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

MARCELLY DA SILVA SAMPAIO

DESENVOLVIMENTO, AVALIAO E APLICAO DE UM ALGORITMO PARA

ESPACIALIZAO GLOBAL DOS CLIMAS RIDO, TROPICAL E TEMPERADO

Dissertao apresentada banca de

qualificao como pr-requisito para a

obteno do ttulo de Mestre em Recursos

Hdricos pela Universidade Federal de Mato

Grosso.

Orientador: Prof. Ps-Doutor Marcelo de Carvalho Alves

Coorientadora: Luciana Sanches

CUIAB

2012

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO

ICET/FAET/FAMEV/IB/ICHS

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM RECURSOS HDRICOS

CERTIFICADO DE APROVAO

TTULO: DESENVOLVIMENTO, AVALIAO E APLICAO DE UM ALGORITMO

PARA ESPACIALIZAO GLOBAL DOS CLIMAS RIDO, TROPICAL E

TEMPERADO

Autora: Marcelly da Silva Sampaio

Orientador: Prof. Ps-Dr. Marcelo de Carvalho Alves

Comisso Examinadora:

DEDICATRIA

A Deus, em primeiro lugar pela minha vida, por colocar pessoas especiais no meu

caminho e pela oportunidade de ter desenvolvido este trabalho. A minha famlia, pelo amor,

carinho, apoio constante emocional e financeiro e por sempre acreditar em mim em todos

os momentos de nossas vidas. Ao meu noivo, pelo amor, compreenso, pacincia, respeito e

dedicao em todos esses anos de convivncia.

AGRADECIMENTOS

Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientfico e Tecnolgico CNPq,

pelo auxlio financeiro de dois anos de bolsa de mestrado.

Ao Programa de Ps Graduao em Recursos Hdricos pela oportunidade de

realizao do curso de mestrado.

Ao professor Marcelo de Carvalho Alves, por me aceitar como orientada, pelo

conhecimento compartilhado e pela disponibilidade de tempo e pacincia para me ensinar e

orientar durante o curso de mestrado.

professora Luciana Sanches, pela orientao, compreenso, incentivo e ateno

durante o desenvolvimento deste trabalho.

Aos meus amigos, pelo companheirismo, apoio e incentivo para a realizao deste

trabalho.

A equipe do laboratrio de Sensoriamento Remoto e Geoinformao (Sergeo)

pela ajuda na conduo da pesquisa.

EPGRAFE

A adversidade desperta em ns capacidades que, em circunstncias favorveis, teriam

ficado adormecidas.

Horcio

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).

46

Figura 8. Mapa da classificao climtica de Kppen-Geiger (PEEL et al., 2007).

4.2.4 Etapa 4: Implementao do Modelo de Regresso Linear Mltipla: Classificao das

zonas cl