Controle de Qualidade

Segundo Guetter et al. (2005), a atividade de controle de qualidade dos dados representa um grande desafio para a análise de extremos de vento, pois muitas vezes o registro suspeito, decorrente de uma transmissão de dados espúria tem magnitude comensurável com as possíveis ocorrências de eventos severos e sua exclusão só é possível com análises espaciais e através de análises de variáveis múltiplas. O controle de qualidade deve excluir registros espúrios, que se mantidos aumentariam a freqüência de casos extremos, distorcendo a estimativa de parâmetros que produzem a função de probabilidade de extremos e os tempos de retorno. O controle de qualidade não pode, em nenhum de seus testes, excluir registros extremos reais.

O método utilizado para o controle de qualidade de dados no presente estudo foi proposto por Shafer et al. (2000), que a desenvolveram visando o controle e alerta automático da qualidade de dados para a rede meteorológica de mesoescala da região de Oklahoma nos EUA. Esta metodologia permite identificar e destacar dados suspeitos para posterior análise de consistência. As rotinas de controle e alerta da qualidade dos dados nunca os alteram, entretanto todos os dados medidos são associados a classificações de qualidade (bom, suspeito, aviso e falha) que indicam o nível de confiança do dado. Os testes realizados nesta metodologia, e aplicáveis às estações meteorológicas do SIMEPAR, podem ser divididos em: (1) de amplitude, (2) de variação, (3) de persistência e (4) espacial.

O teste de amplitude foi baseado na combinação entre as especificações de performance de cada sensor e extremos climáticos anuais ao longo de Oklahoma. Cada parâmetro tem limites pré-determinados. Qualquer observação fora dos limites dos valores máximos e mínimos permitidos é classificada como “falha”. O teste de amplitude é o único teste capaz de indicar uma falha por si só. Como no banco de dados do SIMEPAR são raríssimas as ocorrências de valores de vento inferiores ou superiores à banda de limitação dos instrumentos do SIMEPAR (0 a 60 m.s-1), o teste de amplitude proposto por Shafer et al.

(2000) foi adaptado de forma a indicar valores fora do intervalo [0,3 ; 25,0] m.s-1, classificando-os como suspeitos.

O teste de variação compara a mudança de valor entre duas observações consecutivas. Se a diferença excede um valor máximo permitido, a observação é classificada como “aviso”. Se qualquer uma das observações está faltando, o teste não a classifica. Segundo, Shafer et al.

no datalogger ou na comunicação.

O teste de persistência calcula o desvio-padrão dos dados medidos durante um dia completo, de uma determinada estação. Se o desvio-padrão está abaixo de um valor mínimo permitido, os valores de todos os dados utilizados no cálculo são classificados como “suspeito” ou “aviso”, dependendo da diferença entre o desvio-padrão calculado e o valor mínimo permitido. Este teste também utiliza a diferença entre duas observações consecutivas, calculado pelo teste de variação. Se esta diferença é menor que um valor mínimo permitido, todos os valores são classificados como “suspeitos” ou “avisos”, dependendo da magnitude desta diferença.

O teste espacial tem a finalidade de detectar erros grosseiros em observações individuais. Estas observações são ponderadas de acordo com suas distâncias em relação à estação analisada, conforme a Eq. 3.1:

Z_e=

∑

∑

onde Ze é o valor estimado de um parâmetro em uma determinada estação, zi é cada observação e w é o peso atribuído ao valor observado, associado à distância entre o ponto de observação e o ponto que está sendo estimado (ri). Os pesos decrescem exponencialmente com a distância da estação de acordo com a Eq. 3.2:

wr_i=exp⁻r_i² k0

 (3.2)

onde k0 é a função peso determinada pela rotina de Barnes. O raio de influência estimado por Shafer et al. (2000) para a rede de monitoramento de Oklahoma foi de 100 km.

Todas as estações dentro do raio de influência, excetuando-se a estação que está sendo analisada e aquelas que apresentam dados classificados como “suspeitos”, “avisos” ou “falhas”, têm calculados a média, a mediana e o desvio-padrão de seus dados. A diferença entre os valores observados e estimados é comparada com o desvio-padrão:

=z_e−z₀

qualquer observação em que a diferença excede em duas vezes a magnitude do desvio-padrão ( 2 ) é classificada como “suspeita”; e qualquer observação em que 3 é classificada como “aviso”. Se um número menor que seis estações são selecionadas para a análise de uma determinada estação, o teste espacial não classifica nenhuma observação.

Devido ao maior espaçamento entre as estações componentes da rede meteorológica do SIMEPAR, se comparado ao espaçamento da rede meteorológica de mesoescala de Oklahoma, o teste espacial foi adaptado de forma a considerar todas as estações cujos dados foram analisados. O papel de seleção das estações vizinhas a serem consideradas no cálculo das médias das velocidades do vento ponderadas pela distância, foi confiado aos pesos atribuídos a cada valor.

No teste espacial adotou-se o limite máximo de diferença entre a velocidade do vento medida na estação analisada e a média ponderada pela distância dos ventos medidos nas estações vizinhas como sendo de 5,0 m.s-1.

Para evitar que uma série de observações com baixo desvio-padrão, em relação aos sistemas atmosféricos atuantes em determinada região, seja classificada como “suspeita” ou “aviso”, são determinados valores máximos de amplitude, variação e persistência para os desvios-padrões da velocidade, velocidade máxima e direção do vento. A Tabela 3.3 contém os valores máximos e mínimos utilizados por Shafer et al. (2000) no controle e alerta automático da qualidade de dados para a rede meteorológica de mesoescala da região de Oklahoma nos EUA. A Tabela 3.4 apresenta os valores máximos e mínimos utilizados no presente estudo.

Tabela 3.3 – Valores máximos e mínimos do controle de qualidade dos dados de vento da rede meteorológica de mesoescala de Oklahoma (SHAFER et al., 2000)

Parâmetro Unidade Amplitude Variação Persistência Desvio-padrão espacial

Rajada m s-1 0/100 80 0,1 10

Tabela 3.4 – Lista de valores máximos e mínimos permitidos para o controle dos dados de vento medidos pela rede meteorológica do SIMEPAR

Parâmetro Unidade Amplitude Variação Persistência Desvio-padrão espacial

As determinações produzidas por cada um destes testes são enviadas para um algoritmo de tomada de decisões. Este algoritmo sinaliza, primeiramente, todas as observações faltantes, para combinar os resultados obtidos pelos testes espacial e de variação.

Esta combinação é realizada porque o teste de variação, por si só, não consegue diferenciar se a mudança abrupta na magnitude ou na direção do vento se dá no sentido de aproximar ou de distanciar seus valores à média amostral. Ao combinar os resultados dos testes de variação e espacial, a mudança abrupta que distancia os valores da magnitude ou da direção do vento da média amostral é associada a uma sinalização mais severa. Os testes espacial e de variação combinados produzem uma sinalização de “falha” se uma observação está sinalizada por ambos, ou uma sinalização de “suspeita” se esta observação está sinalizada apenas pelo teste de variação. Se o dado está sinalizado apenas pelo teste espacial, esta é retida.

Após estes ajustes, o algoritmo atribui aos dados os resultados de cada teste de qualidade, classificando-os como “bom”, “suspeito”, “aviso” ou “falha”.