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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
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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.
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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.
-
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).
-
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
-
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.
-
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)
-
20
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.
-
21
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
-
22
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
-
23
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
-
24
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.
-
25
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
-
26
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
-
27
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).
-
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
-
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.
-
30
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
-
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.
-
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
-
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
-
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
-
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
-
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.
-
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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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