INFLUÊNCIAS CLIMÁTICAS SOBRE ALGUMAS BACIAS
HIDROGRÁFICAS DO ESTADO DE SÃO PAULO: APLICAÇÕES DE
SÉRIES TEMPORAIS PARA IDENTIFICAÇÃO DE TENDÊNCIA
Monica Cristina Meschiatti
Faculdade de Engenharia de Ambiental CEATEC/PUC-Campinas monicameschiatti@hotmail.com
Júlio César Penereiro
Grupo de Pesquisa em Modelagem Matemática CEATEC/PUC-Campinas
jcp@puc-campinas.edu.br
Resumo: O objetivo desta pesquisa foi identificar a
ocorrência de tendências em séries temporais relativas aos índices anuais de precipitação pluviométrica, tem-peratura média e vazão de rios, registradas em doze localidades pertencentes a algumas sub-bacias hidro-gráficas do Estado de São Paulo. Foram utilizadas as medições realizadas pelo Instituto Agronômico de Campinas (IAC) e pelo Sistema de Informações para o Gerenciamento de Recursos Hídricos do Estado de São Paulo (SigRH), com variabilidade temporal que depende da série estudada. Para cada série foram realizadas análises de regressão linear e os testes não paramétricos de Mann-Kendall e de Pettitt, visando identificar a presença de tendência. Os resultados con-firmam que cinco rios analisados acusaram ocorrên-cias de tendênocorrên-cias positivas e para apenas um encon-trou-se tendência negativa. Somente uma localidade apresentou aumento no índice de precipitação pluvio-métrica, enquanto que cinco registraram tendências positivas para a temperatura média. Nas demais loca-lidades analisadas não foram verificadas indícios de tendências dessas variáveis climáticas.
Palavras-chave: Tendência climática, séries
tempo-rais, educação ambiental.
Área do Conhecimento: Ciências Exatas e da Terra –
Matemática e Física.
1. INTRODUÇÃO
A possibilidade de mudanças no regime de temperatu-ra e precipitação é frequentemente apontada como causa da interferência do homem no ambiente, espe-cialmente devido aos desmatamentos [1] e pela cres-cente urbanização sem planejamento adequado [2]. Não obstante a essas interferências, sabe-se que o ciclo hidrológico de uma bacia hidrográfica é um pro-cesso complexo que também é influenciado pelas su-as característicsu-as físicsu-as, pelo clima local, e pelsu-as ati-vidades humanas [3]. O acelerado desenvolvimento urbano e agroindustrial ocorrido nas últimas décadas em algumas regiões do Brasil tem provocado a degra-dação dos seus recursos hídricos, 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 [4].
Estudos sobre alterações nos padrões climáticos lo-cais em bacias hidrográficas são de fundamental im-portância para verificar o comportamento desses sis-temas ao longo dos anos. Essa conduta possibilita ter uma melhor compreensão desses sistemas ambien-tais e, com isso, realizar previsões visando o planeja-mento dos recursos de água por meio de reservatórios para abastecimento de cidades e geração de energia elétrica, dentre outros.
Uma forma de estudar o clima local engloba análises nas instabilidades dos parâmetros climatológicos de dados em séries temporais, como temperaturas, pre-cipitação pluviométrica, umidade relativa do ar e pres-são atmosférica. Um método frequentemente empre-gado para essas análises é a verificação de tendência, ou seja, de alguma variação do parâmetro estudado, independentemente de suas causas.
Para realizar análises mais confiáveis envolvendo as variáveis climáticas é necessário aplicar e analisar métodos estatísticos paramétricos e não paramétricos, que possam fornecer informações importantes para a investigação de tendências climáticas e, eventualmen-te, de outras variáveis relacionadas, como é o caso das vazões em rios. Neste sentido, métodos não pa-ramétricos como os de Mann-Kendall e de Pettitt são frequentemente empregados, pois, segundo [5], eles possuem um maior embasamento estatístico para modelos teóricos de descrição climática.
A fim de aprofundar os comentários acima citados, a presente pesquisa visa realizar uma análise explorató-ria das séries históricas dos índices anuais de tempe-ratura média, precipitação pluviométrica e vazão em um rio, empregando regressão linear e a versão se-quencial do teste de tendência de Mann-Kendall [6] e o teste de ruptura de Pettitt [7]. A partir desses testes, realizou-se um diagnóstico sobre possíveis mudanças em dados climatológicos (temperaturas médias e pre-cipitações) e nas vazões de rios contidos em dez
sub-bacias hidrográficas distribuídas em doze localidades do Estado de São Paulo.
2. MATERIAS E MÉTODOS
Foram utilizadas as medidas anuais dos índices de precipitações pluviométricas e temperaturas médias de algumas localidades, além das vazões hídricas de alguns rios próximos a essas localidades que envolve-ram algumas sub-bacias hidrográficas dispersas pelo território paulista. Os dados de precipitações e tempe-raturas médias são relativos às estações medidoras de responsabilidade do Instituto Agronômico de Cam-pinas – IAC <ciiagro.sp.gov.br>, enquanto que os de vazões, são os medidos pelas estações pertencentes ao Sistema de Informações para o Gerenciamento de Recursos Hídricos do Estado de São Paulo – SigRH <sigrh.sp.gov.br>.
A Figura 1 ilustra o mapa das sub-bacias hidrográficas do Estado de São Paulo, destacando as localidades onde foram coletadas as informações relativas à pre-cipitação e temperatura média (indicados em verme-lho) e à vazão (indicados em azul). Ressalta-se que os dados climáticos aqui empregados foram coletados no mesmo local, enquanto que os dados relativos às va-zões foram aqueles que apresentavam a estação me-didora (SigRH) mais próxima possível da localidade onde foram medidos os parâmetros climáticos (IAC).
Figura 1. Mapa do Estado de São Paulo delimitando as sub-bacias hidrográficas e a localização das estações medidoras, cujos dados foram usados nesta pesquisa.
O período estudado de cada série depende dos dados disponíveis de uma determinada estação medidora. Visando a realização de análises estatísticas, foram empregados os métodos paramétricos (regressão li-near) e não paramétricos (de Mann-Kendall e de Pet-titt), descritos em Penereiro e Ferreira [8].
Todos os dados foram organizados e trabalhados por meio de gráficas em planilhas do aplicativo Microsoft
Excel.
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Optou-se ao longo dessa pesquisa por apresentar al-guns resultados em forma gráfica, porém, complemen-tando a esses, é apresentada uma tabela resumindo as informações obtidas nas análises estatísticas. Para a realização das análises, diversos procedimentos fo-ram feitos por meio de planilhas eletrônicas aplicando os diferentes recursos ali existentes.
3.1. Testes paramétricos (Regressão linear)
A fim de mostrar as aplicações do teste paramétrico de regressão linear, a Figura 2 ilustra três situações com comportamentos diferentes de cada série tempo-ral estudada em dados desta pesquisa. O gráfico da Figura 2a mostra um acréscimo no comportamento da reta ajustada, que indica um aumento na temperatura média ( a > 0) para Ribeirão Preto entre 1953 e 2010. Entretanto, o gráfico da Figura 2b revela um compor-tamento estável ( a ≈ 0) do índice de precipitação para Limeira no período de 1934 a 2010, enquanto que o gráfico da Figura 2c indica uma diminuição do mesmo índice ( a < 0) para a cidade de Votuporanga entre 1989 e 2010.
Figura 2. Análise da regressão linear aplicada aos pon-tos suavizados para: (a) Temperatura média para Ribei-rão Preto; (b) Precipitação pluviométrica para Limeira e
Entre as doze localidades analisadas, nas séries de Adamantina, Campinas e Votuporanga foram detecta-dos indícios de diminuições nos regimes de precipita-ções ( a < 0). Para as séries dos rios Atibaia e Piraci-caba também foram registrados indícios de decrésci-mos nos níveis de vazões desses rios. Entretanto, pa-ra todas as localidades fopa-ram encontpa-rados indícios de aumento nos índices de temperaturas médias ( a > 0). No que concerne à qualidade dos ajustes efetuados, foram medidos os índices R2 de cada série temporal. Vale salientar que quanto mais próximo da unidade o índice R2 menor a dispersão dos dados e, consequen-temente, melhor o ajuste efetuado. Essas informa-ções, assim como a equação da reta ajustada podem ser visualizadas nos gráficos da Figura 2.
O intervalo de confiança (IC95%), que significa a pro-babilidade do coeficiente angular de uma variável en-contrar-se no intervalo calculado de 95% dos dados, também foi determinado para cada série. Esses valo-res dependem da variável que está sendo tratada, por isso há uma grande distribuição de intervalos.
3.2. Testes não paramétricos
Embora as análises de regressão mostradas anterior-mente por meio de gráficos (como os da Figura 2) re-presentem as possibilidades de eventuais tendências das séries de dados estudadas, os intervalos de confi-ança empregados para esse tipo de análise tornam-se limitados para tomar a decisão se a determinada a-mostra sofre ou não tendência. Por conseguinte, análi-ses mais detalhadas e adequadas podem ser realiza-das complementarmente, empregando-se outros tes-tes estatísticos não paramétricos, como os tes-testes-tes de Mann-Kendall e Pettitt, que passam a ser analisados para cada variável estudada em algumas localidades e sub-bacias.
Algumas formas gráficas dos testes de Mann-Kendall e de Pettitt obtidos nesse estudo para a variável climá-tica temperatura média estão mostradas na Figura 3 para as cidades de Pindamonhangaba, Ribeirão Preto e Adamantina, respectivamente.
Em ambos os testes as linhas horizontais pontilhadas indicam os limites dos intervalos de 5% e 10%. Vale ressaltar que, no teste de Mann-Kendall, a tendência é significativa quando os valores absolutos de U
( )
tn são maiores que os intervalos de confiança e o início des-sa tendência pode ser identificado pela intersecção das curvas U( )
tn (em traçado contínuo) e U*( )
tn (em traçado pontilhado) nos gráficos da Figura 3 (parte inferior). Porém isso deve ocorrer dentro dos valores críticos dos intervalos de confiança [8 e 9].No caso do teste de Pettitt (parte superior dos gráficos da Figura 3, mas obedecendo a mesma notação do teste anterior), o ponto de mudança brusca de K
( )
t(tomado em módulo) ocorre quando este for maior que
os limites críticos estabelecidos. No entanto, essa condição deixa de ser verdadeira quando os valores que estão em seguida ao valor crítico oscilam em in-tervalos próximos ao valor máximo. Nesta situação, o último valor do intervalo de oscilação indica o ponto de início da tendência [7].
Figura 3. Exemplos dos testes de Mann-Kendall (inferior e na cor preta) e Pettitt (superior e em vermelho) para os dados de temperatura média nas localidades de (a) Pin-damonhangaba, (b) Ribeirão Preto e (c) Adamantina.
Como é possível verificar nos gráficos acima, identifi-cou-se tendência na temperatura média para Pinda-monhagaba e Ribeirão Preto, mas não para Adaman-tina, pois neste caso o teste de Pettitt não acusou mu-dança e nem cruzou os intervalos de 5% e 10%. Os resultados gráficos dos testes não paramétricos para o índice de precipitação e de vazão de rio em outras localidades analisadas neste estudo estão a-presentados nos gráficos das Figuras 4 e 5, respecti-vamente. Assim como para temperatura média, as linhas horizontais pontilhadas indicam os limites dos intervalos de 5% e 10%.
A Tabela 1 resume todas as análises efetuadas para todas as séries temporais de precipitação (P),
tempe-ratura média (T) e vazão (V), estudadas e avaliadas empregando testes estatísticos não paramétricos.
Figura 4. Os testes não paramétricos aplicados aos da-dos de precipitação pluviométrica das localidades de (a) Pariquera-Açu e (b) Campinas. Inferior e na cor preta o teste de Mann-Kendall; superior e em vermelho o teste de Pettitt.
Figura 5. Idem as figuras 3 e 4, porém aplicados às me-didas das vazões dos rios (a) Sorocaba, (b) Piracicaba e (c) Atibaia.
Nesta tabela encontram-se as localidades e rios que passam próximos a essas, além das variáveis analisa-das, períodos dos dados trabalhados, resultados acu-sados por cada um dos testes (“dentro” e “fora”, para afirmar ou não, se as curvas estatísticas estão entre os intervalos de confiança). A última coluna mostra a verificação se a tendência foi confirmada ou não, inclu-indo também, o ano a partir do início da ocorrência. 4. CONSIDERAÇÕES FINAIS
As análises exploratórias realizadas para os dados anuais de temperatura média das localidades traba-lhadas não apresentaram indícios de tendências cli-máticas de queda em seus valores. Entretanto, os da-dos para essa variável nos municípios de Pindamo-nhangaba, Ribeirão Preto, Limeira, Tatuí e Votuporan-ga apresentaram tendência de elevação. Uma possível justificativa para esse aumento está nos crescimentos dessas cidades, interferindo no micro-clima de cada região. Nas demais localidades analisadas não ocorre-ram indícios de tendências dessa variável climática. No que concerne às séries de precipitação pluviomé-trica, observou-se que apenas para a localidade de Pariquera-Açú os testes de Mann-Kendall e Pettitt re-gistraram tendências de elevação desse índice climá-tico, com início aproximado no ano de 1995. Nas de-mais localidades analisadas não foram identificados indícios de tendências.
Quanto ao regime hidrológico dos rios que drenam as sub-bacias analisadas, cinco séries indicaram haver tendência de elevação no índice de vazão (rios: Agua-peí, Paraíba do Sul, Pardo, Sorocaba e Turvo) e ape-nas para o rio Atibaia, na região de Campiape-nas, foi pos-sível registrar uma diminuição na vazão a partir de 1957. As análises não confirmaram qualquer tendên-cia para os rios Camanducaia, Tietê (nas regiões de Mogi das Cruzes e de Buritama), Piracicaba (região de Artemis), Ribeira de Iguape e Taquari (na região de Itapeva).
Assim, a identificação de alterações no comportamen-to da temperatura média, precipitação e vazão de um rio, por meio das análises de regressão linear, em consonância com os testes de Mann-Kendall e Pettitt, pode ser um instrumento eficiente nos estudos para possíveis tomadas de decisões quanto às estratégias para conter os impactos nos ecossistemas adjacentes a uma determinada sub-bacia hidrográfica. Além dis-so, esses testes podem desencadear eventuais identi-ficações de alterações climáticas pela ocupação urba-na ou no regime hídrico devido às ações humaurba-nas. Essas ações podem estar relacionadas com assorea-mentos, lançamento de resíduos sólidos, entrada de operação de uma barragem formada por uma usina hidroelétrica, dentre outras possibilidades.
Maiores detalhes sobre este trabalho de pesquisa po-de ser verificado no artigo submetido e recém-aceito
para publicação na Revista Geográfica Acadêmica [10].
Tabela 1. Síntese das análises estatísticas empregando os testes Mann-Kendall e Pettitt para precipitação, temperatura média e vazão.
Cidade Rio Série Período Mann-Kendall Pettitt Tendência
Adamantina P 1982 – 2010 Dentro Fora (?)
T 1982 – 2010 Dentro Fora (?)
(Luisiana) Aguapei V 1948 – 2003 Dentro Dentro (+)1971
Campinas P 1890 – 2010 Dentro Fora (?)
T 1890 – 2010 Fora Dentro (?)
(Itatiba) Atibaia V 1930 – 1996 Dentro Dentro (-)1957
Monte Alegre do Sul P 1943 – 2010 Dentro Fora (?)
T 1953 – 2010 Fora Dentro (?)
(Monte Alegre do Sul) Camanducaia V 1945 – 2003 Dentro Fora (?)
Pindamonhagaba P 1952 – 2010 Dentro Fora (?)
T 1952 – 2010 Dentro Dentro (+)1968
(Cachoeira Paulista) Paraíba do Sul
V 1956 – 1995 Dentro Dentro (+)1982
Guarulhos P 1983 – 2010 Dentro Fora (?)
T 1986 – 2010 Dentro Dentro (+)1992
(Mogi das Cruzes) Tietê V 1965 – 2004 Fora Fora (?)
Buritama P 1971 – 2000 Dentro Fora (?)
T 1994 – 2010 Dentro Dentro (-)2002
(Buritama) Tietê V 1970 – 1979 Dentro Fora (?)
Ribeirão Preto P 1953 – 2010 Dentro Fora (?)
T 1953 – 2010 Dentro Dentro (+)1992
(Ribeirão Preto) Pardo V 1941 – 2001 Dentro Dentro (+)1971
Limeira P 1934 – 2010 Dentro Fora (?)
T 1953 – 2010 Dentro Dentro (+)1993
(Piracicaba) Piracicaba V 1944 – 2003 Dentro Fora (?)
Pariquera Açu P 1957 – 2010 Dentro Dentro (+)1995
T 1957 – 2010 Dentro Fora (?)
(Eldorado) Ribeira de Iguape V 1939 – 2001 Fora Fora (?)
Tatuí P 1938 – 2010 Dentro Fora (?)
T 1954 – 2010 Dentro Dentro (+)1972
(Tatui) Sorocaba V 1960 – 2003 Dentro Dentro (+)1988
Itararé P 1977 – 2010 Dentro Fora (?)
T 1977 – 2010 Dentro Fora (?)
(Itapeva) Taquari V 1947 – 1997 Dentro Fora (?)
Votuporanga P 1989 – 2010 Dentro Fora (?)
T 1977 – 2010 Dentro Dentro (+)1998
(Olimpia) Turvo V 1964 – 1998 Dentro Dentro (+)1973
(?) significa tendência não detectada; (+) tendência crescente e (-) tendência decrescente com o ano de ocorrência a seguir.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos ao CNPq, através do programa PIBIC, além da PROPESQ e a Reitoria da PUC-Campinas, que concederam as bolsas de Iniciação Científica
nos períodos 2010-2011 e 2011-2012, respectiva-mente.
REFERÊNCIAS
[1] Serra Filho, R. et al. (1975), Levantamento da cobertura vegetal natural e do reflorestamento no Estado de São Paulo. Boletim Técnico do
Institu-to Florestal, v.11, p.1-56.
[2] Karl, T. R. et al. (1988), Urbanization: its detection and effect in the United States climate record.
Journal of Climate, v.1 n.11, p.1099-1123.
[3] Zhenmei, M. et al. (2008), Analysis of impacts of climate variability and human activity on stream-flow for a river basin in arid region of northwest China. Journal of Hydrology, v.352, n.3-4, p.239-249.
[4] Groppo, J. D. et al. (2001), Análise de séries tem-porais de vazão e precipitação na bacia do rio Pi-racicaba. Revista Ciência & Tecnologia, v.8 n.18, p.109-117.
[5] Sansigolo, C. A.; Nery, J. T. (2000), Distribuição de extremos de temperatura mínima no estado do Paraná. Revista Brasileira de
Agrometeorolo-gia, v.8, n.2, p.247-253.
[6] Sneyers, R. (1975), Sur l´Analyse Statistique dês
Séries d´Observations. OMM - Organisation
Mé-téorologique Mondial, 192 p.
[7] Pettitt, A. N. (1979), A non-parametric approach to the change-point problem. Applied Statistics, v.28 n.2, p.126-135.
[8] Groppo, J. D. et al. (2005), Análise de séries tem-porais de vazão e precipitação em algumas bacias do Estado de São Paulo com diferentes graus de intervenções antrópicas. Geociências, v.24 n.2, p.181-193.
[9] Penereiro, J. C.; Ferreira, D. H. L. (2011), Esta-tística apoiada pela tecnologia: uma proposta pa-ra identificar tendências climáticas. Acta
Scien-tiae, v.13 n.1, p. 87-105.
[10] Meschiatti, M. C. et al. (2012), Caracterização estatística de tendências em séries anuais de dados hidro-climáticos no estado de São Paulo.
Revista Geográfica Acadêmica. aceito para
