA LOCALIZAÇÃO MÉDIA DA TEMPERATURA DO AR OBTIDA EM ESTAÇÕES DA REDE DO INMET

573

REVISTA GEONORTE, Edição Especial 2, V.1, N.5, p.573 – 584, 2012

EVOLUÇÃO TEMPORAL DA LOCALIZAÇÃO MÉDIA DA TEMPERATU RA DO AR OBTIDA EM ESTAÇÕES DA REDE DO INMET

Marcos José de Oliveira Universidade de Brasília (UnB)

[email protected]

Gustavo Macedo de Mello Baptista Universidade de Brasília (UnB)

[email protected]

Wátila Portela Machado Inst. Brasileiro do Meio Ambiente e dos Recursos Naturais Renováveis (IBAMA)

CLIMATOLOGIA: APORTES TEÓRICOS, METODOLÓGICOS E TÉC NICOS.

RESUMO:

O aspecto espacial é comumente desprezado nos estudos que envolvem diversas séries climatológicas

de temperatura do ar. Conforme o aumento da quantidade das estações nas redes mundiais e nacionais,

a posição média dessas estações também foi se alterando ao longo do tempo. Consequentemente, um

valor muitas vezes assumido como “global” ou “nacional” – representativo de todo o planeta ou de um

país – foi, na verdade, um valor cuja posição média teve variações espaciais significativas. A partir de

dados de 245 estações meteorológicas convencionais e 464 automáticas da rede do INMET, foram

elaborados mapas nacionais da evolução temporal da localização média das estações no período de

1900 a 2010. Revelou-se que a posição média das estações (ou da respectiva temperatura do ar)

deslocou-se da região nordeste do Brasil em sentido à região sudoeste do País, situando-se,

atualmente, próximo ao Distrito Federal. Ajustes serão necessários para considerar período de falhas

de registro de dados nas estações.

ABSTRACT:

The spatial aspect is commonly disregarded in studies involving climatological air temperature series.

With the increasing number of stations in national and global networks, the average position of these

stations has also changed over time. Consequently, a value often assumed to be “global” or “national”

– representative of the entire planet or a country – was, in fact, an average value whose position had

significant spatial variations. Based on data from 245 conventional stations and 464 automatic stations

from the INMET network, national maps were drawn to show the temporal evolution of the stations

average locations in the period 1900–2010. It was revealed that the average position of the stations (or

its air temperature) shifted from the northeastern Brazil to the southwest region of the country,and now

it is currently situated near the Federal District. Adjustments will be necessary to consider periods with

missing data in climatological stations records.


574


1. INTRODUÇÃO

A temperatura do ar na superfície terrestre tem sido utilizada como variável básica no estudo do

clima na Terra. Grande parte das séries históricas de temperatura do ar é baseada em registros de

estações meteorológicas de superfície. Provenientes dessa modalidade, os gráficos geralmente

difundidos – por ex., pelo Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC)– possuem

séries consistentes de até 150 anos de dados.

As principais séries instrumentais utilizadas pelo IPCC são: 1. HadCRU: série da University of

East Anglia Climate Research Unit (CRU); 2. NCDC: National Climatic Data Center, série da

National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA); e 3. GISS: Goddard Institute for Space

Studies, série da National Aeronautics and Space Administration’s (NASA). As séries NCDC e GISS

usam dados da Global Historical Climatology Network (GHCN). (IPCC, 2007).

Existem problemas, todavia, quanto à representatividade, tanto espacial como temporal, das séries

de temperaturas observadas na superfície terrestre. Um dos maiores problemas com os dados globais é

adeterioração das redes mundiais de observação, que apresentam um “desaparecimento” das estações

de monitoramento da temperatura das redes depois de 1990. Em meados de 1970, mais de 6.000

estações estavam na base de dados da GHCN, mas apenas 1.500 ou menos, são usadas atualmente por

essa rede, quantidade equivalente ao número de estações ativas no ano 1900 (curva cinza, Figura 1-A).

Nesse sentido, surgiu o projeto Berkeley Earth Surface Temperature (BEST)1, com o propósito de

calcular uma série da temperatura média global a partir de 32.000 estações terrestres. A rede BEST

aumentou substancialmente a densidade de estações em algumas regiões do mundo (curvas azul e

vermelha na Figura 1-A). Assim, a base de dados não possui o mesmo declínio de disponibilidade de

dados que a GHCN.

Figura 1 – Rede de estações do projeto BEST. (A) Quantidade de estações ativas da rede BEST(azul e

vermelho) em relação à rede GHCN (cinza). (B) Comparação da localização das estações da rede GHCN

1Disponível em: <http://www.berkeleyearth.org/>. Acesso em: 6 ago. 2012.

(A) (B)


575


(em azul, exibido na frente) com a localização das estações da rede BEST(em vermelho, exibido por trás).

Fonte: adaptado deBEST (2010).

A queda súbita do número de estações da rede GHCN em 1990 (Figura 2-A) é em grande parte

resultado da metodologia utilizada na compilação dos dados. A rede GHCN geralmente só aceita

registros de estações que, explicitamente, emitem um relatório de síntese mensal, porém, muitas

estações pararam de relatar os resultados mensais e atualmente relatam apenas os dados diários – estes

contemplados pela rede BEST. Apesar disso, a Figura 2-B mostra que a cobertura da superfície

terrestre permaneceu acima de 95%, refletindo a ampla distribuição das estações.

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Figura 2 – Evolução da (A) quantidade de estações e (B) cobertura da superfície mundial da rede GHCN.Fonte:

adaptado de BEST (2010).

O Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) possui a principal rede de estações climatológicas

no Brasil, totalizando atualmente 245 estações convencionais e 464 estações automáticas.

Analogamente à evolução da abertura de estações ao redor do mundo, a rede brasileira do INMET

também apresentou um gradual incremento ao longo do tempo.

Oliveira et al. (2012a) elaboraram estudo da distribuição e representatividade espacial da rede do

INMET. Como parte dos resultados desse estudo, a Figura 3apresenta a evolução, por décadas, da

distribuição espacial das estações meteorológicas no Brasil, no decorrer do período de 1900 a 2010.

Nota-se que a abertura das estações ocorreu consonante ao processo de crescimento e distribuição

populacional, ou seja, a partir do litoral em direção às regiões interiores do País. A primeira estação

aberta foi a de Quixeramobim/CE, no ano de 1896. Até o início do século XX, as primeiras estações se

concentravam na região Sul, Sudeste e Nordeste do Brasil. Na década de 20 destaca-se a abertura de

estações ao longo do Rio Amazonas. A região Centro-Oeste e partes da região Norte do País são áreas

em que a ausência de estações persistiu por mais tempo; o preenchimento de algumas áreas não

cobertas se deu de forma lenta. Na década de 2000, a abertura de novas estações automáticas foi

responsável por cobrir boa parte dessas áreas. Atualmente, restam relativamente poucas áreas ainda

(B) (A)


576


não cobertas, enquanto outras regiões apresentam alta densidade de estações.

A Figura 4-A apresenta um gráfico com a evolução temporal do número de estações

convencionais (curva azul) e automáticas (curva vermelha); e a Figura 4-B apresenta a cobertura do

território nacional, considerando o raio de abrangência de 200 km de cada estação. Observa-se que o

primeiro grande salto do número de estações ocorreu em 1910, onde cerca de 50 estações resultaram

na cobertura de quase 40% do território nacional. Um segundo salto, em torno de 1925, aumentou a

cobertura para cerca de 60%. Até 1970 houve um aumento gradual do número de estações, totalizando

aproximadamente 175 estações e quase 70% de cobertura. Em 1980, após outro acréscimo

significativo das estações (total ~225 estações), a cobertura aumentou para 80%, valor que foi mantido

até a década de 2010. Com a abertura de estações automáticas, foi atingida a cobertura de 93,2% do

Brasil no final na década de 2010 (OLIVEIRA et al, 2012a).

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Figura 3 – Mapas nacionais da evolução da distribuição espacial de estações da rede do INMET, por década,

para o período de 1900 a 2010, considerando um raio de 200 km de abrangência de cada estação.Fonte:

Oliveira et al. (2012a).

Figura 4 – Evolução da (A) quantidade de estações e (B) cobertura do território brasileiro da rede do

INMET. Fonte: Oliveira et al. (2012a).

Assim, por meio daFigura 4 nota-se que os valores de temperatura do ar obtidos em estações da

rede do INMET não são espacialmente homogêneos ao longo do tempo, pois a distribuição espacial

das estações foi sendo alterada conforme a abertura das mesmas.

Oliveira et al. (2012a) ressalta que as análises de temperatura do ar devem envolver ajustes de

representatividade das estações – que medem dados do clima local – antes de terem os valores

extrapolados para a escala nacional os valores obtidos nelas. Ou seja, no caso da presença de poucas

estações, a simples média dos valores de temperatura dessas estações não deve ser o método utilizado

para obtenção da temperatura média nacional. Por exemplo, os dados dos primeiros anos de

funcionamento da estação de Quixeramobim/CE, aberta em 1896, não devem ser considerados como

representativos do Brasil inteiro.

No contexto do aquecimento global, regional ou local, enfim, das mudanças climáticas em geral,

os dados de temperatura média do ar são utilizados para indicar alguma tendência de aumento ou

redução desse elemento climático. Pouco se discute acerca da representatividade espacial das

medições obtidas em estações climatológicas e/ou meteorológicas terrestres. A ausência ou pouca

importância dada a essa questão induz erroneamente à impressão de que todas as séries de temperatura

do ar foram obtidas em estações que estão são espacialmente homogêneas, ou seja, distribuídas

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'0"

10°0

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2010


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Estações automáticas

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1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 20100

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Estações convencionais Estações automáticas

Qua

ntid

ade

de e

staç

ões

1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 20100%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Cob

ertu

ra(A) (B)


578


uniformemente, como se as redes de estações cobrissem igualmente cada porção da superfície

terrestre.

Portanto, no sentido de elaborar estudos da temperatura do ar no território brasileiro, é essencial

analisar a representatividade espacial das estações climatológicas existentes em cada período. Nesse

sentido, o presente estudo tem como objetivo apresentar a evolução temporal da “localização média”

da temperatura do ar obtida em estações da rede de estações do Instituto Nacional de Meteorologia

(INMET). Assume-se aqui como “localização média” a posição espacial média obtida a partir das

localizações das estações meteorológicas existentes em cada momento compreendido no período entre

1896 e 2012;por consequência, considera-se que a “localização média” representa a posição espacial

médiada “temperatura média do ar”– levando-se em consideração somente aspectos espaciais de

latitude e longitude, porém desconsiderando, nessa ocasião, aspectos quanto à altitude e outros

elementos de clima local.

Conforme apresentado, as redes mundial e brasileira foram avolumando gradativamente e suas

coberturas e representatividades espaciaisforam se alterando temporalmente. Nas análises que

envolvem o uso de muitas séries de temperatura, aspectos espaciais têm sido geralmente ignorados.

Com o intento de iniciar uma discussão sobre essa lacuna constatada, o propósito do estudo, em suma,

é responder à seguinte pergunta: Onde, de fato, está localizada espacialmente a “temperatura média do

Brasil”?

2. MATERIAL E MÉTODOS

Informações de245 estações convencionais 464 estações automáticas foram extraídas do sítio

eletrônico do INMET. Para agilizar a obtenção das informações, foi elaborado um script(rotina de

comandos) escrito em linguagem python, o que permitiu processar os dados automaticamente. A partir

dos mapas disponíveis das estações convencionais2 e automáticas3, foram, então, obtidos os dados de

latitude, longitude e data de abertura da estação.

Após as devidas conversões, os dados obtidos foram inseridos no programa ArcMap 10 por meio

das etapas de importação dos dados, inserção de mapa do Brasil georreferenciado e conversão de

sistema de coordenadas.

Para calcular alocalização média das estações foram utilizados dois métodos de cálculo

disponíveis no ArcMap 10: centromédio (mean center), que identifica o centro geográfico (ou centro

de concentração) de um conjunto de pontos; e centro mediano (median center), que identifica a

localização que minimiza a distância euclidiana total dos pontos em um conjunto de dados.

O centro médio é o ponto médio calculado a partir da média dos valores de X (longitude) e de Y

(latitude) das posições das estações (ARCGIS RESOUCE CENTER, 2012a).Matematicamente, o

centro médio é calculado conforme aEquação 1.

2 Disponível em: <http://www.inmet.gov.br/portal/index.php?r=estacoes/estacoesConvencionais>. Acesso 04/08/2012. 3 Disponível em: <http://www.inmet.gov.br/portal/index.php?r=estacoes/estacoesAutomaticas>. Acesso 04/08/2012.


579


1 1, = == =∑ ∑n n

i ii ix y

X Yn n

Equação 1

Onde xi e yi são as coordenadas (long, lat) de cada ponto i (estação), e n é a quantidade total de

estações.

A ferramenta de centro mediano é uma medida da tendência central; ela identifica a localização

que minimiza a distância a partir do ponto central até todos os pontos do conjunto de dados. Por

exemplo, usando o centro médio para calcular um conjunto compacto de pontos, o resultado seria um

local no centro desses pontos. Caso fosse adicionado um novo ponto longe desse agrupamento e fosse

recalculado o centro médio, notaria-se que o ponto resultante estaria localizado longe do agrupamento

anterior. No entanto, executando a mesma experiência usando a ferramenta centro mediano, seria

verificado que o novo ponto teria um impacto muito menor sobre a localização do ponto

centralresultante. Assim, o centro mediano é a localização que minimiza a distância entre todos os

pontos (ARCGIS RESOUCE CENTER, 2012b).

O método utilizado para calcular o centro mediano é um procedimento iterativo introduzido por

Kuhn e Kuenne (1962) e ainda descrito por Burt e Barber (1996). Conforme ilustra aEquação 2, em

cada etapa (t) no algoritmo, é encontrado um valor candidato para o centro mediano (Xt, Yt) e, então,

são feitas iterações de refinamento até obter a localização que minimiza a distância euclidiana (d) para

todos os pontos (i) no conjunto de dados.

( ) ( )2 2t t ti i id X X Y Y= − + −

Equação 2

Para o cálculo da evolução temporal da posição espacial média das estações, foi utilizado um loop

(rotina de iteração) no módulo ModelBuilder do ArcMap, que calculou automaticamente, a cada

iteração, a localização média das estações presentes em cada data. A Figura 5 apresenta um

fluxograma esquemático do modelo criado. O conjunto inicial de dados – contendo um arquivo

individual da posição de cada uma das 709 estações – é a entrada da função iterativa (iterate feature)

que sequencialmente seleciona uma estação por vez a cada iteração, tendo como saída uma estação(n),

em que o número da estação (n) varia de 1 a 709. A função append realiza a fusão das n estações

individuais com a primeira estação [estação(1)], a qual, a cada iteração, vai acrescendo e acumulando

o número de pontos;em outras palavras, a estação(1) é tanto a saída quanto a entrada da função

append, de modo que na primeira iteração é obtido um arquivo com as duas primeiras estações; na

segunda iteraçãoobtêm-se as três primeiras estações e, assim, sucessivamente. Por fim, a cada iteração,

a saída resultante do append é a entrada das funções mean center e median center, cada uma executada


580


em modelos separados, que calculam as posições médias e geram um resultado(n) para cada iteração

do modelo.

Figura 5 – Fluxograma esquemático do modelo criado para cálculo da evolução temporal da posição espacial

média das estações do INMET.

As 708 posições médias obtidas em cada método foram agrupadas em um único arquivo e,

posteriormente, gerou-se um mapa com a evolução temporal bem como gráficos com a variação de

longitude e latitude dos valores posicionais médios.

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Figura 6apresenta o mapa da evolução espacial e temporal das localizações médias das estações

do INMET, o que podem ser consideradas, de um modo bem simplificado, as posições das

“temperaturas médias” do Brasil. Observa-se que as posições médias obtidas pelos dois métodos –

centro médio e centro mediano – apresentam comportamento semelhante, apesar das diferenças. De

modo geral, ambos os métodos indicam que a posição média da temperatura do ar, com início na

primeira estação (Quixeramobim/CE), foi se deslocando em direção ao sudoeste, acompanhando a

abertura de estações nas regiões Sul e Sudeste do Brasil.

Conjunto de dados

(estações)

Iterate feature Estação( )n Append

Estação(1)

Estação(1) Mean center/Median center

Resultado( )n


581


Figura 6 – Evolução espacial e temporal das localizações médias das estações do INMET. (A) Mapa nacional;

(B) Recorte e ampliação da região indicada pela linha pontilhada em (A).

Os gráficos daFigura 7ilustram as variações das componentes longitudinais (X) e latitudinais (Y)

das posições centrais médias das estações, para os dois métodos, de 1890 a 2010. Verifica-se que, em

torno do ano de 1910 o deslocamento observado na localização média ocorreu no sentido de Norte a

Sul e de Leste para Oeste. Entre 1920 a 1930, a latitude média das estações retornou um pouco para o

sentido Leste, em virtude da abertura de novas estações na Região Nordeste, enquanto que a longitude

permaneceu relativamente constante até próximo ao ano 2000. Em meados desta década, a abertura de

estações nas regiões do Mato Grosso, Mato Grosso do Sul bem com em estados da região Norte,

induziu a uma pequena alteração da posição média para o Sul e uma alteração maior para o sentido

Oeste.

40°0'0"W

40°0'0"W

45°0'0"W

45°0'0"W10

°0'0

"S

10°0

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15°0

'0"S

15°0

'0"S

40°0'0"W

40°0'0"W

50°0'0"W

50°0'0"W

60°0'0"W

60°0'0"W

70°0'0"W

70°0'0"W

0°0'

0"

0°0'

0"

10°0

'0"S

10°0

'0"S

20°0

'0"S

20°0

'0"S

30°0

'0"S

30°0

'0"S

1.000 0500 km

100 050 km

1900

2010

Centro mediano

Centro médio

1910

1920

1930

1940

1950

1960

1970

1980

1990

2000

Centroide do Brasil

1ª Estação (Quixeramobim)

(A)

(B)


582


Figura 7 – Evolução temporal das componentes (A) longitudinais e (B) latitudinais das posições centrais

médias das estações.

4. CONCLUSÕES

Atualmente, a localização média das estações, assumida simplificadamente como a posição da

temperatura média do Brasil, está situada próxima ao Distrito Federal, região distante há mais de 1.000

km do centroide do território nacional, ponto que idealmente deveria ser posição da temperatura média

do ar no País. Mesmo com a abertura de novas estações na porção Oeste brasileira, a alta concentração

de estações nas regiões litorâneas ao Leste é responsável por tornar a posição média deslocada

conforme apresentado.

Salienta-se que o estudo elaborado apresenta os resultados considerando somente a data da

abertura das estações. Cabe destacar, entretanto, que tais estações possuem enorme quantidade de

falhas de dados presentes em diversas séries. Oliveira et al. (2012b) identificou que a média de falhas

de dados obtidos em de 291 estações convencionais doINMET, no período de 1961 a 2011, foi de

pouco mais de 30%, ou seja, na média, todas as séries apresentam 1/3 de dados não registrados; a série

com mais falhas, por exemplo, possui 89,8% de dados inexistentes. Desse modo, a partir do momento

em que uma estação deixa de coletar/registrar seus dados de temperatura do ar, ela deveria ser

desconsiderada no cálculo da posição média das estações. Portanto, os resultados aqui obtidos são, na

verdade, uma situação hipotética ideal em que todas as estações possuem séries sem

falhas,perfeitamente com dados completos desde a data do início de suas medições.

Levando-se em conta a ocorrência de falhas de dados no momento do cálculo da média, deve-se

considerar quais estações possuem dados e algum ajuste deve ser aplicado para corrigir tendências

oriundas da posição média das estações em utilização. Por exemplo, se muitas estações no Sul do

Brasil sofreram alguma falha simultânea por determinado tempo, a média de temperatura das estações

restantes pode ser maior por não ter estações que indicam valores menores, típicos de clima local mais

frio.

Logo, até que sejam consideradas as falhas de dados nas estações e realizados os devidos ajustes

para obtenção devalores médios representativos e adequados à realidade, os resultados apresentados

1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010-20

-18

-16

-14

-12

-10

-8

Lat

itu

de

(°)

1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010-48

-46

-44

-42

-40

-38Lo

ngitu

de (

°)

Centro mediano

Centro médioN

S Centro mediano

Centro médioE

O

(A) (B)


583


devem ser assumidos preliminarmente como ilustrativos e indicativos.

Além da quantidade muito maior de cálculos que serão demandados, a próxima etapa da pesquisa

em condução consistirá em considerar aspectos relativos à altitude das estações (para obtenção de uma

“altitude média”), fator determinante da temperatura do ar no clima local das medições; e, uma vez

consolidadosos métodos, algoritmos e modelos, uma análise será extrapolada ao nível global para

identificação da localização da temperatura média do ar na Terra.

5. AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao Cientista da Computação Nelson A. de Oliveira pela elaboração do script em

python para extração automática dos dados das estações do INMET.

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ARCGIS RESOUCE CENTER. How Mean Center works. 2012a. Disponível em:

<http://help.arcgis.com/en/arcgisdesktop/10.0/help/index.html#/How_Mean_Center_works/005p0000

001s000000/>.Acesso em 15 set. 2012.

ARCGIS RESOUCE CENTER. How Median Center works. 2012b. Disponível em:

<http://help.arcgis.com/en/arcgisdesktop/10.0/help/index.html#/How_Median_Center_works/005p000

0001t000000/>. Acesso em 15 set. 2012.

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<http://berkeleyearth.org/pdf/berkeley-earth-summary.pdf>. Acesso em: 06 ago. 2012.

BURT, J. E; BARBER, G.. Elementary statistics for geographers. New York: Guilford, 1996.

IPCC. Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the

Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge:

Cambridge University Press, 2007. 996 p.

KUHN, H. W.; KUENNE, R. E. An efficient algorithm for the numerical solution of the Generalized

Weber Problem in spatial economics. Journal of Regional Science, 1962, 4(2):21–33.

OLIVEIRA, M. J.; BAPTISTA, G. M. M.; MACHADO. W. P. Distribuição e representatividade

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temperatura do ar. In: XVII Congresso Brasileiro de Meteorologia, 2012, Gramado. Anais... Gramado:

SBMET, 2012a.


584


OLIVEIRA, M. J.; BAPTISTA, G. M. M. Temperatura do ar no Brasil:Análise preliminar de dados

obtidos na rede do INMET, de 1961 a 2011. In: XVII Congresso Brasileiro de Meteorologia, 2012,

Gramado. Anais do XVII Congresso Brasileiro de Meteorologia. . Anais... Gramado: SBMET, 2012b.

Documents

Evolução Temporal Da Localização Média Da Temperatura Do Ar Obtida Em Estações Da Rede Do Inmet)