Dúvida do leitor: Análise de dados em uma estação meteorologica



Olá pessoal!

Hoje vou responder a uma dúvida bem técnica. Como os dados de uma estação meteorológica são analisados?

A pergunta é do leitor Paulo Helio Kanayama:

Olá. Gostaria de saber como vocês processam os dados de uma estação meteorológica, já que são muitos dados e como são os bancos de dados.

Essa pergunta é fácil de responder e ao mesmo tempo é um pouco difícil. Fácil porque é parte de meu trabalho na Estação Meteorológica do IAG-USP e eu vou poder falar um pouco do que fazemos por lá. E difícil porque eu não sei exatamente como fazem em outras estações meteorológicas ou em redes de estações meteorológicas automáticas, mas tenho algumas informações para passar a respeito disso também.

A Estação Meteorológica do IAG-USP está em operação desde 1933. O procedimento seguido desde então é praticamente o mesmo: o observador meteorológico (técnico treinado), faz a leitura do barômetro, verifica a quantidade, tipo e distribuição das nuvens, verifica a presença de algum fenômeno óptico (halo, arco-íris, glória,  etc), vai até o cercado meteorológico, faz a leitura dos instrumentos presentes no cercado (termômetros de solo, evaporímetro externo e pluviômetros, vai até o abrigo meteorológico e faz a verificação dos instrumentos no interior do abrigo (registradores mecânicos de temperatura e umidade relativa, termômetros de máxima e mínima e faz a psicrometria). Durante toda essa rotina (que é a cada hora cheia) e também são observadas a ocorrência de outros fenômenos meteorológicos que estejam ocorrendo naquela hora, como geada, orvalho, granizo, etc. O observador faz todas essas anotações em uma caderneta e depois transcreve para uma folha de papel tamanho A3 que contém uma enorme tabela, com colunas para cada variável meteorológica e linhas para cada horário de observação.

Abrigo meteorológico aberto. Vários instrumentos em seu interior, incluindo alguns termômetros. Foto: funcionários da Estação Meteorológica do IAG-USP
Abrigo meteorológico aberto. Vários instrumentos em seu interior, incluindo alguns termômetros. Foto: funcionários da Estação Meteorológica do IAG-USP
Adorei essa foto: olha o pequeno super curioso com o que tem dentro do Abrigo Meteorológico :). Como eu continuei atendendo vários grupos escolares durante a gravidez, fico imaginando que meu filho já cansou de ouvir a palavra psicrômetro rs
Adorei essa foto: olha o pequeno super curioso com o que tem dentro do Abrigo Meteorológico :). Como eu continuei atendendo vários grupos escolares durante a gravidez, fico imaginando que meu filho já cansou de ouvir a palavra psicrômetro rs. Leia mais aqui.

O que é psicrometria?

Nas estações meteorológicas convencionais, há um instrumento que consiste em um par de termômetros. Esse instrumento chama-se psicrômetro. Um dos termômetros é usado para medir a temperatura do ar, como conhecemos e como é divulgada pela imprensa. O outro termômetro possui um diferencial: seu bulbo é envolto por um tecido de algodão. Esse tecido é então umedecido e ar é forçado a circular pelo par de termômetros, manualmente ou através de um ventilador acoplado. O tecido vai então secando e no processo de evaporação, há perda de calor por parte do termômetro. Teremos então dois termômetros, um medindo a temperatura do ar (temperatura do bulbo seco) e o outro medindo a temperatura do bulbo úmido. A temperatura do bulbo úmido reflete a quantidade de vapor d’água contido na atmosfera. Se ocorrer muita evaporação, haverá mais perda de calor a temperatura do bulbo úmido será muito menor que a do bulbo seco. Quanto maior a depressão do bulbo úmido (diferença entre temperatura do bulbo seco e temperatura do bulbo úmido), menor é a umidade relativa, ou seja, o ar está mais longe de estar saturado. Se as temperaturas do bulbo seco e do bulbo úmido forem muito próximas, o ar está próximo da saturação e se forem iguais, temos umidade relativa de 100%.

Resumindo: o objetivo da psicrometria é obter o valor da Umidade Relativa.

Psicrômetro. (imagem daqui)
Psicrômetro. (imagem daqui)

No escritório do observador meteorológico, as informações dos termômetros e barômetro e de seus correspondentes registradores mecânicos são verificadas no dia seguinte. O objetivo é verificar se há uma boa correlação entre os instrumentos, eliminando assim erros de leitura (o observador pode errar a leitura do instrumento, por paralaxe por exemplo) e erros de um eventual dano nos instrumentos (porque está velho ou por erro no manuseio).

E por muitos anos, esse era todo o trabalho. Computadores eram muito caros e não eram muito utilizados em repartições públicas. O banco de dados consistia em várias folhas de papel e diagramas. E se alguém precisasse daqueles dados, teria que ir até a Estação Meteorológica para transcrevê-los ou tirar uma fotocópia.

Que vida.

Nos anos 90, os computadores começaram a ficar mais acessíveis e a Estação Meteorológica do IAG-USP passou a inserir o computador em sua rotina diária. Ou seja, além de transcrever a informação para a folha de papel, o observador tinha que digitar a mesma informação em uma tabela no formato Microsoft Excel. Portanto, mais uma tarefa foi inserida no cotidiano dos observadores.

Concomitantemente, os observadores e outros técnicos se esforçaram para digitar TODAS as tabelas dos anos anteriores. E hoje, os dados da Estação Meteorológica do IAG-USP estão todos em tabelas no formato Microsoft Excel.

São vários arquivos nesse formato .xls (ou .xlsx, mais recentemente). Isso não é muito fácil de processar. E não é todo mundo que gosta desse formato, porque dependendo da aplicação ele não é nada útil. Então recentemente, os dados foram convertidos para ASCII e em seguida foram inseridos em um banco de dados no formato MySQL, que acredito que é um formato amplamente utilizado em diversas aplicações científicas, da área de economia, em sites de vendas para catalogar os produtos, etc.

E com os dados nesse formato, as coisas começam a ficar bem interessantes. Fica bem mais fácil calcular médias, encontrar valores extremos, calcular percentis, etc. O controle de qualidade dos dados antigos também fica facilitado, porque usando linhas de comando relativamente simples, é possível encontrar valores “absurdos”, causados por erros de digitação ou erros de conversão de formato.

Vejam bem, até aqui falei da rotina de uma estação meteorológica convencional. Ou seja, é uma estação que usa instrumentos analógicos. Claro que fica muito mais barato operacionalmente usar estações meteorológicas automáticas, e grandes redes de estações meteorológicas utilizam as automáticas. É um gasto menor de mão de obra, mas infelizmente a prática nos mostra que os sensores automáticos tem um tempo de vida menor que os convencionais. Eu deduzo que aqui no Brasil, isso ocorre porque estamos localizados bem na área tropical, onde a umidade relativa é muito alta. Mesmo quando a umidade relativa está baixa na Região Sudeste ou Centro-Oeste, isso só ocorre no final da manhã e início da tarde. Normalmente a umidade relativa passa dos 65%-70% de noite. E quando a estação meteorológica está localizada em uma área de vegetação densa (floresta tropical), a umidade relativa passa facilmente dos 90% a noite. E a umidade prejudica muito os sensores eletrônicos, que descalibram até que param de funcionar.

Outra coisa que noto é que não temos muita experiência para lidar com os sensores das estações automáticas, quando comparamos com o que já sabemos sobre os sensores convencionais. Muitas vezes eles param de funcionar e tem que esperar um técnico especializado e até isso acontecer, a variável meteorológica em questão fica sem medição.

Vejam bem, não estou dizendo que temos que usar apenas estações convencionais. As estações automáticas possibilitam um custo operacional menor. Além disso, estações automáticas podem ser instaladas em locais longínquos, como no meio de uma mata, por exemplo, já que não dependem diretamente de um observador. Vai depender de um controle de qualidade e de uma integração na rede, mas atualmente com a internet, é possível colocar um sistema de comunicação 4G para enviar os dados coletados para um instituto de pesquisa.

O controle de qualidade de uma estação meteorológica automática ou de uma rede de estações é feito de maneira bem semelhante a que mencionei para a Estação Meteorológica do IAG-USP. Os dados são constantemente comparados e verificados. Outras fontes de dados podem ser utilizadas para a comparação. Por exemplo, dados de chuva medida pelo radar meteorológico e dados da chuva coletada pelo pluviômetro podem ser comparados.

Além disso, é preciso lembrar que todos esses sensores (automáticos ou convencionais) são calibrados na fábrica e possuem um certificado de calibração. As empresas que fabricam esses instrumentos tem tradição na fabricação de instrumentos científicos. Acredito que muita gente já viu sensores de temperatura bem baratinhos, por exemplo, a venda em sites chineses. Claro que esses sensores não são os utilizados nas estações meteorológicas automáticas. Fabricantes conceituados como Vaisala, Davis ou Campbell são especializados em fabricar e calibrar sensores para estações meteorológicas automáticas.

Estação Meteorológica Automática da Marca Davis (como exemplo). Site da empresa.
Estação Meteorológica Automática da Marca Davis (como exemplo). Site da empresa.

Ainda sobre a comparação dos resultados e sobre o armazenamento dos dados, a Organização Meteorológica Mundial dispõe de um documento com recomendações de como o controle de qualidade deve ser feito. Esse documento é parte de um manual maior, o WMO GUIDE TO METEOROLOGICAL INSTRUMENTS AND METHODS OF OBSERVATION. Esse manual contém procedimentos de como as estações meteorológicas do mundo inteiro devem operar. A parte III do manual contém uma série de recomendações sobre o controle de qualidade.

O resultado deve ser o mesmo: ter dados consistentes e com um bom controle de qualidade. Mas claro, cada instituição tem uma maneira de fazer isso, seguindo minimamente essas recomendações e com procedimentos muito parecidos com os que mencionei aqui para a Estação Meteorológica do IAG-USP.

Espero ter esclarecido a dúvida do Paulo e ajudado outras pessoas que chegaram até o blog com a mesma dúvida. Mandem suas dúvidas pelo formulário da página (no cabeçalho), porém não estou conseguindo respondê-las com a rapidez merecida.

Abraços a todos =)