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Anais do XX Encontro de Iniciação Científica – ISSN 1982-0178

Anais do V Encontro de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação – ISSN 2237-0420

22 e 23 de setembro de 2015

IDENTIFICAÇÃO DE TENDÊNCIAS E VARIAÇÕES HIDRO-CLIMÁTICAS EM SÉRIES ANUAIS AO LONGO DO RIO

AMAZONAS E SEUS AFLUENTES

Victor Zeni Beretta Faculdade de Engenharia Ambiental

CEATEC/PUC-Campinas [email protected]

Júlio César Penereiro Grupo de Modelagem Matemática

CEATEC/PUC-Campinas [email protected]

Resumo: Este trabalho busca identificar a ocorrência de tendências em séries temporais relativas aos índices anuais das precipitações pluviométricas e das temperaturas mínima, média e máxima, além da vazão em rios, registradas em localidades pertencen-tes à região Norte do Brasil. Foram utilizadas as medições realizadas pelo Instituto Nacional de Mete-orologia (INMET) e pela Agência Nacional de Águas (ANA). Visando identificar a presença de tendência, para cada série foram aplicadas análises de regres-são linear e os testes não paramétricos de Mann-Kendall e Pettitt. Os resultados confirmam que a maioria das localidades avaliadas (69,4%) não regis-traram tendências na precipitação, enquanto que para as temperaturas, a maioria acusou tendência positiva para a temperatura média (63,9%), seguido da máxima (58,3%) e da mínima (52,8%). Não houve registro de diminuição das temperaturas média e máxima em qualquer das localidades estudadas, enquanto que em apenas uma cidade (São Gabriel da Cachoeira) identificou-se a diminuição da tempe-ratura mínima a partir de 2002. O índice de vazão registrou tendência em apenas quatro localidades, correspondendo a 11,5% do total analisado.

Palavras-chave: região Amazônica, mudanças hi-dro-climáticas, testes estatísticos.

Área do Conhecimento: Ciências Exatas e da Terra – Estatística e Climatologia.

1. INTRODUÇÃO Um dos temas que vem ocupando o meio científico-acadêmico nos últimos anos está relacionado à iden-tificação de evidências observacionais para varia-ções e mudanças do clima. Apesar de ainda existi-rem muitas controvérsias a respeito da influência

humana sobre o clima terrestre, variações dos parâ-metros climáticos desde meados da década de 1970 têm sido identificados, sendo possível afirmar que uma parte da variabilidade do clima seja uma conse-quência do atual aquecimento global observado. Neste sentido, as evidências de mudanças nos regi-mes de temperaturas e precipitações são frequente-mente apontadas com causa da interferência do homem no ambiente, especialmente devido aos desmatamentos, as queimadas e pela crescente urbanização sem planejamento adequado do uso do solo [1, 2]. Não obstante a essas interferências, sa-be-se que o ciclo hidrológico de uma bacia hidrográ-fica é um processo complexo que também é influen-ciado pelas suas características físicas, pelo clima local, assim como pelas atividades humanas [2]. Considerando o acelerado desenvolvimento urbano e agroindustrial ocorrido nas últimas décadas, em par-ticular na região norte do Brasil, esse fenômeno so-cioeconômico tem provocado a degradação dos re-cursos hídricos daquela região, inclusive no que tange aos aspectos quantitativos e qualitativos. Esse problema vem ocorrendo devido, principalmente, ao uso da água e do solo sem um gerenciamento ade-quado e a quase ausência de tratamento do esgoto urbano e industrial [3]. Além destes fatores, as quei-madas em conjunto com a poluição e, consequente-mente, a destruição da mata ciliar, em médio e longo prazo, podem degradar e diminuir a capacidade de armazenamento de água da sub-bacia que lhe per-tence, alterando o regime de vazão dos rios ali exis-tentes [4]. Constata-se, portanto, que as matas cilia-res participam de processos vitais para a manuten-ção dos recursos hídricos, como o escoamento em decorrência das chuvas nas bacias hidrográficas. Com a finalidade de aprofundar os comentários aci-ma citados, a presente pesquisa visa realizar uma extensa análise exploratória das séries temporais dos índices anuais de temperaturas (mínima, média e máxima) e precipitação pluviométrica utilizando os




dados climatológicos acumulados ao longo de vários anos pelas estações medidoras do INMET (Instituto Nacional de Meteorologia) distribuídas em território brasileiro. A pesquisa visa identificar tendências, bem como a análise de variabilidade ao longo de cada série considerada. Para tanto, empregou-se métodos estatísticos como da regressão linear, a versão sequencial do teste de tendência de Mann-Kendall [5] e o teste de ruptura de Pettitt [6]. No presente trabalho apresenta-se parte do levanta-mento realizado com os dados medidos pelas esta-ções meteorológicas localizadas em Norte do Brasil. Os resultados inferidos ao aplicar os referidos testes foram analisados na perspectiva de realizar um estu-do exploratório visando averiguar se as tendências detectadas estão relacionadas à influência antropo-gênica. 2. OBJETIVOS Com o auxílio de programas computacionais especí-ficos desenvolvidos em planilhas do Microsoft Excel, pretendeu-se analisar os índices de precipitação, vazão e as medidas de temperaturas mínima média e máxima, existentes na Internet, disponibilizados nas bases de dados do INMET e da ANA. Verificar as eventuais variabilidades nesses parâmetros hidro-climáticos, além de detectar tendências significativas. Relacionar e identificar se ocorreram mudanças no meio ambiente regional e verificar as possíveis cau-sas que levaram a essas alterações. 3. METODOLOGIA DESENVOLVIDA Inicialmente, realizou-se uma revisão bibliográfica sobre o assunto de interesse, sendo os esforços direcionados aos estudos relacionados às caracterís-ticas geográficas, ambientais e climáticas da região norte brasileira e, concomitantemente, as aborda-gens relacionadas aos tratamentos de dados envol-vendo métodos estatísticos para detecção de ten-dência em série temporal. A partir do banco de dados climáticos do Instituto Nacional de Meteorologia [7], para temperaturas e precipitação pluviométrica, além dos disponíveis pela Agência Nacional de Águas [8], para os dados de vazões em rios, foi possível obter as informações necessárias e desejadas para um amplo estudo esta-tístico envolvendo várias localidades espalhadas ao longo do rio Amazonas e seus afluentes. No presente trabalho, foram selecionadas 17 cidades próximas ao percurso do rio Amazonas e seus aflu-entes que possuem estações meteorológicas do INMET. No que concerne às medidas de vazão, co-mo dito anteriormente, foi utilizado o banco de dados

da ANA, onde se selecionou 29 localidades com estações próximas ao rio Amazonas e seus afluen-tes. Na Figura 1 estão contidos os posicionamentos das localidades citadas anteriormente, os círculos indicam as posições das estações do INMET, en-quanto que as cruzes mostram os locais aproxima-dos das estações da ANA ao longo do rio Amazonas e alguns de seus afluentes.

Figura 1. Mapa da Região Norte do Brasil, mostrando as localizações das estações referentes aos dados d o INMET, em círculos, e da ANA, em cruzes. Após o levantamento e organização dos dados, fo-ram usados os modelos matemáticos e estatísticos empregando os programas computacionais utilizando o software Microsoft Excel [9]. A partir desses proce-dimentos, foi possível inferir se ocorrem, e quando, tendência numa série temporal de dados medidos pelas estações do INMET e da ANA. O trabalho empregou três métodos para detecção de tendências nas séries hidro-climáticas de interesse, a saber: o teste da Análise de Regressão e os testes de Mann-Kendall (MK) e de Pettitt (Pet). A seguir são discutidos resumidamente esses modelos estatísti-cos. Utilizou-se a Análise de Regressão para verificar o comportamento da variabilidade de uma determinada série temporal por meio da significância do coeficien-te angular de uma reta ajustada as medições. Para tanto, realizou-se o cálculo das médias móveis, em-pregando ordem cinco aos dados e, em seguida, trabalhou-se com uma suavização dos dados visan-do evitar ou minimizar possíveis flutuações dos mesmos. Posteriormente, tanto para os pontos mé-dios como para os suavizados, aplicou-se o ajuste da equação da reta de tendência e analisou-se o inter-valo de confiança em 95% acima e abaixo do valor estimado do coeficiente angular, sendo que, se este




intervalo não incluir o valor zero, presume-se que a tendência seja significativa. O teste de MK considera que, na hipótese de estabi-lidade de uma série temporal, a sucessão de valores ocorre de forma independente e a distribuição de probabilidade deve permanecer sempre a mesma (série aleatória simples). Um valor positivo do coefi-ciente ( )ntU e ( )ntU * de MK indica uma tendên-

cia de aumento da variável, enquanto que um valor negativo indica uma tendência de decréscimo, desde que significativos ao nível de 5% e 10%. No que tange ao teste de Pettitt, este verifica se duas amostras pertencem à mesma população. Para tan-to, calcula-se a estatística ( )tK por meio de uma contagem do número de vezes que um membro da primeira amostra é maior que um membro da segun-da amostra. O procedimento localiza o ponto em que houve uma mudança brusca da série temporal, sen-do sua significância avaliada em 5% e 10% do valor crítico ( .critK ), máximo ou mínimo, de ( )tK . Maiores detalhes desses testes podem ser obtidos em [10]. No entender desses autores, os dois últimos testes descritos acima são os melhores procedimen-tos de análises em séries temporais. Isso ocorre porque eles possuem um maior embasamento esta-tístico para modelos teóricos de descrição climática e hidrológica, sendo importante utilizá-los de forma combinada, isto é, realizando análises gráficas e numéricas em conjunto para que se possa identificar e localizar quando passou a existir uma tendência na série. 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO Foram realizados os cálculos dos ajustes da linha de tendência e análise de regressão utilizando as médias móveis e suavizações de todas as séries temporais informadas nas localidades mostradas na Figura 1. Posteriormente a esses cálculos, com o intuito consti-tuir uma ferramenta adicional de interpretação estatís-tica, foram gerados os gráficos dos comportamentos das séries visando identificar as características e peculiaridades de cada uma, tais como a eventual existência de heterogeneidades e mudanças abrup-tas. Por ser um teste com elevado embasamento estatís-tico, optou-se neste trabalho por dar maior evidência aos resultados das aplicações dos testes de MK e Pet. A título de exemplificação, algumas formas grá-ficas são mostradas nas Figuras 2 e 3 e analisadas em seqüência. Nessas figuras as linhas horizontais tracejadas e pontilhadas referem-se os intervalos (para o teste de Mann-Kendall, abaixo da figura e em

preto) e os níveis (para o teste de Pettitt, acima da figura e em vermelho) de confiança de ±5% a ±10%, respectivamente. Estabeleceu-se um critério de uniformidade que ex-pressasse os resultados dos dois testes, utilizou-se a seguinte convenção: o sinal (–)(–) para uma tendên-cia negativa confirmada entre 5% e 10% dos interva-los de confianças bilaterais e o sinal (–) se for acima de 10% do intervalo de confiança. De maneira aná-loga, usou-se os sinais (+)(+) e (+) para tendência positiva confirmada, respectivamente. Caso não houvesse condições de confirmar tendência um sinal (?) foi adotado. A Figura 2 mostra os gráficos com os comportamen-tos medidos pelos testes não paramétricos para os dados de T-Méd na cidade de Fonte Boa e para a T-Máx. na cidade de Óbidos. A Figura 2(a) mostra que para Fonte Boa as medidas da temperatura média indicaram haver tendência positiva (+) iniciando em 2001, pois há um cruza-mento das curvas ( )ntU e ( )ntU * no teste de MK

entre os intervalos de confiança, enquanto que no teste de Pet a curva ( )tK cruzou os níveis de signi-ficância de ±5% e ±10% naquela data. Para a cidade de Óbidos, mostrada na Figura 2(b), a curva estatística do teste de Pettitt não cruzou ne-nhum dos níveis de significância, descartando-se assim a tendência nesta variável climática.

Figura 2. Testes de Mann-Kendall (inferior e na cor preto) e de Pettitt (superior e na cor vermelha) ap li-cados aos dados de: (a) T-Máx. em Óbidos (PA) e (b) T-Méd. em Fonte Boa (AM).

A Figura 3(a) revela que a cidade de Barcelos acu-sou tendência positiva de nível (+)(+) no índice de chuva a partir de 1996, pois as curvas estatísticas do teste de MK cruzaram o intervalo de significância de ±5% a ±10%, o mesmo ocorrendo para a curva da estatística do teste de Pet que cruzou os níveis de significância de ±5% a ±10%. No caso da vazão medida em Barcelos, mostrado na Figura 3(b), a situação se repete, isto é, a partir de




1998, apresentou tendência positiva com nível de significância de 5% a 10%.

Figura 3. O mesmo que na figura anterior, porém para os dados de: (a) Prec . e (b) Vaz. na cidade de Barcelos (AM) .

Como comentado anteriormente, os procedimentos ilustrados nas Figuras 2 e 3 foram aplicados a todos as séries temporais que, posteriormente, foram or-ganizadas para elaboração desse trabalho. A partir desta etapa decidiu-se elaborar mapas das distribui-ções das tendências dessa região hidrográfica, como os apresentados nas Figuras 4 a 8. Cada mapa cor-responde a uma determinada grandeza trabalhada no levantamento. Por meio de análises nesses ma-pas foi possível identificar os locais onde se detecta-ram tendências crescentes e decrescentes nos ní-veis de significâncias avaliados (5% e 10%), segun-do a legenda apresentada ao lado direito de cada figura. A distribuição das tendências relacionadas à vazão média (Vaz.) está mostrada na Figura 4. Pode-se constatar que em quatro localidades apresentaram tendência para o nível de significância de ±5%. Estas localidades foram: Caracaraí (RR), Humaitá (AM), Manacapuru (AM) e Manicoré (AM).

Figura 4. Mapa da Região Norte do Brasil, contendo uma síntese das análises estatísticas empregando os testes de Mann-Kendall e Pettitt para a vazão média (Vaz.) de cada localidade tratada.

Analisando todas as tendências registradas, obser-vou-se que a maioria das localidades não apresentou tendências nos índices de vazões dos rios aborda-dos, entretanto há de se destacar esse fato corres-ponde há 88,50% das localidades presentes na a-mostra estudada, o que concluísse que essa variável hidrológica é pouco sensível aos testes estatísticos não paramétricos aqui aplicados. Constatou-se que a maior parte dos índices de Prec. medida nas 17 localidades que compõem a amostra em estudo não acusou tendências. Isso pode ser comprovado ao analisar o mapa da distribuição des-sas localidades para essa variável climática que está mostrado na Figura 5. Neste caso, as cidades que tiveram tendência confirmada foram: Fonte Boa (AM), Parintins (AM), Monte Alegre (PA), Altamira (AM), Barcelos (AM) e Lábrea (AM). Dessas, as qua-tro primeiras apresentaram tendências positivas a partir dos anos de 1996, 1987, 1998 e 1983, respec-tivamente. Em contrapartida, as cidades de Barcelos (AM) e Lábrea (AM) apresentaram tendência negati-va na precipitação a partir de 1976 e 2001, respecti-vamente.

Figura 5. Similar à figura anterior, mas para os re sul-tados da precipitação Pluviométrica ( Prec. ) cada lo-calidade tratada.

Constata-se no mapa das localidades estudadas, representado na Figura 6, que a maior parte das cidades apresentou tendências positivas significati-vas na T-Mín. Sendo que, em sete cidades registra-ram tendência positiva (+)(+). Na cidade de Fonte Boa (AM) a tendência foi positiva (+), enquanto que em São Gabriel da Cachoeira (AM) identificou-se uma tendência negativa (-)(-). No restante das locali-dades da amostra não se constatou nenhuma ten-dência significativa. Observando o mapa da Figura 7 que mostra a distri-buição das localidades com as medidas de T-Méd.,




pode-se constatar que a maior parte da amostra estudada apresentou tendência positiva, sendo que em duas localidades, Fonte Boa (AM), a partir de 2001, e Manicoré (AM), a partir de 2002, apresenta-ram uma significância menor. Não obstante, em sete cidades da amostra não se comprovou a ocorrência de tendência. Estas localidades são: Benjamin Cons-tant (AM), Rio Branco (AC), São Gabriel da Cachoei-ra (AM), Itaituba (PA), Altamira (PA), Porto de Moz (PA) e Macapá (AP).

Figura 6. Analogamente à figura anterior, mas para os resultados estatísticos envolvendo a temperatura minima ( T-Mín.).

Figura 7. Idem ao apresentado na figura anterior, m as para a temperatura média ( T-Méd.).

No mapa da distribuição das cidades analisadas para a T-Máx., mostrado na Figura 8, pode-se observar que a maioria das localidades apresentaram tendên-cias positivas (+)(+). No entanto, a cidade de Manico-ré (AM) indicou uma tendência positiva, porém com uma significância menor (+). O mapa revela que em sete cidades da amostra não foi possível acusar tendência na temperatura máxima quando se aplica-ram os testes de Mann-Kendall e de Pettitt.

Possivelmente, os comportamentos das tendências detectadas nas temperaturas mostradas nas Figuras 6, 7 e 8 parecem estar relacionados com as caracte-rísticas geográficas da região norte do Brasil. No entanto, por intermédio de levantamentos realizados relativos às ocorrências dos fenômenos El Niño e La Niña, por meio do boletim informativo do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPE [11] e dos trabalhos elaborados por [12], realizou-se algumas observações referentes a esses eventos climáticos, considerando a influência ou não deles nas tendên-cias aqui estudadas.

Figura 8. Distribuição dos resultados para a temper a-tura máxima ( T-Máx.) na região norte do Brasil.

Os anos que ocorreram os eventos climáticos El Niño e La Niña são pertencentes ao período do mês de julho, correspondendo ao início do fenômeno, até o mês de junho do ano subseqüente. A literatura indica os seguintes períodos de influencia desses fenômenos [12]: • El Niño: 1976–1977, 1982–1983, 1987–1988, 1990 - 1994, 1994–1995, 1997–1998, 2002–2003, 2004-2005. • La Niña: 1983-1985, 1995–1996, 1998–1999, 1999–2000. Como as tendências para algumas localidades aqui analisadas ocorreram no mesmo período do fenô-meno ENOS, observa-se que parte das tendências podem ter sido influenciadas por esses fenômenos. Desta forma, constatou-se que em 27 tendências inferidas para as medidas de precipitação e de tem-peraturas coincidiram com esses períodos. No entan-to, para a variável hidrológica de vazão, foi verificado que em apenas três localidades apresentaram ten-dência no mesmo ano dos fenômenos e, consequen-temente, pode ter influenciado os testes estatísticos realizados nessas localidades. Porém, não são somente estes fenômenos que po-dem ter influenciado as tendências aqui inferidas. Os




desmatamentos podem estar relacionados com as tendências positivas, em particular para as variáveis climáticas aqui abordadas, sendo que nos anos de 1995, 2004, 2003, 2002, 1998, 2001 e 2000, respec-tivamente, foram os anos de maior índice de desma-tamentos na região Norte do Brasil. 5. CONCLUSÕES O presente trabalho representa uma ampla gama de dados envolvendo as medições registradas pelos equipamentos da rede de estações medidoras do INMET e da ANA espa-lhadas pela região Norte do Brasil. As análises realizadas por meio dos testes estatísticos nas séries de cada parâ-metro meteorológico e hidrológico indicaram que: - Para a T-Mín., 47% das séries tratadas acusaram ten-dência positiva e somente uma localidade registrou ten-dência negativa, o que equivale a 6% da amostra. O res-tando, isto é, 47% das localidades não apresentaram ten-dência. - Para as T-Méd. e T-Máx., os testes indicaram que a mai-oria das séries apresentou tendência positiva, correspon-dendo a 59% da amostra. Em sete locais não foram con-firmadas tendência, ou seja, 41% das estações abordadas. - Para a Prec., tendência positiva foi inferida em 23,5% dos locais, enquanto que tendência negativa foi acusada em 12% da amostra. O restante, isto é, em 11 locais não indi-caram tendência, ou seja, 64,5% dos locais estudados. - Para as Vaz., medidas no rio Amazonas e seus afluentes, apenas três, das 26 localidades estudadas, apresentaram tendência, o que correspondendo a 11,5% da amostra avaliada. O restante das localidades, isto é, para as 23 estações da ANA, não apresentaram nenhuma tendência, o que significa 88,5% da amostra selecionada. O trabalho sugere a possibilidade de que a inferência de uma determinada tendência numa variável hidro-climática esteja relacionada à ação antropogênica e, portanto, têm um caráter regional. Talvez isso se deva ao mau uso da terra e dos rios, tais como desmatamentos, queimadas, assoreamento, uso excessivo da água e o lançamento de esgotos. Sendo assim, ainda não se pode ter um quadro claro sobre os possíveis impactos da mudança climática e da ação antropogênica quando se olha a distribuição espacial das tendências inferidas no presente trabalho. Portanto, faz-se necessário uma melhor avaliação dos dados aqui mostra-dos. Estudos deste tipo poderão contribuir para a mitiga-ção das mudanças que estão ocorrendo nos ecossistemas e na biodiversidade da região amazônica. AGRADECIMENTOS Agradecemos à PROPESQ (Pró-Reitoria de Pesqui-sas) e a Reitoria da PUC-Campinas que, através do programa FAPIC, concederam a bolsa de I.C. REFERÊNCIAS [1] Serra Filho, R., et.al. (1975). Levantamento da

cobertura vegetal natural e do reflorestamento

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[4] ANA. Agência Nacional de Águas. (2012). Con-juntura dos Recursos Hídricos no Brasil – Infor-me 2012. Disponível em: <http://www.2.ana.gov.br>. Acessado em: 01/09/2013.

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[6] Pettitt, A. N. (1979). A non-parametric approach to the change-point problem. Applied Statistics. v.28, p. 126-135.

[7] INMET. (2014). Instituto Nacional de Meteorolo-gia. BDMEP. Disponível em: <www.inmet.gov.br>. Acessado em: 07/05/2014.

[8] ANA. (2014). Agência Nacional de Águas. Sis-tema – HidroWeb. Disponível em: <www.hidroweb.ana.gov.br>. Acessado em: 09/06/2014.

[9] Penereiro, J. C.; Ferreira, D. H. L. (2011). Esta-tística apoiada pela Tecnologia: uma proposta para identificar tendências climáticas. Acta Sci-entiae. v.13, no.1, p. 87-105.

[10] Sansigolo, C. A.; Kayano, M. T. (2010). Trends of seasonal maximum and minimum tempera-tures and precipitation in Southern Brazil for the 1913-2006 period. Theoretical and Applied Cli-matology. v.101, p. 209-216.

[11] INPE. (2013). Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais. Ocorrência do La Niña e El Niño. Disponível em: <www.inpe.br>. Acessado em: 10/05/2013.

[12] Berlato M. A.; Farenzana H.; Fontana D. C. (2005). Associação entre El Niño Oscilação Sul e a produtividade do milho no Estado do Rio Grande do Sul. Pesquisa Agropecuária Brasileira. v.40, no.5, p. 423-432.

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