Como funcionam as medições de precipitação?



Nesse post, falaremos sobre a definição da palavra precipitação, falaremos também sobre os instrumentos utilizados para sua medição e sobre como os dados são organizados. Na imagem, um pluviômetro, provavelmente um modelo automático. Cortesia de Shutterstock

Quando falamos em precipitação, estamos na verdade usando um termo técnico que significa várias coisas.  De acordo com a Organização Meteorológica Mundial, no capítulo 6 da Parte I do WMO GUIDE TO METEOROLOGICAL INSTRUMENTS AND METHODS OF OBSERVATION (pode ser consultado aqui):

Precipitação é definida como os produtos líquidos ou sólidos da condensação do vapor de água que cai de nuvens ou é depositado a partir do ar para o chão .
Ele inclui chuva, granizo, neve, orvalho, sincelo, geada e névoa precipitação. A quantidade total de precipitação que atinge o solo em um determinado período é expresso em termos de profundidade vertical de água (ou equivalente de água , no caso de formas sólidas de precipitação) que cobriria uma projeção horizontal da superfície da Terra. No caso da neve fresca (recém-precipitada), mede-se também a profundidade dessa neve e há regras para essa medição descritas na seção 6.7 do capítulo sobre precipitação (veja aqui).

Não lembro se já comentei com vocês (já comentei mais ou menos aqui rs), mas apesar de achar essa definição da OMM (ou WMO) bastante completa e claro, é a que norteia nosso trabalho, não gosto dela porque ela considera fenômenos como geada e orvalho como precipitação. E nenhum desses dois fenômenos “precipitam”, ou seja, “caem” das nuvens. Na verdade, ocorre a condensação do vapor d’água sobre uma superfície bem fria, normalmente em madrugadas bem frias. Damos a isso o nome de orvalho. E quando a superfície está muito fria mesmo, o vapor d’água sublima inversamente para o estado sólido. Nesse caso, temos a geada.

Além disso, geada e orvalho não são responsáveis por uma grande quantidade de água precipitável. Os pluviômetros, instrumentos que medem o total de precipitação (principalmente a líquida), registram muito pouco durante uma noite de orvalho. Mas é tão pouco que eu digo com segurança: menos que 0,1mm! Isso não faz diferença no total de precipitação ao longo de um dia e não influencia em nada a média climatológica de uma Estação Meteorológica, por exemplo.

O que normalmente fazemos operacionalmente é contar os dias com orvalho/nevoeiro/geada ao longo dos meses. Dessa forma, teremos uma estimativa média de quais os meses em que esses fenômenos são mais frequentes. Por exemplo, no Boletim Climatológico Anual de 2014, publicado pela Estação Meteorológica do IAG-USP (e usando dados desta estação), é costumeiro que publiquem gráficos mostrando a ocorrência desses fenômenos (consulte o documento aqui).

Os gráficos abaixo mostram, respectivamente: total de dias com nevoeiro, total de dias com garoa e total de dias com orvalho. São totais para os meses dos anos de 2013 e 2014. Além desses totais, temos as médias e as normais climatológicas dessas variáveis.  E o cálculo das médias e das normais só é possível com observações sistemáticas ao longo de vários anos. Dessa forma a gente consegue perceber se um mês de um determinado ano teve mais ou menos dias com o fenômeno do que sua média climatológica.

Com relação ao nevoeiro, percebemos principalmente que:

– Os meses com a maior ocorrência de nevoeiro são os meses de Maio até Julho (início do inverno);

– Nos dois últimos anos, todos os meses tiveram menos dias com nevoeiro do que as respectivas médias e normais climatológicas.

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Dias com nevoeiro ao longo dos meses dos anos de 2013 e 2014, além da média e das normais climatológicas. Dados da Estação Meteorológica do IAG-USP, localizada em São Paulo-SP (Zona Sul, bairro da Água Funda)

Com relação a ocorrência de garoa, percebemos principalmente que:

– Parece haver dois picos: na primavera e no outono. Coincidem com o final e o inicio da estação chuvosa.

– Alguns meses destacam-se por estarem acima da média e das normais, enquanto outros destacam-se por estarem abaixo das normais.

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Dias com garoa ao longo dos meses dos anos de 2013 e 2014, além da média e das normais climatológicas. Dados da Estação Meteorológica do IAG-USP, localizada em São Paulo-SP (Zona Sul, bairro da Água Funda)

Com relação ao orvalho, percebemos principalmente que:

– O período de maior ocorrência de orvalho costuma ocorrer entre abril e junho;

– Alguns meses destacam-se por estarem acima da média e das normais, enquanto outros destacam-se por estarem abaixo das normais.

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Dias com orvalho ao longo dos meses dos anos de 2013 e 2014, além da média e das normais climatológicas. Dados da Estação Meteorológica do IAG-USP, localizada em São Paulo-SP (Zona Sul, bairro da Água Funda)

E com relação a chuva? Nós medimos a chuva em mm de chuva. Falo isso dos países que seguem o Sistema Internacional. Nos EUA, utiliza-se inches de chuva (polegadas de chuva), cuja sigla é in. Quando falamos em mm de chuva a gente precisa sempre ressaltar que não nos referimos aos mm lineares, medidos usando uma régua, por exemplo. Falamos em uma unidade volumétrica: 1 mm de chuva significa 1 litro de chuva em 1 m² de área. Como exemplo de dados de chuva, vou as médias mensais calculadas de 1933 até 2012, com dados da Estação Meteorológica do IAG-USP (próxima figura).

Para calcular uma média mensal de chuva, a gente precisa:

– Somar toda a chuva que ocorreu em cada um dos meses. Por exemplo, somei toda a chuva que ocorreu no mês de Janeiro/1933 e faço isso para todos os meses até Dezembro/2012.

– Calculo as médias mensais. Para isso somo todos os “janeiros”, todos os “fevereiros”, …, todos os “dezembros” e divido pelo total de anos entre 1933 e 2012. No caso, são 80 anos!

Calcular as médias de chuva é importante para construir um climograma. Além das médias de chuva, temos também as médias de temperatura no mesmo gráfico. Esse gráfico é importante para descrevermos o clima de uma região, como mencionei nesse post.

Climograma de São Paulo. Dados da Estação Meteorológica do IAG-USP
Climograma de São Paulo. Dados da Estação Meteorológica do IAG-USP

Mas agora vamos compreender melhor o significado da unidade mm de chuva. E para isso, vamos imaginar tanque hipotético de 1m² de área de base. Se jogarmos 1 l de água dentro desse cubo, teríamos uma lâmina de 1mm:

Cubo

Esse tanque hipotético já é velho conhecido dos leitores do Meteorópole. Nesse post, em que explico como funciona um pluviômetro. E eu já havia falado da definição de mm nesse post em que falo sobre como construir um pluviômetro. Sim, é possível construir um pluviômetro de maneira bem barata, usando garrafa PET e ainda assim, tendo uma boa precisão nas medições (leia aqui pra saber mais a respeito).

Para que as medições de chuva ao redor de todo o globo fossem muito boas do ponto de vista representativo, seria necessário que o planeta fosse coberto por uma extensa rede de pluviômetros. Não necessariamente pluviômetros convencionais, desses que necessitam da constante ou até diária verificação por parte de um técnico (foto abaixo):

Pluviômetro

Conforme expliquei nesse post, esses pluviômetros convencionais necessitam que seja utilizada uma proveta graduada para realizar a verificação do total de chuva. Observem que na base deles há uma torneirinha. Essa torneira é aberta e a água é despejada dentro da proveta graduada, para verificação do total de chuva.

Além dos pluviômetros convencionais, temos também os pluviógrafos. Como o nome sugere, a extensão -grafos indica que o instrumento faz um registro da chuva. E esse registro é feito em um gráfico, com o tempo no eixo x e o total de chuva em seu eixo y. Com o pluviógrafo, é possível saber que horas a chuva começou e em quais momentos a chuva foi mais intensa. O funcionamento dos pluviógrafos é muito simples: a chuva é coletada e faz com que uma espécie de boia suba, como ocorre com a caixa d’água ou a descarga de um vaso com caixa acoplada quando está enchendo de água. Essa boia vai movimentar uma pena registradora, que fará o registro do total de chuva:

Pluviógrafo

O registro feito pelo pluviógrafo fica algo como no exemplo abaixo:

Exemplo do registro do pluviógrafo (trecho de um diagrama)

Tanto pluviômetros quanto pluviógrafos dependem de uma mão de obra técnica especializada bastante constante, para não dizer diária. O diagrama do pluviógrafo previsa ser trocado diariamente e os pluviômetros precisam ser verificados diariamente ou semanalmente (dependendo do tamanho e do modelo do instrumento). Como nem sempre é possível ter um técnico a disposição diariamente, muitas estações meteorológica tem usado instrumentos eletrônicos. E não poderia ser diferente com o pluviômetro: existe o pluviômetro eletrônico.  Na verdade, essa é uma designação bem genérica para se referir a modelos de pluviômetros que fazem o registro automaticamente, enviando a informação para um computador, cartão de memória ou para a rede (através de conexões por celular, por exemplo). O modelo mais comum é o “pluviômetro de caçamba”, no qual a chuva enche um pequeno reservatório que lembra uma caçamba. Esse reservatório comporta pouca chuva, bem menos de 5mm (depende do modelo). Cada vez que o reservatório enche, um pulso é enviado para o computador e em seguida o reservatório logo é esvaziado. Contando a quantidade de pulsos e sabendo a capacidade do reservatório, é possível determinar o total de chuva em um determinado intervalo de horas (ou até de minutos!), por exemplo.

Os pluviômetros eletrônicos podem ser calibrados e podem ter seu funcionamento verificado e validado usando um pluviômetro convencional ou um pluviógrafo, que normalmente é instalado ao lado dele por algum tempo. Dessa maneira, verifica-se se estão funcionando corretamente e se não há nenhuma perda d’água ou problema eletrônico.

Além dos pluviômetros (seja qual for o modelo) e pluviógrafos, também podemos estimar a quantidade de chuva usando radares meteorológicos e imagens de satélite.  Entretanto, esses instrumentos apenas nos dão uma estimativa. Para validar os dados, é preciso da informação do pluviômetro! Há diversas iniciativas ao redor do mundo para fomentar e estimular a instalação de pluviômetros. Em muitos casos, agricultores são pagos e treinados para manter um instrumento desses funcionando corretamente. Há até ideias de guarda-chuvas inovadores que também atuam como pluviômetros.

Bom, agora que a gente já sabe como a chuva é medida, fica a pergunta: e como o gráfico, por exemplo, abaixo foi feito?

ultimabr

O gráfico, obtido no site do CPTEC-INPE mostra os totais de precipitação do dia 13/05/2015 (ontem) em todo o Brasil. Vejam as fontes de dados: são diversos institutos de ensino e pesquisa de diversas regiões do Brasil. Cada instituto desses tem uma pequena rede de pluviômetros e pluviógrafos e esses dados são coletados e enviados para o INPE. Talvez entrem nesses dados também dados de radares meteorológicos, não sei ao certo. Para que o gráfico fique assim, “lisinho”, ou seja, sem informações pontuais (apenas o dado daquela estação, por exemplo), são feitas interpolações, que utilizam cálculos matemáticos para deduzir a quantidade de chuva entre uma estação e outra. Ou seja, o objetivo é tentar determinar o quanto choveu em um determinado ponto que não possui uma estação meteorológica, mas há outras estações meteorológicas em bairros ou cidades vizinhas. Algumas técnicas de interpolação de chuva são explicadas nesse artigo.

Olhando o mapa de precipitação do Brasil (última figura), notamos que a área branca corresponde a chuva inferior a 2mm. Mas é importante comentar que também corresponde a áreas em que há uma quantidade pequena de pluviômetros, que muitas vezes estão instalados em distâncias muito grandes entre si. Sendo assim, temos “buracos” de dados, zonas em que muitas vezes não há uma estação meteorológica sequer. Essa ausência de dados dificulta na construção de um mapa interpolado de chuvas mais completo.

E se o mapa não fosse interpolado? Bom, daí eu teria um mapa de pontos, indicando a localização da estação e o total de chuva naquele determinado dia. Ou o total médio, se fosse um caso de mapa de médias. Em alguns casos, o gráfico vem todo quadriculado, como por exemplo esse gráfico de chuva média anual para a América Central:

index-ca-precip

O gráfico acima tem resolução de meio grau. Isso significa que a informação vale para aquele quadradinho de meio grau x meio grau de latitude/longitude. Lembrando que para o caso do gráfico acima, trata-se de um gráfico de médias, mas poderíamos considerar que um dado diário de uma determinada estação meteorológica valeria para suas vizinhanças, considerando uma área de 10km x 10km, por exemplo. Dessa forma, teríamos vários quadradinhos que representaria o valor registrado em cada uma das estações meteorológicas da rede.

Ah sim, se você quiser os dados de precipitação média anual da América Central (dados do gráfico anterior), basta baixá-los aqui.

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Espero que vocês tenham gostado do post. Se surgir alguma dúvida ou sugestão de post, deixe nos comentários =). Esses posts mais “técnicos”, sei que agradam muitos meteorologistas amadores ou estudantes de outras áreas que estão usando dados meteorológicos. Tento alternar os assuntos para não ficar falando sempre da mesma coisa, porque acho que vocês já repararam que aqui no Meteorópole tem de tudo!