UNIVERSIDADE FEDERAL DE PELOTAS FACULDADE DE METEOROLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM METEOROLOGIA
ANÁLISE DE PRECIPITAÇÃO EM PELOTAS-RS
UTILIZANDO TRANSFORMADA WAVELET DE
MORLET
IVANI BIERHALS HARTER
Dissertação apresentada à Universidade Federal de Pelotas, sob a orientação do Prof. Dr. Srinivasa Rao Chapa, como parte das exigências do Programa de Pós-Graduação em Meteorologia, para obtenção do Título de Mestre em Ciências.
PELOTAS
Rio Grande do Sul - Brasil Dezembro de 2004
Dados de catalogação na fonte: Ubirajara Buddin Cruz – CRB-10/901 Biblioteca de Ciência & Tecnologia - UFPel
H328a Harter, Ivani Bierhals
Análise de precipitação em Pelotas-RS utilizando trans-formada wavelet de Morlet / Ivani Bierhals Harter ; orientador Srinivasa Rao Chapa. – Pelotas, 2004. – 85f. : il. color. – Dis-sertação (Mestrado). Programa de Pós-Graduação em Mete-orologia. Faculdade de MeteMete-orologia. Universidade Federal de Pelotas. Pelotas, 2004.
1.Meteorologia. 2.Transformada wavelet. 3.Precipitação. 4.Oscilações intrasazonais. 5.Pelotas. I.Chapa, Srinivasa Rao. II. Título.
IVANI BIERHALS HARTER
ANÁLISE DE PRECIPITAÇÃO EM PELOTAS-RS
UTILIZANDO TRANSFORMADA WAVELET DE
MORLET
Dissertação apresentada à Universidade Federal de Pelotas, sob a orientação do Prof. Dr. Srinivasa Rao Chapa, como parte das exigências do Programa de Pós-Graduação em Meteorologia, para obtenção do Título de Mestre em Ciências.
Aprovada em, dezembro de 2004
_____________________________________________ Orientador: Prof. Dr. Srinivasa Rao Chapa
_____________________________________________ Co-orientador: Prof. Dr. José Francisco Dias da Fonseca
_____________________________________________ Examinador interno: Prof. Dr. João Batista da Silva
_____________________________________________ Examinador externo: Prof. Dr. Otávio Costa Acevedo
AGRADECIMENTOS
Aos meus familiares, pelo incentivo que sempre me deram durante minha vida profissional.
Ao professor Srinivasa Rao Chapa, pela orientação e amizade durante o curso e elaboração deste trabalho.
Ao professor José Francisco Dias da Fonseca, pela co-orientação e importantes ensinamentos na parte de teórica que constitui esse trabalho.
Aos meus colegas de curso pela relação de companheirismo durante as disciplinas que cursamos juntos.
A todos os colegas, tanto do curso de Mestrado, quanto de graduação, que trabalharam comigo, e demais pessoas que direta ou indiretamente me ajudaram no decorrer do curso e que gerou esse trabalho.
ÍNDICE
Página
LISTA DE TABELAS v
LISTA DE FIGURAS vii
RESUMO ix
ABSTRACT x
1. INTRODUÇÃO... 1
2. REVISÃO BIBIOGRÁFICA... 3
2.1. Sistemas meteorológicos atuantes no sul do Brasil no inverno... 3
2.1.1. Sistemas de mesoescala... 4
2.1.2 Sistemas de escala sinótica... 4
2.1.3 Sistemas de grande escala... 8
2.2 Oscilações intrasazonais... 10
2.3 Estudos geofísicos utilizando a transformada wavelet... 11
3. ASPECTOS TEÓRICOS... 14
3.1. Análise no tempo e na freqüência... 14
3.2 Transformada de Fourier... 15
3.3 Transformada de Fourier de curta duração (TFCD)... 16
3.4 Transformada wavelet... 16
3.5 Transformada wavelet (TW) contínua... 17
3.6 Funções wavelets... 18
3.7 Exemplos de wavelets unidimensionais... 19
4. MATERIAIS MÉTODO... 23
4.1. Materiais... 23
4.2. Método... 23
5. APLICAÇÃO DA TWM EM SINAIS SIMULADOS ... 27
5.1 Comparação das transformadas de Fourier, de Gabor e Wavelet... 27
5.2 Escolha adequada do vetor de onda ()... 31
5.3 Melhorando a resolução da TWM por escolha de voices por octave... 33
6. APLICAÇÃO DE TWM AOS DADOS METEOROLÓGICOS... 37
6.1 Aplicação da TWM nas variáveis meteorológicas... 38
6.2 Correlações dos dados diários das variáveis meteorológicas... 48
6.3 Correlações da componente real da TWM das variáveis meteorológicas. 52 7. CONCLUSÕES... 78
LISTA DE TABELAS
Página
TABELA 1. Valores de t para os níveis de probabilidade de 0,05; 0,01 e 0,001 e para N de 1 a 100...
26 TABELA 2. Periodicidades quando 3, 5, 10 e 15, para v = 10,
dadas através da equação (5.2), para m números de octaves e n números de voices por octave... 32 TABELA 3. Periodicidades quando 20, para v = 20, dadas
através da equação (5.2), para 3653 observações, m números de octaves e n números de voices por octave... 43 TABELA 4. Bandas de oscilação de PPT, em JJA de 1995 a 2002,
obtidas através da componente real de TWM... 45 TABELA 5 Resultados dos coeficientes de correlação entre os dados
diários de precipitação e os dados diários de PNMM, nebulosidade e umidade relativa, para os meses de JJA de 1995 a 2002 e respectivos coeficientes do teste t-Student... 49 TABELA 6. Coeficientes de correlação entre os vetores de TWM de
PPT e de PNMM, teste t-Student e variância média e total das correlações, durante o período de JJA de 1995... 51 TABELA 7. Coeficientes de correlação entre os vetores de TWM de
PPT e de PNMM, teste t-Student e variância média e total das correlações, durante o período de JJA de 1996... 53 TABELA 8. Coeficientes de correlação entre os vetores de TWM de
PPT e de PNMM, teste t-Student e variância média e total das correlações, durante o período de JJA de 1997... 55 TABELA 9. Coeficientes de correlação entre os vetores de TWM de
PPT e de PNMM, teste t-Student e variância média e total das correlações, durante o período de JJA de 1998... 57 TABELA 10. Coeficientes de correlação entre os vetores de TWM de
PPT e de PNMM, teste t-Student e variância média e total das correlações, durante o período de JJA de 1999... 59 TABELA 11. Coeficientes de correlação entre os vetores de TWM de
PPT e de PNMM, teste t-Student e variância média e total das correlações, durante o período de JJA de 2000... 61
TABELA 12. Coeficientes de correlação entre os vetores de TWM de PPT e de PNMM, teste t-Student e variância média e total das correlações, durante o período de JJA de 2001... 63 TABELA 13. Coeficientes de correlação entre os vetores de TWM de
PPT e de PNMM, teste t-Student e variância média e total das correlações, durante o período de JJA de 2002... 65 TABELA 14. Resultados das bandas de vetores, com altas
correlações, de PNMM, NEB e UR nas bandas de oscilação de PPT em 1995... 67 TABELA 15. Resultados das bandas de vetores, com altas
correlações, de PNMM, NEB e UR nas bandas de oscilação de PPT em 1996... 67 TABELA 16 Resultados das bandas de vetores, com altas
correlações, de PNMM, NEB e UR nas bandas de oscilação de PPT em 1997... 68 TABELA 17 Resultados das bandas de vetores, com altas
correlações, de PNMM, NEB e UR nas bandas de oscilação de PPT em 1998... 68 TABELA 18. Resultados das bandas de vetores, com altas
correlações, de PNMM, NEB e UR nas bandas de oscilação de PPT em 1999... 69 TABELA 19. Resultados das bandas de vetores, com altas
correlações, de PNMM, NEB e UR nas bandas de oscilação de PPT em 2000... 69 TABELA 20 Resultados das bandas de vetores, com altas
correlações, de PNMM, NEB e UR nas bandas de oscilação de PPT em 2001... 70 TABELA 21 Resultados das bandas de vetores, com altas
correlações, de PNMM, NEB e UR nas bandas de oscilação de PPT em 2002... 70
LISTA DE FIGURAS
Página
FIGURA 1. Formas de wavelet. (a) Haar, (b) Gaussiana, para
44311 , 0
e (c) Chapéu Mexicano, para 0,63628……… 21 FIGURA 2. Dilatações e translações de wavelet de Morlet para
5.4... 22 FIGURA 3. (a) Séries de tempo com diferentes freqüências em
blocos consecutivos, (b) Transformada de Fourier, (c) TFCD janela de (1 a 400), (d) TFCD janela de (401 a 800), (e) TFCD janela de (801 a 1200) e (f) Componente real da Transformada Wavelet... 28 FIGURA 4. (a) Séries de tempo com diferentes freqüências
sobrepostas, (b) Transformada de Fourier, (c) TFCD janela de (1 a 400), (d) TFCD janela de (401 a 800), (e) TFCD janela de (801 a 1200) e (f) Componente real da Transformada Wavelet... 28 FIGURA 5. Componente real da TWM para o sinal de periodicidade
7, com = 3, 5, 10 e 15, respectivamente (a), (b), (c) e (d)... 32 FIGURA 6. Componente real da TWM para os sinais simulados com
periodicidades: p = 7, 10, 20 e 23, = 10 e v = 10, = 10 e v = 30, = 30 e v = 10 e para = 30 e v = 30, respectivamente (a), (b), (c) e (d)... 34 FIGURA 7. Média sazonal de precipitação, Durante o período de
1994 a 2003 em Pelotas-RS... 35 FIGURA 8. Dados diários de precipitação em Pelotas-RS, durante
JJA, de 1994 a 2003 (a – j) respectivamente... 37 FIGURA 9. Dados diários de PNMM em Pelotas-RS, durante JJA, de
1994 a 2003 (a – j) respectivamente... 38 FIGURA 10. Dados diários de nebulosidade em Pelotas-RS, durante
JJA, de 1994 a 2003 (a – j) respectivamente... 39 FIGURA 11. Dados diários de umidade relativa em Pelotas-RS,
durante JJA, de 1994 a 2003 (a – j) respectivamente... 40 FIGURA 12. Componente real da TWM com 20 e 20,
aplicada aos dados diários de PPT, PNMM, NEB e UR da cidade de Pelotas-RS, para as observações de 1994 a 2003... 42
FIGURA 13. Zoom da componente real da TWM com 20 e 20
, de JJA, para Pelotas-RS, aplicada aos dados diários de PPT, para os anos de (a) 1995, (b) 1996, (c) 1997, (d) 1998, (e) 1999, (f) 2000, (g) 2001, (h) 2002...
43
FIGURA 14. Zoom da componente real da TWM com 20 e 20
, de JJA, para Pelotas-RS, aplicada aos dados diários de PNMM, para os anos de (a) 1995, (b) 1996, (c) 1997, (d) 1998, (e) 1999, (f) 2000, (g) 2001, (h) 2002... 46 FIGURA 15. Zoom da componente real da TWM com 20 e
20
, de JJA, para Pelotas-RS, aplicada aos dados diários de NEB, para os anos de (a) 1995, (b) 1996, (c) 1997, (d) 1998, (e) 1999, (f) 2000, (g) 2001, (h) 2002... 47 FIGURA 16. Zoom da componente real da TWM com 20 e
20
, de JJA, para Pelotas-RS, aplicada aos dados diários de UR, para os anos de (a) 1995, (b) 1996, (c) 1997, (d) 1998, (e) 1999, (f) 2000, (g) 2001, (h) 2002... 48
RESUMO
HARTER, IVANI BIERHALS. M.S., Universidade Federal de Pelotas, Dezembro 2004. Análise de precipitação em Pelotas-RS utilizando transformada
wavelet de Morlet. Orientador: Dr. Srinivasa Rao Chapa. Co-orientador: Dr.
José Francisco Dias da Fonseca.
O Estado do Rio Grande do Sul é destaque na produção agropecuária, principalmente na produção de grãos, que constituem importantes fontes de renda. Neste contexto, o entendimento dos fatores que contribuem para a variabilidade de determinados elementos climáticos são informações a serem buscadas para a elaboração futura de modelos de previsão do tempo. A transformada wavelet (TW) é uma técnica adequada para capturar variações nas periodicidades dos elementos meteorológicos numa determinada duração de tempo. Nesse trabalho foram discutidas as vantagens de TW sobre a transformada de Fourier e sobre a transformada de Fourier de curta duração. Os critérios necessários para escolher o valor próprio do vetor de onda da TW de Morlet e o número de voices por octaves foram discutidos. Utilizando a TW de Morlet as oscilações intrasazonais de precipitação durante os invernos de 1995 a 2002 em Pelotas-RS foram identificadas, depois elas foram correlacionadas com as oscilações similares de outras variáveis meteorológicas. Essa análise indica a relação estatística entre as oscilações atmosféricas das variáveis meteorológicas.
ABSTRACT
HARTER, IVANI BIERHALS, M.S., Universidade Federal de Pelotas, December 2004. Analysis of the precipitation in Pelotas-RS utilizing Morlet wavelet
transform. Adviser: Dr. Srinivasa Rao Chapa. Comitte: Dr. José Francisco Dias
da Fonseca.
The main sour of income for the Rio Grande do Sul state of Brazil is the agricultural production. In this context, a better understanding of the variation of meteorological elements is important in elaboration of weather prediction models. Wavelet transform (WT) is an appropriate technique to extract information of the periodic oscillations of meteorological elements during a determined time period. The advantages of WT over Fourier transform and Fourier transform of short duration were discussed. The necessary criteria for an appropriate value of Morlet wave vector, and the number of voices per octave were also discussed. Applying a Morlet wavelet transform on daily precipitation data over Pelotas-RS, intraseasonal oscillations were identified during the 1995 of 2002 winter season. These oscillations were correlated with the similar oscillations observed in the other meteorological elements. This analysis indicates a statistical relationship among oscillations of the meteorological elements.