Comparação de Dados de Estações Meteorológicas Convencional e Automática

1. Métodos Quantitativos de Análise de Física do Ambiente Comparação de Dados de Estações Meteorológicas Convencional e Automática Gustavo Luís de Carvalho Piracicaba – Esalq 2007

2. 1 Introdução • O grande avanço tecnológico, tem capacitado a melhoria na obtenção e automação de dados, não só na precisão, mas também no tempo instantâneo e na formação de redes integradas de dados em tempo real. • Mas, em se tratando de agrometeorologia, há um grande esforço e dificuldade em se homogeneizar os dados obtidos em séries históricas de longo período em Estações Meteorológica Convencional (EMC) com a Estação Meteorológica Automática, no intuito de considerar os dados das duas em uma série única. • Além disso os dois tipos de Estações tem diferentes tipos de capacidade de amostragem e de instrumentos, que diferem no método e no tipo de quantificação. • O presente trabalho tem como objetivo, assinalar as principais diferenças entre a aquisição de dados destas duas Estações, e realizar uma breve análise nas diferenças e semelhanças destes dois tipo de dados.

3. 2 Materiais e métodos • As Estação Meteorológicas exige normas com relação a localização dos equipamentos, tipo do terreno, tipo de cobertura vegetal do solo, padronização dos horários de observação e dos procedimentos operacionais, como a calibração e aferição dos equipamentos, para que se possa fazer comparação de dados em diferentes estações localizadas em qualquer outro lugar. • Na Estação Meteorológica Convencional, o conjunto básico de equipamentos são: • A) Termômetros de Máximas e Mínimas – com a finalidade de se determinar a temperatura máxima e mínima do ar. • O termômetro de Máxima, utiliza-se do mercúrio como elemento sensível, por isso ele possui um estrangulamento no tubo capilar que impede o retorno do mercúrio ao bulbo

4. B) Termômetro de mínima – este termômetro indica a menos temperatura ocorrida em um determinado intervalo de tempo, por isso, possui o tubo bifurcado, para aumentar sua eficiência e tem como elemento sensível o álcool etílico, onde a diminuição da temperatura provoca o movimento do menisco em direção ao bulbo. • C)Tanque Classe A – Determinar a quantidade de água evaporada • D) Abrigo meteorológico – Proteger alguns instrumentos da exposição. • E) Pluviômetro – Determinar a quantidade de chuva. • F) Heliógrafo – Registrar o número de horas de insolação (brilho solar). • G) Psicrômetro – Determinar a temperatura e a umidade do ar. • Na Estação Meteorológica Automática é definida como um instrumento compacto, capaz de medir seis parâmetros meteorológico básicos velocidade e direção do vento, temperatura e umidade relativa do ar, pressão barométrica e precipitação, tudo em um único conjunto transmissor que pode ser acoplado a qualquer datalogger (coletor de dados) com ou sem sistema de telecomunicações. Tal equipamento mostra-se muito apropriado para composição de extensas redes de sensores meteorológicos automáticos

5. O sensor de velocidade e direção do vento é do tipo ultra-sônico. Tal tipo de sensor, por ser totalmente eletrônico e não possuir componentes mecânicos móveis, é livre de manutenção ou calibração. • A pressão barométrica, a temperatura e umidade relativa do ar são combinadas num avançado módulo PTU utilizando método capacitivo para cada elemento. O módulo PTU é montado num abrigo ventilado que protegem os sensores dos raios solares direto e refletido e também da chuva. • A medida de precipitação é baseada no sensor RAINCAP patenteado pela VAISALA, o qual detecta o impacto individual das gotas de chuva. O sinal produzido pelos impactos é proporcional ao volume das gotas. Assim, o sinal de cada gota pode ser convertido diretamente em precipitação acumulada.

6. Algumas considerações sobre termosensores – mais utilizados: • Pequenos resistores construídos com fio muito fino (cerca de 0.01mm de diâmetro), de platina ou níquel, cuja resistência varia com a temperatura. • Junções duplas de fios de metais diferentes, geralmente de cobre e constantan(liga de cobre e níquel), chamados termopares que produzem corrente elétrica quando submetidos a temperaturas distintas (uma das junções age como sensor , outra como referência. • Cristais cuja resistência elétrica depende da temperatura, denominados termistores, onde a variação da corrente elétrica causada pelo sensor é analisada por um circuito eletrônico, e a temperatura é registrada ou exibida em tela. • Além destes citados, existem os de radiação infravermelha, que se baseia na lei de Stefan-Boltzman, muito comuns em satélites para sensoriamento remoto.

7. O presente trabalho, baseou-se em um estudo que realizou observações dos dados do Posto Agrometeorológico do Departamento de Ciências Exatas da Escola Superior de Agricultura “Luiz de Queiroz”, Universidade de São Paulo (ESALQ/USP), no município de Piracicaba – SP (latitude: 22o30’30”S, longitude: 47o38’00”W e altitude: 546 m), durante o período de janeiro de 1997 a agosto de 2006, totalizando 9 anos e 9 meses de medidas, onde operavam simultaneamente uma estação meteorológica convencional (EMC) e uma automática (EMA). • Os elementos meteorológicos avaliados foram: Temperatura Média do Ar (Tmed, oC); Umidade Relativa média do Ar (URmed, %); Radiação Solar Global (Rg, W.m-2) e Precipitação Pluvial (PP, mm).

8. Para efeito de informação, a comparação entre os dados obtidos pela Estação Automática e Convencional foram submetidos a análise de estatística de regressão linear coeficiente de determinação (R2), índice de concordância (d), erro máximo (EM) e erro absoluto médio (EAM). • Foram então produzidas gráficos de regressão.

9. 3 Resultados e Discussões • Em um trabalho recente, de Almeida et al., em estudos preliminares e sem aprofundamento, concluiu que: • “dados de temperatura do ar medidos na EMC, nos três horários padronizados, foram sempre maiores que os da EMA. Isso indica, a priori, uma tendência relativa que poderá ser confirmada ou não após análise mais criteriosa a partir de uma série mais longa. Quando se comparam às médias diária ou mensal, verificou-se que a tendência de ser maior na EMC e menor na EMA se manteve. Como a série analisada foi pequena, do ponto de vista estatístico, o enfoque descreve apenas tendências, em vez de quantificar diferenças entre uma medida feita no sistema automático em relação ao convencional” (Almeida et al.). • “As médias mensais das temperaturas máxima e mínima mostram tendências semelhantes, embora haja em alguns meses uma inversão na temperatura máxima, ou seja, na estação automática ela foi ligeiramente maior, nos meses de inverno, que os seus respectivos valores no termômetro de máxima da estação convencional. Verificou-se, também, que em alguns dias e/ou meses os desvios relativos foram maiores que aqueles observados nos três horários e na média diária” (Almeida et al.).

10. No trabalho apresentado por Scarpare al, a primeira conclusão foi de que: • Que a Tmed foi a variável que apresentou maior correlação entre as medidas do sensor automático e convencional (0,993), seguido da PP (0,990), Rg (0,872) e URmed (0,469).

11. A Rg foi a variável que apresentou as maiores diferenças entre EMC e EMA, apresentando a pior concordância (d = 0,652), um R² intermediário (0,872) e os piores erros, sendo EM de 224,0 e EAM de 125,39. Essa acentuada discrepância entre EMC e EMA na medida de Rg, é devida à: diferenças de resposta, precisão, sensibilidade dos sensores, calibração do actinógrafo, e aos problemas relativos à cotação dos diagramas desse equipamento, principalmente em períodos com nebulosidade variável. • A PP obteve bom desempenho com correlação (R² = 0,990) e concordância (d = 0,995), embora com erros relativamente elevados (EM = 49,0 e EAM = -5,73). Para chuvas acima de 100 mm há uma tendência de medidas inferiores na EMA. Provavelmente relacionada à incapacidade do sensor, em eventos de precipitação intensa, de registrá-la na mesma velocidade com que ocorre, sendo uma parte não computada.

12. Para a Tmed (Figura 1d), a tendência é que os dados obtidos pela EMC sejam maiores que os obtidos na EMA (superestimativa de 4,4%). O R² foi o mais elevado (0,993), com d = 0,968, sendo a variável com melhor ajuste em todos os índices estatísticos. • Diversos autores encontraram diferenças nas estimativas dos elementos meteorológicos, da EMA em relação à EMC, obtendo estimativas das mais variadas percentagens, tornando difícil a comparação entre elas em função dos seguintes fatores que ocorrem neste tipo de estudo: a) diferentes tipos de sensores utilizados, tanto na EMA como na EMC; b) calibração adequada do sensor; c) localidade da estação; e d) período de análise dos dados medidos (efeito da sazonalidade).

13. 4 Conclusão • Pode-se de uma forma geral, concluir-se que existem diferenças entre dados obtidos em Estações Meteorológicas Convencionas e Automáticas. • Os resultados para precipitação apresentaram maior correlação, e isso pode ser devido a maior semelhança entre instrumentos, que de uma forma geral são bem simples. • A Radiacão Solar Global (Rg), teve pior desempenho, isso possivelmente pode ser atribuído a diferença de sensores, com princípios de funcionamento diferentes.

14. A temperatura, como foi previsto no trabalho preliminar de Almeida et al., apresentou para a EMC resultados acima da EMA, este quadro foi confirmado por Scarpare et al., provavelmente também por diferença de precisão e de instrumentos de mensura. • Por isso, para poder realmente montar um banco de dados homogêneo que tenha parte de dados obtidos em EMC e EMA, deve-se ter cuidado e buscar parâmetros de ajuste, no caso do emprego de algum modelo, buscar uma calibragem adequada.

15. Bibliografia Consultada • SENTELHAS, P.C. et al. Análise comparativa de dados meteorológicos obtidos por estações convencional e automática. Revista Brasileira de Agrometeorologia, Santa Maria, v. 5, n. 2, p. 215 – 221, 1997. • SENTELHAS, P.C., CARAMORI, P.H. Inconsistências na medida da chuva com pluviômetros de báscula, utilizados em estações meteorológicas automáticas. Revista Brasileira de Agrometeorologia, Santa Maria, v. 10, n. 2, p. 301 – 304, 2002. • SCARPARE et. Al. COMPARAÇÃO DA UNIFORMIDADE DE DADOS METEOROLÓGICOS DE ESTAÇÃO METEOROLÓGICA CONVENCIONAL E AUTOMÁTICA - PIRACICABA/SP, Congresso de Agrometeorologia, 2006 • VAREJÃO-SILVA, M. A. “Meteorologia e Climatologia”Recife, 2005.