Métodos Quantitativos de Análise de Física do Ambiente
Comparação de Dados de Estações
Meteorológicas Convencional e Automática
Gustavo Luís de Carvalho
Piracicaba – Esalq 2007
1 Introdução
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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.
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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.
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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.
2 Materiais e métodos
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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
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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.
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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
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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.
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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.
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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).
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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.
3 Resultados e Discussões
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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. Verificouse, 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.).
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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).
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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.
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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).
4 Conclusão
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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.
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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.
Bibliografia Consultada
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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
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VAREJÃO-SILVA, M. A. “Meteorologia e Climatologia”Recife, 2005.