UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA CAMPUS PRESIDENTE PRUDENTE FACULDADE DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIAS FERNANDA FERREIRA PACHECO MACEDO THAINARA MUNHOZ ALEXANDRE DE LIMA MONITORAMENTO DO VAPOR D’ÁGUA DURANTE EVENTOS EXTREMOS DE PRECIPITAÇÃO EMPREGANDO DIFERENTES TÉCNICAS Trabalho de Conclusão de Curso Engenharia Cartográfica e de Agrimensura Presidente Prudente - SP 2020 UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA CAMPUS PRESIDENTE PRUDENTE FACULDADE DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIAS FERNANDA FERREIRA PACHECO MACEDO THAINARA MUNHOZ ALEXANDRE DE LIMA MONITORAMENTO DO VAPOR D’ÁGUA DURANTE EVENTOS EXTREMOS DE PRECIPITAÇÃO EMPREGANDO DIFERENTES TÉCNICAS Trabalho de Conclusão de Curso Engenharia Cartográfica e de Agrimensura Presidente Prudente - SP 2020 Trabalho de conclusão de curso (TCC) do curso de graduação em Engenharia Cartográfica e de Agrimensura da Faculdade de Ciências e Tecnologias - UNESP - Universidade Estadual Paulista “Júlio Mesquita Filho” - Campus de Presidente Prudente - SP. Orientadores: Dra. Daniele Barroca Marra Alves Dra. Fernanda Sayuri Yoshino Watanabe Dra. Tayná Aparecida Ferreira Gouveia Ficha catalográfica elaborada pela Seção Técnica de Aquisição e Tratamento da Informação - Diretoria Técnica de Biblioteca e Documentação - UNESP, Campus de Presidente Prudente Macedo, Fernanda Ferreira Pacheco. M121m Monitoramento do vapor d’água durante eventos extremos de precipitação empregando diferentes técnicas / Fernanda Ferreira Pacheco Macedo, Thainara Munhoz Alexandre de Lima. - 2020 93 f. : il. Orientadoras: Daniela Barroca Marra Alves, Fernanda Sayuri Yoshino Watanabe, Tayná Aparecida Ferreira Gouveia Trabalho de conclusão (bacharelado - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura) - Universidade Estadual Paulista (Unesp), Faculdade de Ciências e Tecnologia, Presidente Prudente, 2020 Inclui bibliografia 1. Eventos extremos. 2. Precipitação. 3. Meteorologia. 4. Sensoriamento remoto. 5. GNSS. I. Lima, Thainara Munhoz Alexandre de. II. Alves, Daniela Barroca Marra. III. Watanabe, Fernanda Sayuri Yoshino. IV. Gouveia, Tayná Aparecida Ferreira. V. Universidade Estadual Paulista (Unesp), Faculdade de Ciências e Tecnologia, Presidente Prudente. VI. Título. Alessandra Kuba Oshiro Assunção CRB-8/9013 AGRADECIMENTOS Este trabalho foi realizado com o apoio e financiamento da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo - Processo n° 2017/11873-6, Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP). RESUMO A análise do comportamento, frequência e impacto de eventos climatológicos extremos vêm ganhando cada vez mais atenção mediante as significativas mudanças climatológicas globais, como por exemplo, o aquecimento global. Além disso, alterações no comportamento desses eventos podem estar associadas ao crescimento da população e consequente aumento da emissão de gases do efeito estufa. No Brasil, salvo exceções, os desastres naturais de maior impacto social, econômico e ambiental são causados por eventos extremos de precipitação, seja pelo alto volume de chuva, provocando inundações, ou pela sua escassez, caracterizando os longos períodos de seca. Assim, o conhecimento e o monitoramento desses eventos atmosféricos, em especial do vapor d’água, são essenciais para a prevenção e mitigação de desastres. Outro ponto que ressalta a importância do monitoramento da precipitação é a necessidade de água para múltiplos usos, como irrigação de culturas agrícolas e o abastecimento de água doméstico e industrial. Por isso, conhecer o ciclo hidrológico de uma região é fundamental para o seu desenvolvimento socioeconômico. Mediante este cenário, ao longo dos anos, inúmeros investimentos têm sido feitos para se obter uma caracterização detalhada da precipitação e dos fenômenos com ela relacionados, o que resulta em uma grande quantidade de dados, cada vez mais precisos. As principais fontes brasileiras para obtenção de parâmetros relacionados com precipitação são os pluviômetros e as estações meteorológicas (que incluem também o pluviômetro), mas que apesar de possuírem um grande reconhecimento de contribuições práticas, apresentam uma insuficiência de dados, devido à falta de medições e à baixa resolução espacial, principalmente na região Norte do país. Dessa forma, o principal objetivo deste estudo é analisar a aplicabilidade de técnicas alternativas para o estudo e monitoramento do vapor d’água durante a ocorrência de eventos extremos de precipitação relacionados com altos volumes de chuva. Para tanto, foram feitas análises de parâmetros atmosféricos ao longo de um ano de dados nas cidades de São Paulo e Belo Horizonte, a partir de dados fornecidos por estações de altitude - radiossondas, estações meteorológicas pluviômetros, GNSS (Global Navigation Satellite Systems), e sensores meteorológicos imageadores e não-imageadores. Os resultados obtidos estão de acordo com o esperado, indicando significativas correlações entre as informações das diferentes fontes, principalmente na análise do comportamento da atmosfera durante a ocorrência de eventos extremos de precipitação. Palavras-chave: Eventos extremos, precipitação, meteorologia, sensoriamento remoto, GNSS. ABSTRACT The analysis of the behavior, frequency and impact of extreme weather events has been gaining more and more attention due to significant global weather changes, such as global warming. In addition, changes in the behavior of these events may be associated with population growth and the consequent increase in greenhouse gas emissions. In Brazil, with some exceptions, natural disasters with the greatest social, economic and environmental impact are caused by extreme precipitation events, either by the high volume of rain, causing floods, or by their scarcity, characterizing the long periods of drought. Thus, knowledge and monitoring of these atmospheric events, especially water vapor, are essential for the prevention and mitigation of disasters. Another point that highlights the importance of monitoring rainfall is the need for water for multiple uses, such as irrigation of agricultural crops and domestic and industrial water supply. For this reason, knowing the hydrological cycle of a region is essential for its socioeconomic development. Through this scenario, over the years, numerous investments have been made to obtain a detailed characterization of precipitation and related phenomena, which results in a large amount of data, increasingly accurate. The main Brazilian sources for obtaining parameters related to precipitation are the rain gauges and the meteorological stations (which also include the rain gauges), but which despite having a great recognition of practical contributions, present a lack of data, due to the lack of measurements and low spatial resolution, mainly in the North of the country. Thus, the main objective of this study is to analyze the applicability of alternative techniques for the study and monitoring of water vapor during the occurrence of extreme precipitation events related to high volumes of rain. To this end, analyzes of atmospheric parameters were carried out over a year of data in the cities of São Paulo and Belo Horizonte, based on data provided by altitude stations - radiosonde, pluviometer weather stations, GNSS (Global Navigation Satellite Systems), and imager and non-imager meteorological sensors. The results obtained are in line with expectations, indicating significant correlations between information from different sources, mainly in the analysis of the behavior of the atmosphere during the occurrence of extreme precipitation events. Key words: Climate events, precipitation, remote sensing, GNSS. LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Circulação da atmosfera em diferentes épocas do ano, sendo (a) janeiro e (b) julho .............................................................................................................................................. 19 Figura 2 - Movimentação da Célula de Walker em condições normais ............................... 20 Figura 3 - Movimentação da Célula de Walker durante período do El Niño em (a); e Movimentação da Célula de Walker durante a ocorrência do El Niña em (b). .................... 21 Figura 4 - Fluxograma que mostra a relação entre os órgãos responsáveis por coletar informações acerca do monitoramento de desastres no Brasil, e o CENAD. ...................... 27 Figura 5 - Mapa que apresenta manchas de inundações na cidade de Porto Velho – RO, no entorno do Rio Madeira. A variação nas cores da mancha indica os diferentes níveis de elevação do nível do rio, sendo vermelho=19 m, laranja=18 m, amarelo=17 m e verde=16 m. .............................................................................................................................................. 28 Figura 6 - Exemplo de parte de um pluviograma, onde é mostrado a distribuição das alturas de chuva acumuladas no tempo. ........................................................................................... 33 Figura 7 - Espectro eletromagnético ..................................................................................... 36 Figura 8 - Propagação do sinal ao longo da ionosfera e da atmosfera neutra (troposfera) .. 38 Figura 9 - Mapa indicando as duas cidades (São Paulo e Belo Horizonte) definidas para avaliação dos dados de diferentes fontes e dos eventos extremos de precipitação. ............. 42 Figura 10 - Tabela de dados pluviométricos de Belo Horizonte. Da esquerda pra direita são mostradas nas colunas nome da cidade, código da estação, estado, local, latitude, longitude, hora, e precipitação em mm. ................................................................................................. 46 Figura 11 - Distribuição das estações de radiossonda na América do Sul. As estações utilizadas para avaliação do método em estudos de eventos de precipitação, localizadas nas cidades de São Paulo e Belo Horizonte aparecem destacadas em amarelo. ......................... 47 Figura 12 - Mapa de precipitação acumulada para a América do Sul no dia 10/06/2020, disponibilizada pelo DSA, obtida a partir de dados do satélite GOES-16. .......................... 51 Figura 13 - Eixo direito - ZTD em São Luiz, obtido pelo EMBRACE (azul) e pelo IGS (verde) durante o mês de março de 2019. Eixo esquerdo – discrepância em cm, entre o ZTD obtido pelo EMBRACE e pelo IGS. ................................................................................................ 53 Figura 14 - Eixo direito - ZTD em São Luiz, calculado por dados de radiossonda (ZTD/Rad) e dados do INMET (ZTD/INMET), do ZTD obtido pelo IGS (ZTD/IGS), no período de março/2019. Eixo esquerdo - diferença entre o ZTD/Rad e ZTD/IGS (amarelo) e entre o ZTD/INMET e ZTD/IGS (azul). .......................................................................................... 56 Figura 15 - Atraso úmido (ZWD) em São Paulo, obtido pela subtração do ZHD, calculado por dados de radiossonda (laranja) e dados do INMET (azul), do ZTD obtido pelo ZTD/EMBRACE, no período de março/2019 - março/2020. .............................................. 59 Figura 16 - Atraso úmido (ZWD) em Belo Horizonte, obtido pela subtração do ZHD, calculado por dados de radiossonda (laranja) e dados do INMET (azul), do ZTD obtido pelo ZTD/EMBRACE. ................................................................................................................. 59 Figura 17 - Parâmetros atmosféricos na cidade de Belo Horizonte entre março/2019 e março/2020 obtidos de diferentes fontes: pressão, temperatura e umidade (estações meteorológicas - INMET e radiossondas); precipitação (estação meteorológica - INMET, pluviômetros - ANA e CEMADEN); IWV (ZTD/GNSS - EMBRACE). ............................ 61 Figura 18 - Parâmetros atmosféricos da cidade de São Paulo entre março/2019 e março/2020 obtidos de diferentes fontes: pressão, temperatura e umidade (estações meteorológicas - INMET e radiossondas); precipitação (estação meteorológica - INMET, pluviômetros - ANA e CEMADEN); IWV (ZTD/GNSS - EMBRACE). .............................................................. 62 Figura 19 - Quantidade de vapor d’água ao longo da coluna vertical em cm, medido pelo sensor MODIS a bordo das plataformas Aqua e Terra, sobre a cidade de Belo Horizonte (destacada pelo retângulo vermelho), entre os dias 21/11/2019 e 25/11/2019. .................... 67 Figura 20 - Precipitação diária estimada pelo satélite GOES-16 sobre um recorte da América do Sul, com destaque para a cidade de Belo Horizonte (retângulo em preto), entre os dias 21//11/2019 e 25/11/2019. .................................................................................................... 67 Figura 21 - Parâmetros atmosféricos na cidade de Belo Horizonte obtidos entre os dias 21/11/2019 e 25/11/2019 a partir de diferentes fontes: pressão, temperatura e umidade (estações meteorológicas - INMET e radiossondas); precipitação (estação meteorológica - INMET, pluviômetros - ANA e CEMADEN; e sensores meteorológicos - GPM (IMERG)). .............................................................................................................................................. 68 Figura 22 - Quantidade de vapor d’água ao longo da coluna vertical em cm, medido pelo sensor MODIS a bordo das plataformas Aqua e Terra, sobre a cidade de Belo Horizonte (destacada pelo retângulo vermelho), entre os dias 22/01/2020 e 26/01/2020. .................... 70 Figura 23 - Precipitação diária estimada pelo satélite GOES-16 sobre um recorte da América do Sul, com destaque para a cidade de Belo Horizonte (retângulo em preto), entre os dias 22/01/2020 e 26/01/2020. ..................................................................................................... 70 Figura 24 - Parâmetros atmosféricos na cidade de Belo Horizonte obtidos entre os dias 22/01/2020 e 26/01/2020 a partir de diferentes fontes: pressão, temperatura e umidade (estações meteorológicas - INMET e radiossondas); precipitação (estação meteorológica - INMET, pluviômetros - ANA e CEMADEN; e sensores orbitais meteorológicos - GPM (IMERG)); IWV (radiossondas e ZTD/GNSS - EMBRACE). ............................................ 71 Figura 25 - Quantidade de vapor d’água ao longo da coluna vertical em cm, medido pelo sensor MODIS a bordo das plataformas Aqua e Terra, sobre a cidade de São Paulo (destacada pelo retângulo vermelho), entre os dias 03/07/2019 e 07/07/2019....................................... 73 Figura 26 - Precipitação diária estimada pelo satélite GOES-16 sobre um recorte da América do Sul, com destaque para a cidade de São Paulo, entre os dias 03/07/2019 e 07/07/2019. 73 Figura 27 - Parâmetros atmosféricos na cidade de São Paulo obtidos entre os dias 03/07/2019 e 07/07/2019 a partir de diferentes fontes: pressão, temperatura e umidade (estações meteorológicas - INMET e radiossondas); precipitação (estação meteorológica - INMET, pluviômetros - ANA e CEMADEN); IWV (radiossondas e ZTD/GNSS - EMBRACE). ... 74 Figura 28 - Quantidade de vapor d’água ao longo da coluna vertical em cm, medido pelo sensor MODIS a bordo das plataformas Aqua e Terra, sobre a cidade de São Paulo (destacada pelo retângulo vermelho), entre os dias 08/02/2020 e 12/02/2020....................................... 76 Figura 29 - Precipitação diária estimada pelo satélite GOES-16 sobre um recorte da América do Sul, com destaque para a cidade de São Paulo, entre os dias 08/02/2020 e 12/02/2020. 77 Figura 30 - Parâmetros atmosféricos na cidade de São Paulo obtidos entre os dias 08/02/2020 e 12/02/2020 a partir de diferentes fontes: pressão, temperatura e umidade (estações meteorológicas - INMET e radiossondas); precipitação (estação meteorológica - INMET, pluviômetros - ANA e CEMADEN); IWV (radiossondas e ZTD/GNSS - EMBRACE). ... 78 Figura 31 - Tabela de disponibilidade de dados para Belo Horizonte. Na primeira coluna a esquerda são mostrados os meses de março/2019 até março/2020; na primeira linha são mostrados os dias de 1 até 31. Para cada mês, cada linha representa uma fonte de dados: rosa – EMBRACE, azul – radiossonda (00h e 12h), amarelo – pluviômetros (CEMADEN e ANA), e verde – estação meteorológica. Os espaços em branco correspondem aos dias sem dados. .............................................................................................................................................. 93 Figura 32 - Tabela de disponibilidade de dados para São Paulo. Na primeira coluna a esquerda são mostrados os meses de março/2019 até março/2020; na primeira linha são mostrados os dias de 1 até 31. Para cada mês, cada linha representa uma fonte de dados: rosa – EMBRACE, azul – radiossonda (00h e 12h), amarelo – pluviômetros (CEMADEN e ANA), e verde – estação meteorológica. Os espaços em branco correspondem aos dias sem dados. .............................................................................................................................................. 93 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Coordenadas geodésicas das estações utilizadas em cada uma das fontes nas cidades de Belo Horizonte e São Paulo. ............................................................................................................. 43 Tabela 2 - Distâncias entre as estações utilizadas como fontes de dados e suas respectivas altitudes nas cidades de Belo Horizonte e São Paulo ...................................................................................... 43 Tabela 3 - Configurações do sensor MODIS a bordo dos satélites Aqua e Terra. ............................ 49 Tabela 4 - Configurações do sensor ABI a bordo do satélite GOES-16 ........................................... 50 LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS ANA - Agência Nacional de Águas ABIN - Agência Brasileira de Inteligência CEMADEN - Centro Nacional de Monitoramento e Alertas de Desastres Naturais CENAD - Centro Nacional de Gerenciamento de Riscos e Desastres CENSIPAM - Centro Gestor e Operacional do Sistema de Proteção da Amazônia CPTEC/INPE - Centro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos/Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais CPRM - Companhia de Pesquisa de Recursos Minerais DP - Desvio padrão DAS - Divisão de Satélites e Sistemas Ambientais/INPE EMBRACE - Estudo e Monitoramento Brasileiro de Clima Espacial EMS - Estações Meteorológicas de Superfície EMA – Estações Meteorológicas de Altitude ERM - Estações de Radares Meteorológicos GNSS - Global Navigation Sattelite System GPM - Global Precipitation Measurements GOES - Geostationary Operational Environmental Satellite IBAMA - Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e dos Recursos Naturais Renováveis IGS - International GNSS Service IMERG - Integrated Multi-satelliE Retrievals for GPM IWV - Integrated Water Vapour LAADS-DAAC - Level-1 and Atmosphere Archive and Distribution System - Distributed Active Archive Center MODIS - Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer PCDs - Plataformas de Coletas de Dados Automáticos RBMC - Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo REQM - Erro Médio Quadrático REM - Radiação Eletromagnética RHNR - Rede Hidrometeorológica Nacional de Referência SACE - Sistema de Alerta de Eventos Críticos SCM - Sistemas Frontais, Sistemas Convectivos de Mesoescala TRMM - The Tropical Rainfall Measuring Mission ZCAS - Zona de Convergência do Atlântico Sul ZCIT - Zona de Convergência Intertropical ZTD - Zenital Total Delay ZHD ou SHD - Zenital Hidrostatic Delay ZWD ou SWD - Zenital Wet Delay SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................................ 14 1.1. Objetivos ............................................................................................................................... 16 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ............................................................................................ 18 2.1. Características e formação de eventos extremos de precipitação .......................................... 18 2.1.1. Circulação geral da atmosfera ........................................................................................... 18 2.1.2. Precipitação ....................................................................................................................... 22 2.1.3. Eventos extremos de precipitação ..................................................................................... 23 2.2. Monitoramento de precipitação no Brasil ............................................................................. 25 2.2.1. Centro Nacional de Monitoramento e Alertas de Desastres Naturais (CEMADEN) ........ 26 2.2.2. Companhia de Pesquisa de Recursos Minerais (CPRM) .................................................. 27 2.2.3. Centro Nacional de Gerenciamento de Riscos e Desastres (CENAD) .............................. 29 2.2.4. Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos (CPTEC) ......................................... 30 2.3. Fontes de dados ..................................................................................................................... 30 2.3.1. Estações meteorológicas ................................................................................................... 31 2.3.1.1. Pluviômetro ................................................................................................................... 32 2.3.2. Radiossondas ..................................................................................................................... 34 2.3.3. Sensoriamento Remoto ..................................................................................................... 35 2.3.4. Satélite de navegação GNSS ............................................................................................. 38 3. MATERIAIS E MÉTODOS ..................................................................................................... 41 3.1. Áreas e período de estudo ..................................................................................................... 41 3.2. Fontes de dados aplicadas ..................................................................................................... 44 3.2.1. Fonte 1: Estações Meteorológicas ..................................................................................... 44 3.2.1.1. Fonte 2: Pluviômetros ................................................................................................... 45 3.2.2. Fonte 3: Radiossondas ....................................................................................................... 46 3.2.3. Fonte 4: Dados de Sensoriamento Remoto ....................................................................... 48 3.2.4. Fonte 5: Satélite de Navegação GNSS .............................................................................. 52 3.3. Validação da radiossonda e das estações meteorológicas (INMET) ..................................... 55 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ............................................................................................ 58 4.1. ZWD derivado de dados EMBRACE, radiossonda e INMET .............................................. 58 4.2. Avaliação temporal das diferentes fontes .............................................................................. 60 4.3. Estudo de caso ....................................................................................................................... 65 4.3.1. Estudo de caso - Belo Horizonte ....................................................................................... 66 4.3.2. Estudo de caso - São Paulo ............................................................................................... 72 5. CONCLUSÃO .......................................................................................................................... 80 REFERÊNCIAS ................................................................................................................................ 83 1. Introdução 14 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. 1. INTRODUÇÃO A precipitação pode ser entendida como a fase do ciclo hidrológico responsável pelo retorno das águas à superfície da Terra. Esse fenômeno, considerado aleatório no tempo e no espaço, provém das intervenções de fatores climáticos, característicos das regiões. Todo o regime hidrológico de uma região é determinado pelas suas características físicas, geológicas, topográficas e climatológicas (ZIPSER et al, 2006). Eventos de precipitação podem ser colocados, dependendo de suas características de ocorrência, dentro da categorização de eventos extremos. Esses eventos são definidos como grandes variações de um determinado estado climático com relação à média, em diferentes escalas de tempo (BRITTO, 2015). A ocupação inadequada do solo próximas às bacias hidrográficas e a má utilização desse recurso natural, em conjunto com outros fatores ligados à urbanização e industrialização, como o aquecimento causado pelo efeito estufa, vêm provocando drásticas alterações climáticas. Essas drásticas flutuações climáticas afetam diretamente o balanço hídrico, com repercussão em ocorrências de secas e inundações inesperadas, tendo como consequência prejuízos às populações e aos governos em várias escalas econômicas e sociais, resultando em desastres. Conhecer o comportamento desses eventos, suas frequências e os impactos provocados é extremamente importante para a prevenção e mitigação de desastres (DUARTE et al, 2015). A crescente necessidade em melhorar o gerenciamento dos recursos hídricos é outro importante ponto que destaca a necessidade do conhecimento e modelagem correta da precipitação. A investigação desse fenômeno durante o ano é um fator determinante para estimar, entre outros, a disponibilidade de água para a irrigação de culturas, o abastecimento doméstico e industrial (BERTONI & TUCCI, 1993). Esse conhecimento é, portanto, um requisito fundamental para o desenvolvimento socioeconômico de uma região ou de uma bacia hidrográfica, já que informações de precipitações, como a estimativa dos seus valores prováveis, a identificação das áreas de ocorrências e regularidade com que as mesmas se distribuem, são imprescindíveis ao planejamento hídrico. Diante desse cenário, é inegável a necessidade de uma caracterização detalhada da precipitação e dos fenômenos que a cercam, o que resulta em uma busca por maiores 1. Introdução 15 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. quantidades de dados, com melhores resoluções temporais e espaciais, garantindo a geração de dados pluviométricos de boa qualidade e quantidade adequada às análises diversas (SALGUEIRO, 2005). Das técnicas atuais para controle, estudo e monitoramento de precipitação, empregadas no Brasil, as principais delas envolvem as estações meteorológicas. Mas apesar da grande aplicabilidade e da alta precisão, é ainda observada uma baixa distribuição espacial dessas estações sobre o território brasileiro, principalmente na região Norte do país (SALGUEIRO, 2005), o que faz com que nem sempre o máximo de chuva precipitado seja registrado (MASSAGLI et al, 2011 apud SODRÉ et al, 2013). Assim, várias são as fontes de dados que podem ser usadas na construção do perfil da variação espacial da precipitação. Uma alternativa interessante para complementação desses dados pode vir de dados GNSS (Global Navigation Sattelite Systems) baseada no uso de medidas de satélites artificiais. Com base no atraso sofrido pelo sinal GNSS ao atravessar a atmosfera neutra até uma estação na superfície, parâmetros como o IWV (Integrated Water Vapor) podem ser usados para avaliação do vapor d’água na atmosfera (SAPPUCI, 2001; MONICO, 2008; TEUNISSEN & MONTEBRUCK, 2017). Além do GNSS, uma outra técnica que permite a determinação de parâmetros atmosféricos são as sondagens advindas das radiossondas. Esses equipamentos, que compõe as estações meteorológicas de altitude, são utilizados para medição in loco de temperatura, pressão, umidade, direção e velocidade do vento, entre outros parâmetros, em diversos níveis de altitudes (OLIVEIRA et al, 2017). Além das observações terrestres, uma outra alternativa cada vez mais utilizada, e que pode ser aplicada para obter dados de precipitação são os sensores imageadores e não- imageadores. Esses sensores se encontram a bordo de satélites utilizados em sensoriamento remoto, como o sensor MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) a bordo das plataformas Terra e Aqua, que permite a determinação da concentração de vapor d’água na atmosfera (LAADS DAAC, 2020; NASA, 2020). Dessa forma, com base no exposto, esse trabalho vem realizar uma avaliação sobre o conjunto de técnicas que podem ser aplicados como complementação aos métodos tradicionais (estações meteorológicas), por meio de uma análise sazonal e de estudos de caso do vapor 1. Introdução 16 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. d’água e de outros parâmetros atmosféricos (e.g. temperatura, pressão e umidade), de modo a verificar como cada método explica o comportamento dessas variáveis. Ao longo do trabalho, foi realizado um detalhamento acerca de cada método e os principais órgãos atuantes no monitoramento de precipitação no país. Além dos métodos convencionais, são apresentadas outras técnicas que permitem uma avaliação e comparação com as técnicas usuais, sendo elas: radiossondas, GNSS e dados provenientes de satélites meteorológicos e de sensoriamento remoto. 1.1. Objetivos O objetivo geral deste trabalho é empregar diferentes técnicas para monitorar o vapor d’água durante a ocorrência de eventos extremos de precipitação envolvendo altos volumes de chuva, ou seja, que extrapolem o valor médio esperado para dado período e localização. Os objetivos específicos são: - Desenvolver um estudo teórico acerca de eventos extremos de precipitação, suas características e frequência de ocorrência no Brasil; - Investigar dados relacionados com a precipitação advindos de diferentes fontes, como radiossondas (estações meteorológicas de altitude), IWV (GNSS), dados meteorológicos (INMET – Instituto Nacional de Meteorologia), dados de pluviometria (estações meteorológicas de superfície), dados de satélites meteorológicos e de sensoriamento remoto; - Estudar e descrever as características dos dados obtidos por cada técnica considerada; - Elaborar um estudo de caso envolvendo eventos extremos de precipitação, buscando investigar como as diferentes fontes de dados podem contribuir com o estudo desses fenômenos. O relatório está estruturado da seguinte maneira: no Capítulo 2 é realizada a revisão teórica, com o detalhamento das características e formação de eventos de precipitação, quais os principais órgão brasileiros responsáveis por monitorar esses fenômenos e quais as fontes utilizadas na determinação de parâmetros relacionados com precipitação. No Capítulo 3 são apresentados os materiais e métodos, com a descrição da área e período de estudo e as 1. Introdução 17 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. diferentes técnicas empregadas no uso de cada fonte. No Capítulo 4 são realizadas as análises dos resultados obtidos e no Capítulo 5 são apresentadas as considerações finais. 2. Fundamentação Teórica 18 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Neste capítulo é apresentado um estudo teórico que está estruturado em três principais pilares: definição de eventos extremos, características e ocorrências no Brasil, os principais órgãos brasileiros responsáveis pelo controle e monitoramento dos eventos de precipitação e as principais técnicas estudadas. 2.1. Características e formação de eventos extremos de precipitação Nesta seção, é descrito todo o processo de formação de uma precipitação na forma de chuva (precipitação pluvial), desde a circulação geral da atmosfera até a formação da precipitação. É também apresentado um estudo de eventos extremos de precipitação, com enfoque para a realidade brasileira. 2.1.1. Circulação geral da atmosfera Para compreender melhor o processo da formação de uma precipitação, é importante inicialmente entender como se dá a circulação geral da atmosfera. A energia que entra na Terra é proveniente do Sol, na forma de radiação, sendo que a radiação recebida nas regiões tropicais é maior do que as recebidas nas regiões polares (GRIMM, 1999). Essa diferença na incidência solar causa um desequilíbrio de calor latitudinal que resulta em uma diferença de pressão, e que por sua vez é responsável por dirigir a circulação da atmosfera. Em um cenário que não ocorresse essa troca de calor entre a região polar e a tropical, a região polar ficaria cada vez mais fria e os trópicos cada vez mais quentes. (GRIMM, 1999). Uma das primeiras contribuições ao modelo clássico de circulação geral é de George Hadley, em 1735. Ele propôs, a partir de observações, que o gradiente de temperatura entre os polos e o equador cria uma circulação térmica que faz o ar se mover para equilibrar as desigualdades (TARBUCK & LUTGENS, 2001). Na década de 1920, foi proposto um 2. Fundamentação Teórica 19 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. sistema de três células de circulação atmosférica em cada hemisfério, com o intuito de descrever o equilíbrio de calor na Terra. Apesar de o modelo de Hadley ainda ser atualmente aceito, observações recentes mostraram algumas alterações na movimentação dos ventos. Essas particularidades ocorrem pelo fato da superfície da Terra não ser uniforme, provocando um aquecimento desigual devido aos contrastes terra/água e as variações no relevo. Além disso, o Sol não fica sobre o equador, mas se move de 23,5°N para 23,5°S ao longo do ano. Essas influências podem ser vistas na Figura 1, que mostra as variações na circulação atmosférica em diferentes épocas do ano (GRIMM, 1999). Figura 1 - Circulação da atmosfera em diferentes épocas do ano: (a) janeiro e (b) julho. Fonte: GLOBE (2013). Importante destacar que na região tropical, além da circulação meridional (Ox) decorrente das atividades das Células de Hadley, existe também uma circulação no plano vertical em larga escala na direção zonal (Oy) que ocorre devido a presença das Células de Walker. Essa circulação zonal é causada pelas diferenças na distribuição de calor entre o oceano e a superfície terrestre, como é mostrado na Figura 2, que faz uma representação didática e sem escala das Células de Walker (K-M & YANG, 2002; WALKER, 1932). A partir da Figura 2, nota-se que há locais com movimento ascendente (baixa pressão em superfície, favorecendo a formação de nuvens) e locais com movimento descendente (alta pressão em superfície, o que dificulta a formação de nuvens). As partes das células de Walker que correspondem aos ventos de superfície são chamadas de ventos alísios. Toda a movimentação que ocorre na célula permite que algumas áreas sejam mais chuvosas que suas áreas vizinhas (K-M & YANG, 2002; WALKER et al, 1932). 2. Fundamentação Teórica 20 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. Figura 2 - Movimentação da Célula de Walker em condições normais. Fonte: Climate-NOAA (2014). Durante episódios de El Niño, um fenômeno climático no qual ocorre um aumento significativo da temperatura na costa oeste da América do Sul, ocorre um deslocamento no ramo ascendente da Célula de Walker. Essa ocorrência altera toda a configuração da célula, como é apresentado na Figura 3. Nota-se, por exemplo, um forte movimento subsidente na região Norte do Brasil, em anos de El Niño, e em geral, registra-se chuva abaixo da média nessa região (K-M & YANG, 2002; WALKER et al, 1932). Por outro lado, durante eventos de La Niña ocorre um fenômeno climatológico oposto ao El Niño. Na costa oeste da América do Sul, tem-se o resfriamento das águas, dificultando a convecção sobre os oceanos nessa região (K-M & YANG, 2002; WALKER et al, 1932). Durante o fenômeno, um dos ramos ascendentes da circulação fica sobre o norte do continente Sul-Americano, como visto na Figura 3, e tem-se, portanto, chuva acima da média em parte da Região Norte do Brasil. 2. Fundamentação Teórica 21 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. Figura 3 - Movimentação da Célula de Walker durante período do El Niño (a); e Movimentação da Célula de Walker durante a ocorrência do El Niña (b). (a) (b) Fonte: Climate - NOAA (2014). A circulação geral atmosférica dá origem às massas de ar e provoca também seus deslocamentos, além disso, características dessas massas estão diretamente vinculadas com sua localização ou região de origem. A condição ideal para a formação de uma massa de ar é a estagnação do ar sobre uma determinada superfície. Já o deslocamento dessas massas de ar ocorre pela diferença de pressão e temperatura entre as diversas áreas da superfície (MENDONÇA & OLIVEIRA, 2011). Na América do Sul, as principais massas de ar atuantes são: Massa de ar Equatorial Continental, Massa de ar Tropical Continental, Massa de ar Tropical Marítima, Massa de ar Polar Continental e Massa de ar Polar Marítima. A circulação dessas massas é influenciada principalmente pelos oceanos Pacífico e Atlântico, a Cordilheira dos Andes e a Floresta Amazônica (MENDONÇA & OLIVEIRA, 2011). Essa movimentação, entre as massas de ar e oceanos, forma os chamados sistemas meteorológicos, sendo eles responsáveis diretos pela 2. Fundamentação Teórica 22 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. precipitação Sul-Americana. Logo, os principais sistemas meteorológicos são: SCM (Sistemas Frontais, Sistemas Convectivos de Mesoescala), ZCAS (Zona de Convergência do Atlântico Sul), ZCIT (Zona de Convergência Intertropical), alta da Bolívia, e Zona de Convergência do Pacífico Sul. Com base nesses sistemas é que se dá a formação da precipitação (MENDONÇA & OLIVEIRA, 2011). 2.1.2. Precipitação Na atmosfera, há uma grande quantidade de partículas de impurezas naturais ou artificiais, sendo muitas dessas, fragmentos sólidos de cloreto de sódio resultado da evaporação das águas dos oceanos. Há outras partículas chamadas de higroscópicas (partículas que possuem a característica de absorver água do ambiente), que formam os núcleos de condensação (parte da nuvem em que o vapor de água se condensa). Essas partículas são essenciais para a formação de nuvens, pois é sobre a superfície delas que se inicia o processo de condensação do vapor d’água em torno da gotícula principal, que é a gotícula a partir da qual é formada a gotícula de precipitação (ALMEIDA, 2016). Além dos núcleos de condensação, o vapor d’água na atmosfera se condensa quando as condições tendem a saturação, ou seja, quando ocorre um aumento significativo na pressão parcial do vapor d’água devido a evaporação e transpiração, e/ou pelo resfriamento do ar (ALMEIDA, 2016). No processo de condensação, a água passa do estado de vapor para o líquido, o que acontece devido o resfriamento do ar e o aumento da umidade relativa. Mesmo antes de atingir os 100% da umidade, inicia-se o processo de condensação em torno dos núcleos maiores e as gotículas crescem até atingir valores máximos que ocorrem na saturação. Porém, apenas o processo de condensação não é suficiente para garantir a formação de precipitação, isso porque, no caso de as gotículas crescerem apenas por condensação, demoraria mais de 24 horas para atingir o tamanho de uma gota de chuva (ALMEIDA, 2016). Como já destacado, o processo de condensação trata-se de um processo que por si só não é capaz de promover chuvas. A ocorrência de chuva somente se dá mediante ao processo de coalescência, que é o crescimento de uma gotícula pela incorporação de outras com as quais entra em contato, para a formação de gotas maiores, podendo ou não envolver a 2. Fundamentação Teórica 23 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. formação de cristais de gelo. Durante esse processo, as gotículas se movem no interior das nuvens com diferentes velocidades, o que possibilita a colisão entre si e, consequentemente, a formação de gotículas cada vez maiores (ALMEIDA, 2016). Dessa forma, a chuva, precipitação líquida na forma de gotas de água, é basicamente caracterizada pela sua origem de formação, podendo ser classificada de três maneiras: frontal ou ciclônica, convectiva e orográfica. A primeira se origina de nuvens que se formam a partir do encontro de massas de ar frio e quente, onde a massa quente tende a se elevar, resfriando e provocando a precipitação (TORRES & MACHADO, 2016). A precipitação convectiva é resultado de um aquecimento diferencial da superfície que origina uma ascensão do ar. Tem como origem nuvens de grande desenvolvimento vertical, tais como as nuvens do gênero cumulonimbus, conhecidas também como nuvens de tempestade (TORRES & MACHADO, 2016). A precipitação convectiva tem curta duração e maior intensidade. Porém, variações nas condições climáticas, principalmente nas condições de temperatura, podem aumentar de forma significativa a duração dessa precipitação, levando a ocorrência de inundações (TORRES & MACHADO, 2016). Por fim, a precipitação orográfica, também conhecida como chuva de relevo, é a chuva provocada pelas condições do relevo. Ocorre quando uma massa de ar carregada de umidade sobe ao encontrar uma elevação do relevo, como uma montanha. O ar mais quente é empurrado para cima. Com a queda de temperatura, o vapor se condensa, provocando chuva, que apresenta características de baixa intensidade, curta duração e ocorrência de precipitação do lado do sentido do vento (TORRES & MACHADO, 2016). 2.1.3. Eventos extremos de precipitação De acordo com o dicionário de Oxford (OXFORD, 2020), evento é definido como algo que ocorre ou acontece e que tem uma importância; e extremo é definido como algo muito grande, não usual, que excepciona. Assim, um evento climatológico extremo pode ser definido como a ocorrência de eventos onde os valores de uma variável ficam muito acima (ou abaixo) da média observada em uma região específica (KAROLY, 2014). No caso da precipitação, não há um limiar padrão para classificar uma precipitação como um evento 2. Fundamentação Teórica 24 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. extremo ou não, esse critério deve ser definido de acordo com o comportamento usual da precipitação na região (SAPUCCI et al., 2019). Apesar disso, um sistema de tempo que produz intensa precipitação sempre está relacionado com a atividade convectiva e é resultado da interação de mecanismos físicos de diferentes escalas (MENDONÇA & OLIVEIRA, 2011). O início das tempestades convectivas está diretamente relacionado a processos em mesoescala (fenômenos atmosféricos menores que a escala sinótica, porém, maiores que a microescala). Por sua vez, a evolução ou intensificação desses eventos é resultado da ação de processos de escala sinótica (sistemas meteorológicos que têm escalas de algumas centenas de quilômetros ou mais), que criam um ambiente favorável a formação de chuvas intensas pela desestabilização do ambiente local (MENDONÇA & OLIVEIRA, 2011). Por exemplo, se o sistema é de escala sub sinótica e desloca-se rapidamente, a precipitação associada geralmente ocorre em grande intensidade e pode ocasionar as chamadas enchentes urbanas. Neste tipo de enchente, há um rápido aumento do nível das águas pouco tempo após a ocorrência de precipitação. A gravidade dos impactos depende principalmente da atuação do sistema de drenagem local. Quando o sistema sinótico se desloca mais lentamente, a precipitação associada geralmente não é muito intensa, porém contínua durante um período de tempo relativamente grande (até vários dias), embora possam ocorrer eventuais pancadas de chuvas. Neste caso, quando as características físicas (topográficas) da região permitirem, pode haver extravasamento da calha dos rios e, como consequência, a inundação de grandes áreas. O retorno dos rios aos seus níveis normais irá depender de vários fatores físicos da bacia hidrográfica, tais como o tempo e velocidade do escoamento das águas (MADDOX et al, 1978). Apesar disso, o processo de inundação de uma área envolve outros fatores além da chuva. Muitos rios formam as chamadas planícies de inundação, esses cursos d’água dispõem de uma área nos limites de suas margens para as quais extravasam a sua vazão durante período de fortes chuvas. Porém, devido a expansão urbana, algumas áreas de inundação são ocupadas, o que acaba provocando alagamento de áreas urbanas (ALMEIDA, 2016). Outro fator que ocasiona inundações é o desenvolvimento humano, que promove mudanças no uso do solo e aumento de riscos de alagamento, tais como alterações no fluxo 2. Fundamentação Teórica 25 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. dos canais, excessiva impermeabilização do solo e ocupação do solo sobre mares, rios e córregos canalizados. Megacidades como São Paulo possuem numerosos problemas sociais e ambientais associados aos padrões de desenvolvimento e transformação do espaço, que têm se agravado pelo aumento na frequência e intensidade de chuvas (TORRES & MACHADO, 2016). Em um estudo feito por Zipser et al (2006), intitulado Where Are The Most Intense Thunderstorm on Earth?, foram utilizados seis anos de dados do satélite TRMM (The Tropical Rainfall Measuring Mission) para mapeamento dos casos de convecção severa mais extremos no globo. Os resultados obtidos enfatizaram o sul da América do Sul como áreas com as tempestades mais intensas na Terra (ZIPSER et al, 2006). Alguns desses casos envolvendo eventos extremos de precipitação ocorreram em 2005 e 2010, no qual a Amazônia sofreu períodos de intensa seca do Rio Solimões, provocada pela falta de chuva na região (SERRÃO et al, 2015). Por outro lado, em 2012, Manaus foi atingida por uma das piores enchentes da sua história, provocando perdas agrícolas, desabastecimento de água e alimentos, provocando até a interrupção do ano letivo das escolas (CPRM, 2012). Nos anos de 2009, 2010 e 2011, foram registradas enchentes na região Nordeste, levando a mortes, desabrigados, perdas agrícolas e outros impactos econômicos (LOUREIRO et al, 2014). No período de 2012 a 2015, o Nordeste brasileiro sofreu a pior seca em 50 anos, onde 1100 cidades foram afetadas, resultando em perdas agrícolas e falta de água para consumo humano. Esse evento foi fundamental para o grande processo de migração da região (MARENGO, 2016). Outros eventos históricos ocorridos no país são descritos por Rittl (2012). 2.2. Monitoramento de precipitação no Brasil Nesta seção são descritos os principais centros responsáveis pelo monitoramento de eventos climatológicos extremos no Brasil. 2. Fundamentação Teórica 26 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. 2.2.1. Centro Nacional de Monitoramento e Alertas de Desastres Naturais (CEMADEN) No Brasil, o CEMADEN (Centro Nacional de Monitoramento e Alertas de Desastres Naturais), criado em 2003, é um dos principais órgãos nacionais vinculado ao Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação, responsável pelo monitoramento de desastres naturais, monitorando 958 municípios em todas as regiões brasileiras (CEMADEN, 2020a). Todo o processo de monitoramento é feito com base em Radares Meteorológicos, que são capazes de realizar o monitoramento hidrometeorológico, obtendo informações detalhadas em um raio de até 400 km de cada radar. Sendo uma ferramenta para a previsão de chuva de curto prazo, o radar é aliado a outras fontes de dados, como as estações hidrológicas e os pluviômetros (CEMADEN, 2020b). A principal missão do centro é a realização do monitoramento contínuo das condições geológicas, meteorológicas e hidrológicas do país, emitindo alertas de riscos de desastres. Um alerta indica que a situação de risco de desastre é previsível em curto prazo. Na condição de alerta, a defesa civil inicia a fase de preparação para o desastre, mobilizando os recursos necessários para a resposta. Um documento é preparado contendo as recomendações de ações de preparação, tais como, verificações in loco, acionamento de Planos de Contingência (estratégias elaboradas para diminuir danos humanos e materiais) e acionamento de Planos de Chamadas, que é o estabelecimento de comunicação entre as autoridades de recursos humanos especializados em gestão de desastres, e do Comando Operacional Conjunto das Forças Armadas do Brasil (CEMADEN, 2020c; DIÁRIO OFICIAL DA UNIÃO, 2013). Todas as informações obtidas no CEMADEN são enviadas para o Centro Nacional de gerenciamento de riscos e desastres (CENAD). O Protocolo de Ação entre os dois centros regulamenta que todo alerta de risco de desastres naturais a ser emitido pelo CEMADEN deve ser enviado ao CENAD, para que esses dados sirvam de subsídio na tomada de ações preventivas de proteção civil, entre outros aspectos legais (CEMADEN, 2020c). A Figura 4 ilustra o fluxograma das ações para combinar dados e tomar medidas integradas entre o CENAD, o CEMADEN e os demais parceiros. 2. Fundamentação Teórica 27 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. Figura 4 - Fluxograma que mostra a relação entre os órgãos responsáveis por coletar informações acerca do monitoramento de desastres no Brasil e o CENAD. Fonte: CEMADEN (2020c). Até 31 de dezembro de 2015, foram enviados um total de 4353 alertas para risco hidrológico e de movimentos de massa. Mais informações acerca do CEMADEN são encontradas em http://www.cemaden.gov.br/. 2.2.2. Companhia de Pesquisa de Recursos Minerais (CPRM) A CPRM (Companhia de Pesquisa de Recursos Minerais), empresa pública brasileira, vinculada ao Ministério de Minas e Energia, foi criada em 1969, com o objetivo de desenvolver estratégias buscando soluções na área de Hidrologia do Serviço Geológico no Brasil, garantindo o bem-estar da população. Suas principais ramificações são: Programa Recursos Hídricos Superficiais, que atua no monitoramento de redes hidrometeorológicas com a implantação e operação de redes; na previsão e alerta de enchentes e inundações, a partir da implantação e operação de sistemas de alertas hidrológicos; e no desenvolvimento de estudos e pesquisa interpretativos de hidrologia para apoio à gestão territorial (CPRM, 2020a). http://www.cemaden.gov.br/ 2. Fundamentação Teórica 28 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. Com relação à previsão e alerta de enchentes e inundações, foi desenvolvido o SACE (Sistema de Alerta de Eventos Críticos), plataforma disponível no link https://geoportal.cprm.gov.br/desastres/, que disponibiliza em tempo real dados e previsões com o objetivo de auxiliar na prevenção de danos em eventos de cheias e inundações (CPRM, 2020b). Os sistemas de alerta operam após a realização de estudos e definições de níveis de referência (medidas usadas para verificar variações) para cada evento. Dados são recebidos diariamente pelo centro e processados por meio de modelos hidrológicos, permitindo a previsão dos níveis para locais de risco de inundação. Essas previsões são enviadas por meio de boletins e informes para os representantes de Defesa Civil para realocação ou remoção das populações (CPRM, 2020b). Outros importantes produtos do SACE são os mapas de manchas de inundações, que possibilitam delimitar áreas atingidas por inundações. Esses mapas são muito utilizados como ferramentas de planejamento urbano e como incrementos ao sistema de alerta (CPRM, 2020c). A Figura 5 apresenta um exemplo de uma mancha de inundação para a cidade de Porto Velho – RO, no entorno do Rio Madeira, onde é possível observar as diferentes manchas associadas aos níveis das águas do rio, sendo que em vermelho corresponde ao nível (em relação ao solo) 19 metros, laranja 18 m, amarelo 17 m, e verde 16 m. Figura 5 - Mapa que apresenta manchas de inundações na cidade de Porto Velho – RO, no entorno do Rio Madeira. A variação nas cores da mancha indica os diferentes níveis de elevação do nível do rio, sendo vermelho=19 m, laranja=18 m, amarelo=17 m e verde=16. m. Fonte: CPRM (2020c) https://geoportal.cprm.gov.br/desastres/ 2. Fundamentação Teórica 29 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. O monitoramento dos níveis e vazão dos rios é possível por meio da operação de PCDs (Plataformas de Coletas de Dados Automáticos) situadas às margens dos rios. As PCDs enviam em tempo real os dados dos níveis dos rios e dos volumes de chuva que são registrados, e que posteriormente são disponibilizados no SACE. Estas estações telemétricas (estações que coletam e enviam dados a uma central) integram a RHNR (Rede Hidrometeorológica Nacional de Referência). A operação e manutenção destas estações, bem como o uso dos equipamentos de medição tem apoio operacional e financeiro da ANA (Agência Nacional de Águas). 2.2.3. Centro Nacional de Gerenciamento de Riscos e Desastres (CENAD) Criado em 2005 a partir do Decreto Federal n°5.376, e atualmente coordenado pela Secretaria Nacional de Proteção e Defesa Civil, do ministério do Desenvolvimento Regional, o CENAD possui como principal objetivo o gerenciamento de ações estratégicas de preparação e resposta a desastres (secas, inundações, enchentes, ventanias, etc) em território nacional e, eventualmente, também no âmbito internacional (CENAD, 2019). Atualmente, a principal função do CENAD é consolidar as informações sobre riscos provocados por eventos extremos no país, advindos de diversos outros órgãos do governo federal. Esses órgãos são responsáveis pela predição de tempo; avaliação de condições geológicas de áreas de risco; monitoramento dos movimentos das placas tectônicas; acompanhamento das bacias hidrográficas; controle de queimadas e incêndios florestais; e transporte e armazenamento de produtos perigosos. As informações enviadas ao CENAD são avaliadas e processadas pelo CENAD, que as encaminha aos órgãos de Proteção e Defesa Civil dos estados e municípios com riscos de ocorrência de desastres (CENAD, 2019). O CENAD atua em parceria com diversos órgãos, entre eles o CEMADEN, o CPRM, o IBAMA (Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e dos Recursos Naturais Renováveis), a ANA, a ABIN (Agência Brasileira de Inteligência), o CPTEC/INPE (Centro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos/Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais), o INMET (Instituto Nacional de Meteorologia), o CENSIPAM (Centro Gestor e Operacional do Sistema de Proteção da Amazônia), entre outros. Dessa forma, considerando toda a atuação e os esforços dos centros apresentados nesta seção, destaca-se a importância da 2. Fundamentação Teórica 30 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. obtenção de dados e produtos de monitoramento e alertas de qualidade, de modo a garantir a mitigação de desastres no país. 2.2.4. Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos (CPTEC) Fundado em 1995, o CPTEC consiste em um centro, pertencente ao INPE, de previsão numérica de tempo (PNT) e clima da América Latina, que fornece previsões de tempo de curto e médio prazos e climáticas de alta precisão. A partir de modelos numéricos, o CPTEC contribui para a previsão de secas ou inundações, que em conjunto com os demais centros de monitoramento, auxiliam na tomada de decisões, prevenindo desastres (CPTEC, 2020). Dentre os diferentes produtos que o centro oferece, alguns deles são: previsão do tempo utilizando modelos de PNT; precipitação por satélite; precipitação por radar; monitoramento de queimadas; dentre outros. Esses dados, advindos de diferentes fontes, são constantemente atualizados e disponibilizados por meio do site do CPTEC (https://www.cptec.inpe.br/). Mais informações sobre cada produto são apresentadas no site (CPTEC, 2020). 2.3. Fontes de dados Nesta seção são apresentadas as fontes de dados a serem avaliadas neste trabalho, iniciando pelas fontes mais comumente utilizadas para monitoramento de chuva no Brasil, que são as estações meteorológicas e os pluviômetros (aqui além dos pluviômetros da estação meteorológica, estes são também avaliados de forma isolada). São também avaliadas técnicas que permitem determinar parâmetros relacionados com a formação de precipitação na forma de chuva, como IWV a partir de dados GNSS e parâmetros atmosféricos medidos por sensores a bordo de satélites meteorológicos e de sensoriamento remoto. https://www.cptec.inpe.br/ 2. Fundamentação Teórica 31 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. 2.3.1. Estações meteorológicas As estações meteorológicas são um conjunto de equipamentos onde se registram parâmetros meteorológicos, tais como: pressão atmosférica, temperatura, umidade relativa do ar, precipitação, radiação solar, direção e velocidade do vento, etc. Trata-se de um conjunto de equipamentos responsáveis por monitorar e registrar variações nas condições meteorológicas e climáticas, e proporcionar dados para a previsão do clima ou do tempo (UNESP, 2020; INMET, 2020a). As estações meteorológicas do INMET, por exemplo, são compostas pelos seguintes instrumentos: anemógrafo, anemômetro, barógrafo, barômetro de mercúrio, evaporímetro de piche, heliógrafo, higrógrafo, microbarógrafo, piranógrafo, pluviógrafo, pluviômetro, psicrômetro, termógrafo, termohigrógrafo e termômetros. Uma breve descrição de cada um pode ser encontrada em INMET (2020a). As estações meteorológicas são subdivididas em: estações de superfície, que têm por finalidade efetuar a coleta e o processamento de dados meteorológicos à superfície para fins aeronáuticos e sinóticos; estações de altitude, que têm por finalidade coletar dados de pressão, temperatura, umidade, direção e velocidade do vento, nos diversos níveis da atmosfera através de radiossondagem; e estações de radar meteorológico, que têm por finalidade fazer vigilância constante na área de cobertura dos radares e divulgar as informações obtidas por meio rápido e confiável aos Centros Meteorológicos de Vigilância (REDEMET, 2015). Tratando-se das estações meteorológicas de superfície podem ser divididas em convencionais e automáticas. A quantificação de fenômenos utilizando as estações convencionais requer a atuação de profissionais especializados para o manuseio dos equipamentos da estação. Enquanto nas estações automáticas, há uma automação na mensuração dos dados meteorológicos. Nos últimos anos, essas estações convencionais vêm sendo substituídas pelas estações automáticas, devido à alta capacidade de armazenamento de dados e facilidade no acesso aos dados, evitando também erros de leituras (FINHOLDT, 2008). As estações meteorológicas podem ser classificadas do seguinte modo: Estações Sinóticas (em Terra e no Mar); Estações Climatológicas; Estações de Meteorologia Aeronáutica; Estações de Meteorologia Agrícola; e Estações Especiais (AMORIM; ORGAZ; 2. Fundamentação Teórica 32 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. TEIXEIRA, 1995). Com relação aos tipos de observações feitas pelas estações, tem-se: observações sinóticas, que podem ser classificadas em meteorológicas de superfície (EMS), de altitude (EMA) e as estações de radares meteorológicos (ERM) (REDEMET, 2015); observações climatológicas; observações de meteorologia aeronáutica; observações de meteorologia agrícola; e as observações especiais (AMORIM; ORGAZ; TEIXEIRA, 1995). Toda estação meteorológica apresenta uma identificação. Esta é composta por identificação física por meio de sua posição geográfica expressa em latitude, longitude e altitude; identificação internacional composta por 5 algarismos fornecidos pela OMM (Organização Meteorológica Mundial); e a identificação operacional feita por um indicador de localidade, composto por 4 (quatro) letras (SILVA; CHAVES; LIMA, 2009). Balbino (2020) apresenta algumas exigências que são necessárias para instalar uma estação meteorológica, sendo elas: um local sem desníveis, a fim de evitar o acúmulo de água, e longe de instalações elétricas; horizontes amplos, sem barreiras que impeçam a radiação solar ou mudem as características do vento, recomendando-se a distância de 10 vezes a altura do obstáculo; distantes de cursos d’água, lagos e banhados, evitando distúrbios na medição da umidade relativa do ar; solo gramado ou com vegetação rasteira para minimizar a influência dos diferentes tipos de textura de solo. Apesar do extenso uso dessas estações, na aplicação de modelos meteorológicos, os dados de entrada devem possuir informações rigorosamente corretas durante um considerável período de tempo, o que ainda é uma dificuldade no Brasil por conta das falhas encontradas nos dados das estações meteorológicas (SODRÉ et al, 2013). 2.3.1.1. Pluviômetro O pluviômetro, equipamento que compõe as estações meteorológicas de superfície, consiste em um instrumento que tem como finalidade básica medir a quantidade de precipitação atmosférica por meio da coleta da água da chuva em um recipiente graduado, de modo que os dados de pluviosidade são fornecidos por meio da “altura pluviométrica” indicada no instrumento. Essa altura trata da altura média que a água precipitada recobre uma determinada superfície, medida em milímetros (mm) (MENEZES, 2019). 2. Fundamentação Teórica 33 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. A medida da altura pluviométrica é bastante simples, pois considera a quantidade de água que cai sobre uma superfície impermeabilizada como se fosse a altura da coluna de água (SANTOS, 2002). Essa quantidade é normalmente expressa em termos da espessura da camada d’água sobre uma superfície (a área em m²), plana e impermeável. A precipitação é ainda caracterizada por sua duração (diferença de tempo entre os instantes de início e término do evento) e por sua intensidade, relação entre altura pluviométrica e a duração da precipitação (𝑚𝑚ℎ −1 ) (VAREJÃO-SILVA, 2005). Para realizar as medidas de precipitação citadas acima, os dois tipos de equipamentos mais usados são o pluviômetro e o pluviógrafo. Eles se diferem pela forma de coleta dos dados, enquanto o pluviômetro precisa de leituras manuais, o pluviógrafo registra os dados em forma gráfica e automática. Na Figura 6, é mostrado um exemplo de um pluviograma, onde é possível verificar a distribuição das chuvas acumuladas ao longo do tempo em mm (MENEZES, 201). Figura 6 - Exemplo de parte de um pluviograma, onde é mostrado a distribuição das alturas de chuva acumuladas no tempo, sendo que o eixo X representa as horas e o eixo Y representa a quantidade de precipitação em milímetros. Fonte: VAREJÃO-SILVA, 2005. Com relação a sua instalação, de maneira geral, recomenda-se que o aparelho fique longe de qualquer obstáculo que possa prejudicar a medição e a coleta da chuva deve ser feita a uma altura média de 1 a 1,5 metro acima da superfície do solo. Essas são algumas regras básicas que a OMM tenta uniformizar (STUDART, 2004). 2. Fundamentação Teórica 34 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. Os pluviômetros compõem o conjunto de instrumentos de uma estação meteorológica (Seção 2.3.1) e, da mesma forma, podem ser classificados em convencionais e automáticos. Estes últimos registram automaticamente a altura pluviométrica em função do tempo, medindo a duração e intensidade da chuva. Por sua vez, nos pluviômetros convencionais, as leituras são feitas manualmente. Além disso, nos pluviômetros automáticos, a água precipitada é descartada, enquanto que nos convencionais essa água é armazenada (MENEZES, 2019). 2.3.2. Radiossondas As estações meteorológicas de altitude são compostas por balões equipados com sensores meteorológicos acoplados em um sistema de rádio transmissor, que percorrem as camadas da atmosfera medindo os parâmetros atmosféricos em diferentes altitudes, que variam da superfície até aproximadamente 20 km. As radiossondas são instrumentos muito utilizados por centros meteorológicos para fornecer um diagnóstico (medidas in loco) das condições atmosféricas (SAPUCCI, 2001), muitas vezes consideradas como medidas de referência para avaliar a atmosfera. No lançamento das radiossondas, o Ministério da Defesa Comando da Aeronáutica – Proteção ao voo, estabelece os procedimentos operacionais relacionados ao lançamento desses balões meteorológicos, sendo recomendado que as radiossondagens sejam realizadas às 00h, 06h, 12h e 18h UTC (CIRCEA 63-3, 2017). Após a elaboração do planejamento para o lançamento da radiossonda, a EMA deve informar ao Serviço de Tráfego Aéreo (ATS) o local, o horário do lançamento e encerramento da operação de voo, a cor do balão, entre outras características que permitam a perfeita identificação do equipamento (CIRCEA 36-3, 2017). No processo de radiossondagem, o sensor meteorológico ao medir os parâmetros atmosféricos envia esses dados para bases terrestres, materializadas por antenas fixas na superfície terrestre, na faixa do UHF. A partir dessa antena, o sinal chega até um receptor que pode ser de qualquer modelo de rádio com sensibilidade na faixa de 400 a 450 MHz. Esse receptor é conectado a um computador que a partir de um software apropriado permite converter e armazenar essas informações no formato desejado (OLIVEIRA et al, 2017). 2. Fundamentação Teórica 35 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. As medições de radiossonda são essencialmente amostras de pontos ao longo de um caminho inclinado pela atmosfera. As amostras têm duas características indesejáveis: (i) devido ao volume limitado de amostras, os dados contêm informações sobre variações atmosféricas nas escalas de tempo ou espaço que são inadequadas para seu uso em meteorologia sinótica (KITCHEN, 1989); (ii) as observações da radiossonda são geralmente atribuídas ao local de lançamento, enquanto as medições na troposfera superior (até aproximadamente 15 km) e na estratosfera (até aproximadamente 50 km) são tipicamente deslocadas várias dezenas de quilômetros horizontalmente a partir desse ponto (KITCHEN, 1989). Além disso, nas radiossondas, os sensores de temperatura e umidade relativa, bem como o sensor de pressão, estão sujeitos a erros (ELLIOT et al, 1991). A OMM estabeleceu requisitos de precisão e limites de desempenho para medições no ar superior (OMM, 1983). Os requisitos da OMM variam de acordo com o uso pretendido dos dados (por exemplo, meteorologia sinóptica ou climatologia) e nível de pressão, mas os requisitos mais estritos para a baixa troposfera são que a pressão seja medida com uma precisão de ± 1 mb (1 mb = 1 hPa), temperatura com precisão de ± 0,5 °C e umidade relativa com precisão de ± 5% (ELLIOT et al, 1991). As medições feitas pelas radiossondas são utilizadas, por exemplo, na determinação da quantidade do vapor d’água, na obtenção da temperatura média, na previsão de ventos, turbulências, formação de gelo em aeronaves, cálculo da probabilidade de trovoadas, nevoeiro, formação de nuvens, trilhas de condensação e na avaliação de deslocamentos e dispersão de nuvens de cinzas vulcânicas e de nuvens radioativas (SAPUCCI, 2001; OLIVEIRA et al, 2016; CIRCEA 63-3, 2017). 2.3.3. Sensoriamento Remoto O sensoriamento remoto é um conjunto de técnicas que permite coletar observações sobre os elementos atmosféricos, terrestres e oceânicos da biosfera da Terra de uma forma quase inviável de replicar utilizando métodos baseados no solo. Os diversos sistemas que dão suporte a vida na Terra (como por exemplo, a atmosfera terrestre e a água) são movidos pelo 2. Fundamentação Teórica 36 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. Sol, e o sensoriamento remoto consegue observar e medir a energia do sol em suas várias manifestações (LAADS DAAC, 2020). Um importante conceito que sustenta a base do sensoriamento remoto é a radiação eletromagnética (REM), que se propaga em ondas e abrange um longo espectro desde grandes ondas de rádio a raios gamas muito curtos, como mostra a Figura 7. O olho humano pode detectar apenas uma pequena porção desse espectro, chamada luz visível, enquanto um rádio detecta uma porção diferente do espectro e uma máquina de raio-x usa outra porção (NASA, 2016a). O Sol é uma fonte de energia que emite radiação em todo o espectro e sua REM atinge nossa atmosfera constantemente, sendo que cada objeto com suas características bio- físico-químicas particulares interage de uma forma diferente à essa radiação (NASA, 2016a). Essa é a premissa básica da obtenção de medidas da superfície terrestre por sensoriamento remoto. Figura 7 - Espectro eletromagnético. Fonte: Labcisco (2010) A aplicação de sensoriamento remoto é realizada utilizando um instrumento chamado de sensor. A maioria dos instrumentos registram a REM que se desloca à velocidade da luz a partir de uma fonte, diretamente pelo vácuo (no caso da fonte ser o sol), ou 2. Fundamentação Teórica 37 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. indiretamente por reflexão ou irradiação para o sensor (no caso da fonte ser o próprio sensor). As mudanças na quantidade ou propriedade da REM que chega ao sensor a bordo dos satélites, tornam-se uma valiosa fonte de dados para interpretar importantes propriedade de um fenômeno em estudo (SCHOWENGERDT, 2007). Cada sensor mede a quantidade de energia refletida ou emitida em um comprimento de onda específico da luz ao longo do espectro eletromagnético para obter informações sobre a atmosfera, terra ou oceano (NASA- NOAA, 2020). Assim, a base da tecnologia de sensoriamento remoto é a detecção das alterações ocorridas na REM, quando esta interage com os componentes na superfície terrestre. A detecção ou identificação de um objeto nas imagens é determinada por quatro diferentes características das medições: (i) resolução espacial, no qual quanto maior a resolução espacial, maior o nível de detalhamento da imagem; (ii) resolução espectral, que indica a quantidade de regiões do espectro eletromagnético nas quais o sensor é capaz de gerar imagens (devido às diferenças na composição físico-química dos materiais que compõem os objetos, estes interagem de maneira diferente com as ondas eletromagnéticas); (iii) resolução temporal, indica o intervalo de tempo que o satélite leva para voltar a cobrir a mesma área de interesse; (iv) e resolução radiométrica, que indica a capacidade do sensor de distinguir pequenas diferenças na energia refletida ou emitida (SCHOWENGERDT, 2007). Atualmente alguns dos principais satélites em operação voltados para observações da Terra são os satélites da série LANDSAT (https://landsat.gsfc.nasa.gov/), os satélites da missão Sentinel (https://www.sentinel-hub.com/), Ikonos (https://www.euspaceimaging.com/about/satellites/IKONOS/), Rapideye (https://earth.esa.int/eogateway/missions/rapideye), Aqua (https://aqua.nasa.gov/) e Terra (https://terra.nasa.gov/), cada um voltado para diferentes aplicações (SCHOWNENGERDT, 2013). Nas últimas décadas, um tipo de satélite que vem ganhando espaço são os satélites meteorológicos, usados principalmente para monitorar o clima da Terra. Esses satélites podem estar em órbita polar, cobrindo toda a Terra de forma assíncrona ou geoestacionária, pairando sobre o mesmo ponto no equador. Normalmente, a observação é feita por diferentes https://landsat.gsfc.nasa.gov/ https://www.sentinel-hub.com/ https://aqua.nasa.gov/ https://terra.nasa.gov/ 2. Fundamentação Teórica 38 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. intervalos no espectro eletromagnético, em particular nas regiões do visível e infravermelho (NESDIS, 2008). 2.3.4. Satélite de navegação GNSS A técnica de posicionamento baseada na utilização de satélites artificiais é uma das mais empregadas atualmente, devido a aspectos práticos e a alta acurácia obtida. O princípio básico do posicionamento geodésico está na determinação da posição e da velocidade de deslocamento de pontos localizados na superfície, por meio de medidas (pseudodistância e fase da onda portadora) transmitidas por uma constelação de satélites distribuídos ao redor da Terra (SEEBER, 2003). As informações enviadas pelos satélites são os sinais em ondas eletromagnéticas que percorrem a atmosfera, ionosfera e atmosfera neutra, até chegar no receptor localizado na superfície (MONICO, 2008). O sinal GNSS ao percorrer a ionosfera sofre uma refração causada pelos elétrons livres que compõem essa camada e ao passar pela atmosfera neutra é afetado pelos gases que compõe a mesma (MONICO, 2008). A Figura 8 mostra de maneira esquemática e fora de escala o caminho feito pelo sinal entre o satélite e o receptor e a extensão das duas principais camadas para o posicionamento GNSS (GROVES, 2008). Figura 8 - Propagação do sinal ao longo da ionosfera e da atmosfera neutra (troposfera). Fonte: Adaptado de Groves (2008) 2. Fundamentação Teórica 39 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. Dentre os efeitos causados na atmosfera neutra está a refração troposférica, que provoca um atraso que depende do caminho percorrido pela onda e do índice de refração dos gases ao longo do caminho. Assim, a variação no índice de refração da atmosfera neutra pode causar uma diminuição da velocidade de propagação da onda fazendo com que ocorra uma curvatura na trajetória do sinal, esse efeito é chamado de atraso na atmosfera neutra, que na direção zenital é também conhecido como ZTD (Zenital Total Delay) (metro) e na direção inclinada (SEEBER, 2003). Essa variação na refratividade é ocasionada pelas componentes seca e úmida, sendo que quando relacionado com a componente hidrostática (seca) é chamado de ZHD (Zenital Hidrostatic Delay) e ZWD (Zenital Wet Delay), ambos em metro, quando é ocasionado pela componente úmida (SEEBER, 2003; MONICO, 2008; GOUVEIA 2013). Cerca de 90% do atraso na atmosfera neutra é resultante da componente hidrostática, podendo gerar um atraso com cerca de 2,35 m próximo ao zênite e até dez mais vezes mais próximo ao horizonte, variando conforme a temperatura, latitude e pressão atmosférica. Os outros 10% do atraso total é provocado pela componente úmida que apesar de exercer menor efeito (cerca de 0,30 cm no zênite) é mais difícil de ser modelada devido às variações do vapor d’água. A variação do atraso ocorre conforme a temperatura, latitude e pressão atmosférica (HOFMANN -WELLENHOF, 2008). Como o principal fator que provoca o atraso no sinal é a variação no índice de refração, este pode ser determinado em função da velocidade da onda eletromagnética no vácuo e a velocidade da mesma onda em um meio qualquer (SPILKER, 1994). Esse índice de refração, por sua vez, pode ser expresso por meio da refratividade do ar (N) que varia conforme a temperatura, pressão parcial do ar hidrostático, da pressão parcial do vapor d’água e da altitude da atmosfera neutra (h) em km (SAPUCCI, 2001), assim, conhecendo- se os parâmetros atmosféricos, é possível calcular o valor do atraso (SEEBER, 2003). O valor do atraso calculado permite relacionar o índice de refração na direção zenital, porém, o ângulo de elevação entre o satélite e o receptor pode variar conforme a posição do satélite. Assim, determina-se o atraso do sinal na direção zenital e, por meio de uma função de mapeamento, esse atraso é relacionado com a variação no ângulo de elevação 2. Fundamentação Teórica 40 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. do satélite (MARINI, 1972). Mais detalhes da formulação matemática do atraso na atmosfera neutra são encontrados em Thayer (1974), Spilker (1994) e Seeber (2003). A chave para o uso do GNSS na avaliação de eventos de precipitação é que a partir da componente úmida (ZWD) do ZTD é possível obter o valor do vapor d’água integrado na atmosfera (IWV). A formulação pode ser encontrada em Sapucci (2001). Esse parâmetro desempenha um importante papel nos processos atmosféricos, pois sua distribuição está associada com a concentração de nuvens e a ocorrência de precipitação (SAPUCCI, 2001). 3. Materiais e métodos 41 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. 3. MATERIAIS E MÉTODOS O presente trabalho é dividido em duas partes: na primeira, é analisada uma série temporal de parâmetros atmosféricos, nas áreas de estudo definidas (Seção 3.1), considerando os diferentes métodos detalhados (Seção 3.2.); na segunda, são identificados, com base na primeira análise, eventos extremos de precipitação a partir dos quais são feitos estudos de caso. Um ponto importante é que a fonte de dados relacionada com sensoriamento remoto aplicando sensores imageadores é avaliada apenas no estudo de caso, devido ao alto espaço de armazenamento requerido pelas imagens. Nesta seção serão detalhados os critérios de escolha das áreas e períodos de estudo (Seção 3.1), bem como as fontes de dados (Seção 3.2) a serem utilizadas em cada uma das técnicas. 3.1. Áreas e período de estudo As áreas de estudo selecionadas foram as cidades de Belo Horizonte (MG) e São Paulo (SP), indicadas na Figura 9. A escolha desses locais se baseou em dois critérios. O primeiro foi a disponibilidade de dados. Como será melhor detalhado, foram utilizadas diferentes técnicas para obtenção dos dados, sendo de suma importância garantir que o local escolhido apresentasse dados para todas as técnicas empregadas. Dessa forma, em ambas as cidades definidas foi feita a verificação da disponibilidade de dados para todas as fontes. O segundo critério considerado foi a busca por locais com presença de eventos extremos de precipitação. Em fevereiro de 2020, a cidade de São Paulo registrou o maior volume de chuva em 77 anos, com um acúmulo de 449,0 mm (CLIMATEMPO, 2020a). Em Belo Horizonte - MG, janeiro de 2020 foi considerado o mês mais chuvoso da história da cidade, com um acúmulo de 935,2 mm, o que representa mais da média esperada para o ano todo, cerca de 1602,6 mm (G1, 2020a). Esses dois cenários, somados a disponibilidade dos parâmetros atmosféricos das diferentes técnicas empregadas, permitiram avaliar o comportamento desses dados durante a ocorrência do evento. 3. Materiais e métodos 42 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. Figura 9 - Mapa indicando as duas cidades (São Paulo e Belo Horizonte) definidas para avaliação dos dados de diferentes fontes e dos eventos extremos de precipitação. Fonte: GOOGLE MAPS (2020) Dentro de cada cidade definida como área de estudo, a distribuição espacial das técnicas usadas (Seção 3.2.) variam. A Tabela 1 apresenta as coordenadas geodésicas das estações utilizadas em cada fonte e a Tabela 2 apresenta as distâncias entre as estações usadas e suas respectivas altitudes, em ambas as cidades. Belo Horizonte São Paulo Radiossonda INMET Pluviômetro GNSS Radiossonda INMET GNSS Pluviômetro 3. Materiais e métodos 43 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. Tabela 1 - Coordenadas geodésicas das estações utilizadas em cada uma das fontes nas cidades de Belo Horizonte e São Paulo. Belo Horizonte Estações Latitude Longitude Altitude (m) Radiossonda - 23°31'0.44" - 46°37'0.32" 827 m INMET - 23°29'47.02" - 46°37'11.56" 915,47 m Pluviômetro - 23°31'23.81" - 46°37'34.17" - GNSS - 23°28'57.62" - 46°30'1.58" 974,85 m São Paulo Estações Latitude Longitude Altitude (m) Radiossonda - 19°38'53.25" - 43°57'34.81" 722 m INMET -19°56'3.78" - 43°57'8.25" 785,16 m Pluviômetro - 19°56'34.80" - 43°57'50.40" - GNSS - 19°56'30.84" - 43°55'29.63" 744,27 m Tabela 2 - Distâncias entre as estações utilizadas como fontes de dados e suas respectivas altitudes nas cidades de Belo Horizonte e São Paulo Belo Horizonte Estações Distância (km) radiossonda - INMET 31,7 km radiossonda - pluviômetro 33 km radiossonda - GNSS 32,7 km INMET - pluviômetro 1,5 km INMET - GNSS 2,9 km pluviômetro - GNSS 4 km São Paulo Estações Distância (km) 3. Materiais e métodos 44 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. radiossonda - INMET 2,3 km radiossonda - pluviômetro 1,2 km radiossonda - GNSS 12,4 km INMET - pluviômetro 2,9 km INMET - GNSS 12,3 km pluviômetro - GNSS 13,6 km Para geração e avaliação dos resultados, foi considerado um período de um ano de estudo, de 1º março de 2019 até 1° março de 2020, de modo a contemplar as diferentes estações climáticas do Brasil e conseguir avaliar o comportamento das diferentes fontes durante as variações sazonais. 3.2. Fontes de dados aplicadas Na seção 2.3, são detalhadas as diferentes fontes avaliadas neste trabalho, sendo elas: estações meteorológicas de superfície e de altitude (radiossondas) (seção 3.2.1), pluviômetros, dados de sensoriamento remoto (seção 3.2.3) e GNSS (seção 3.2.4). Nesta seção, são apresentados os procedimentos para obtenção dos dados a partir das diferentes fontes descritas. 3.2.1. Fonte 1: Estações Meteorológicas Os dados meteorológicos presentes neste trabalho têm como fonte estações meteorológicas de superfície (Seção 2.3.1) mantidas pelo INMET, que disponibilizam, por meio de uma rede de estações, parâmetros atmosféricos. Um mapa da rede de estações pode ser encontrado em: https://mapas.inmet.gov.br/. A partir do mapa disponibilizado é possível ter acesso ao banco de dados de todas as estações do INMET. O INMET permite duas formas de acesso aos dados das estações. A primeira forma é restrita a dados medidos nos últimos 365 dias (para estações automáticas) e nos últimos 90 dias (para estações convencionais) a partir da data de consulta. Para esse acesso, os dados apresentam https://mapas.inmet.gov.br/ 3. Materiais e métodos 45 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. uma resolução temporal horária de 00h até 23h UTC para as estações automáticas e de 00h a 12h para as convencionais. A segunda forma de acesso é para dados históricos das estações convencionais, onde são disponibilizadas informações em três resoluções temporais: horária (00h, 12h e 18h), diária e mensal. Com relação aos dados disponíveis, nas estações automáticas são medidos parâmetros de temperatura (instantânea, máxima e mínima) em °C, umidade (instantânea, máxima e mínima) em %, temperatura do ponto de orvalho (instantânea, máxima e mínima) em °C, pressão (instantânea, máxima e mínima) em hPa, vento (velocidade, direção e rajada) em m/s e °, radiação em kJ m-2 e chuva em mm. Nas estações convencionais, são medidos temperatura, umidade, pressão, vento (velocidade e direção), nebulosidade, insolação e precipitação (acúmulo diário). Neste trabalho, foram utilizados os dados históricos das estações convencionais, sendo os parâmetros de interesse: pressão, temperatura, umidade e precipitação acumulada. A partir dos parâmetros obtidos, foi desenvolvido um programa em linguagem Matlab para a leitura dos dados e geração de seus gráficos. Os resultados são apresentados e discutidos no Capítulo 4. 3.2.1.1. Fonte 2: Pluviômetros Os dados pluviométricos utilizados neste trabalho têm como fontes o CEMADEN e a ANA. Estes possuem plataformas em que os dados dos pluviômetros são fornecidos. O CEMADEN disponibiliza os dados medidos por meio de um mapa iterativo (http://www.cemaden.gov.br/mapainterativo/), no qual é possível ter acesso a medições feitas por radares, estações pluviométricas, estações hidrológicas, estações Acqua e estações geotécnicas. Para cada estação de interesse, os dados são obtidos inserindo o local da estação e período. Com relação aos dados de pluviometria, estes são medidos pontualmente com uma resolução temporal média de 10 minutos, porém, essa resolução varia dependendo das condições atmosféricas, de modo que durante a ocorrência de chuva, a resolução aumenta. A ANA disponibiliza os dados através de uma plataforma, chamada HidroWeb (http://www.snirh.gov.br/hidroweb/mapa), no qual também é apresentado um mapa com as estações da Rede Hidrometeorológica Nacional. Definida a estação e o período, os dados são fornecidos para estações pluviométricas e fluviométricas. Os dados são disponibilizados com http://www.cemaden.gov.br/mapainterativo/ http://www.snirh.gov.br/hidroweb/mapa 3. Materiais e métodos 46 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. uma resolução temporal diária do acúmulo de precipitação, onde são fornecidos também os números de dias com chuva em cada mês e o total acumulado mensal. Os dados são enviados por e-mail, em forma de tabela do Excel, como mostra a Figura 10. Figura 10 - Tabela de dados pluviométricos de Belo Horizonte. Da esquerda pra direita são mostradas nas colunas nome da cidade, código da estação, estado, local, latitude, longitude, hora, e precipitação em mm. Fonte: Autores (2020) A cidade de Belo Horizonte possui duas estações, sendo que a estação Avenida Silva Lobo (310620016A) foi selecionada por sua maior proximidade com a estação meteorológica do INMET. A cidade de São Paulo também possui duas estações, sendo a estação Luz (355030812A) escolhida, considerando o mesmo critério de seleção aplicado em Belo Horizonte. 3.2.2. Fonte 3: Radiossondas Em um banco de dados online desenvolvido pela Universidade de Wyoming (ATMOSPHERIC SOUNDINGS, 2020), parâmetros atmosféricos provenientes das radiossondas são fornecidos para estações distribuídas em todo o mundo, assim como sobre o território brasileiro. 3. Materiais e métodos 47 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. A maioria dos lançamentos ocorrem a cada 12 horas (00-12 UTC – Tempo Universal Coordenado), mas há casos de até quatro lançamentos diários (00-06-12-18 UTC), sendo que a altitude máxima alcançada pelas radiossondas é em torno de 25 km, somando aproximadamente 25 níveis de pressão que variam de acordo com a estação (ATMOSPHERIC SOUNDINGS, 2020). Os parâmetros meteorológicos (pressão (PRES), altitude (HGHT), temperatura (TEMP), temperatura do ponto de orvalho (DWPT), umidade relativa (RELH), massa de ar seco (MIXR), direção do vento (DRCT), velocidade do vento (SKNT), temperatura potencial (THTA), temperatura potencial equivalente (THTE) e temperatura potencial virtual (THTV)) são medidos pelas radiossondas conforme o incremento de altitude. No caso das estações de radiossondas, ambas as estações escolhidas na cidade de São Paulo e de Belo Horizonte são destacadas na Figura 11 em amarelo. Figura 11 - Distribuição das estações de radiossonda na América do Sul, sendo que as estações utilizadas para avaliação do método em estudos de eventos de precipitação, localizadas nas cidades de São Paulo e Belo Horizonte, aparecem destacadas em amarelo. Fonte: Atmospheric Soundings, 2020 3. Materiais e métodos 48 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. A partir da escolha dos locais e período (Seção 3.1), foi gerado um script em linguagem Matlab que permite a leitura dos dados provenientes das radiossondas em cada horário de medição (00h e 12h UTC), sendo que os dados de interesse aqui são pressão, temperatura e umidade. No script, cada valor é lido e armazenado em arquivos de texto (.txt) referentes ao dia e horário de medição, sendo que para um único dia o instrumento realiza uma série de medições de acordo com o nível de altitude, de modo que para geração de uma série anual são considerados apenas os valores medidos em superfície. Esses dados de superfície são armazenados em arquivos do Excel, por meio dos quais são gerados os gráficos temporais para cada parâmetro de interesse. Além das leituras pontuais, o script também calcula a média diária dos valores medidos que foram sobrepostos na série temporal sobre os dados horários por meio de uma função de interpolação cúbica que utiliza um polinômio de grau superior ao linear, permitindo maior grau de liberdade na construção da interpolação. Os resultados gerados são apresentados no Capítulo 4 de análises dos resultados. 3.2.3. Fonte 4: Dados de Sensoriamento Remoto Os produtos do sensoriamento remoto podem ser imagens ou não, que apresentam diferentes resoluções espaciais e temporais de acordo com o sensor. Neste trabalho, foram utilizados três diferentes satélites: Terra e Aqua (considerados um único conjunto, pois ambos possuem o mesmo sensor MODIS), GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite) e o GPM (Global Precipitation Measurements). Os produtos do MODIS relacionados com a atmosfera são fornecidos gratuitamente por meio do LAADS-DAAC (Level-1 and Atmosphere Archive and Distribution System - Distributed Active Archive Center) (https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/), um dos 12 centros de dados da NASA, responsáveis pela distribuição de dados, e que tem como enfoque dados atmosféricos (Purpose and Mission - LAADS DAAC, 2020). O sensor apresenta uma extensão espacial global, com imagens em dimensões geográficas de aproximadamente 1200 x 1200 km. As configurações espaciais e espectrais do sensor MODIS são apresentadas na Tabela 3. Para o caso específico do vapor d’água e das nuvens, as principais bandas utilizadas são 26, 27 e 28, localizadas no intervalo espectral de 1360 - 1390 nm, 6535 - 6895 nm e 7175 - 7475 nm, respectivamente (NASA - MODIS, 2020). Um dos produtos fornecido pelo MODIS é a https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/ 3. Materiais e métodos 49 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. água precipitável total, que consiste em quantidades de vapor d’água ao longo de uma coluna vertical. Tabela 3 - Configurações do sensor MODIS a bordo dos satélites Aqua e Terra. Banda Intervalo espectral (nm) Resolução espacial (m) 1 620–670 250 2 841–876 250 3 459–479 500 4 545–565 500 5 1230–1250 500 6 1628–1652 500 7 2105–2155 500 8 405–420 1000 9 438–448 500 10 483–493 1000 11 526–536 1000 12 546–556 1000 13 662–672 1000 14 673–683 1000 15 743–753 1000 16 862–877 1000 17 890–920 1000 18 931–941 1000 19 915–965 1000 20 3.660–3.840 1000 21 3.929–3.989 1000 22 3.929–3.989 1000 23 4.020–4.080 1000 24 4.433–4.498 1000 25 4.482–4.549 1000 26 1.360–1.390 1000 27 6.535–6.895 1000 28 7.175–7.475 1000 29 8.400–8.700 1000 30 9.580–9.880 1000 31 10.780–11.280 1000 32 11.770–12.270 1000 33 13.185–13.485 1000 34 13.485–13.785 1000 Fonte: EOS (2020) Existem dois arquivos de produtos de dados MODIS Water Vapor: MOD05_L2, contendo dados coletados da plataforma Terra; e MYD05_L2, contendo dados coletados da 3. Materiais e métodos 50 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. plataforma Aqua. O produto Water Vapor (ou Total Precipitable Water) é gerado a partir de algoritmos que combinam as bandas NIR (infravermelho próximo) com uma resolução espacial de 1 x 1 km e IR (infravermelho termal) com resolução espacial de 5 x 5 km. O vapor de água atmosférico deve ser determinado com uma precisão de 5 a 10%. O segundo conjunto de dados provêm do satélite meteorológico GOES-16, que permite a visualização da Terra em 16 diferentes bandas espectrais. Esses diferentes canais são utilizados por modelos e ferramentas para indicar vários elementos na superfície da Terra ou em sua atmosfera, como árvores, água, nuvens ou fumaças. A Tabela 4 indica as configurações do GOES (NASA-NOAA, 2020a). Tabela 4 - Configurações do sensor ABI (Advanced Baseline Imager) a bordo do satélite GOES-16. Bandas Comprimento de onda central (nm) Resolução Espacial (m) 1 470 500 2 640 500 3 860 1000 4 1380 1000 5 1610 1000 6 2250 2000 7 3900 2000 8 6180 2000 9 6950 2000 10 7340 2000 11 8500 2000 12 9610 2000 13 10350 2000 14 11200 2000 15 12300 2000 16 13300 2000 Fonte: NASA-NOAA (2020a) Os dados foram obtidos por meio da DSA (Divisão de Satélites e Sistemas Ambientais/INPE). Os produtos da DSA são gerados a partir de imagens de satélites de órbita geoestacionária e polar (GOES, METEOSAT, série NOAA, TERRA e AQUA). Adicionalmente, a DSA adapta e desenvolve ferramentas, algoritmos e códigos para geração de diferentes produtos. Dentre esses produtos está a estimativa de precipitação, implementado no CPTEC (Modelo Hidroestimador) utilizando dados dos satélites GOES e METEOSAT obtidos 3. Materiais e métodos 51 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. a cada trinta minutos. Além desses mapas de chuva a cada trinta minutos, campos de precipitação acumulada diária e mensal também são gerados por meio do GOES-16 DSA website, http://sigma.cptec.inpe.br/prec_sat/. Assim, ao selecionar a data de interesse é disponibilizado um mapa de precipitação sobre toda a América do Sul, como é mostrado no exemplo na Figura 12. Figura 12 - Mapa de precipitação acumulada para a América do Sul no dia 10/06/2020, disponibilizada pelo DSA, obtida a partir de dados do satélite GOES-16. Fonte: DSA (2020) Por fim, foram utilizados dados de precipitação obtidos a partir do IMERG (Integrated Multi-satelliE Retrievals for GPM), onde são usados dados provenientes da constelação de satélites GPM (NASA-GPM, 2020). Trata-se de um único sistema de código integrado para tempo-real e pós-processado que gera como produto final dados de precipitação com uma resolução temporal de 30 minutos ou mensal (apenas para o caso pós-processado), em um grid global de resolução espacial de 0.1°. Mais informações acerca do algoritmo e a geração do produto são detalhadas em Huffman (2017). http://sigma.cptec.inpe.br/prec_sat/ 3. Materiais e métodos 52 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. Os dados de precipitação do IMERG são disponibilizados por meio da plataforma Giovanni (https://giovanni.gsfc.nasa.gov/giovanni/), uma interface on-line para visualização e análise de dados de satélite (mantida pelo GES DISC DAAC), onde é possível definir a área de interesse, o período de dados desejado e os tipos de dados, sendo estes fornecidos no formato csv ou em gráficos. 3.2.4. Fonte 5: Satélite de Navegação GNSS O INPE criou em 2007 o centro de Estudo e Monitoramento Brasileiro de Clima Espacial (EMBRACE), que tem como objetivo o desenvolvimento de produtos de clima espacial (EMBRACE/INPE, 2020). Dentre os produtos fornecidos pelo EMBRACE está o ZTD, disponibilizados com uma resolução temporal de 5 minutos para as estações da RBMC (Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo). Além do ZTD, são também gerados como produtos valores de IWV e ZHD. Porém, há uma baixa no número de estações que disponibilizam dados de IWV e ZHD. De modo a garantir a validade dos dados a serem utilizados neste trabalho, previamente, foi realizada uma validação do ZTD/EMBRACE usando como referência o ZTD fornecido pelo IGS (International GNSS Service), que possui uma acurácia de 4 mm (IGS, 2020). Para tanto, foi escolhida uma estação em São Luís (MA) durante o período de março/2019, a escolha foi feita com base na disponibilidade dos dados do IGS e do EMBRACE, já que a resolução espacial das estações IGS no Brasil é baixa (IGS-NETWORK, 2020). Dessa forma, foi gerada uma série temporal do atraso comparando os dois produtos, onde é feita a subtração entre eles, tomando o IGS como referência. Os resultados são mostrados na Figura 13. A comparação aqui apresentada entre o EMBRACE e o IGS não são suficientes para garantir a qualidade do EMBRACE, mas apenas para justificar o uso dessa fonte de dados no trabalho. Para conclusões mais adequadas deveriam ser feitas avaliações robustas considerando um número maior de estações, além de um maior período de dados. https://giovanni.gsfc.nasa.gov/giovanni/ 3. Materiais e métodos 53 Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. Figura 13 - Eixo direito - ZTD em São Luiz, obtido pelo EMBRACE (azul) e pelo IGS (verde) durante o mês de março de 2019. Eixo esquerdo – discrepância em cm, entre o ZTD obtido pelo EMBRACE e pelo IGS. 3. Materiais e métodos 5