Avaliação da precipitação e sua influência sobre as - DSR

Anais XVI Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto - SBSR, Foz do Iguaçu, PR, Brasil, 13 a 18 de abril de 2013, INPE
Avaliação da precipitação e sua influência sobre as áreas inundadas no Pantanal
Elisabete Caria Moraes
Gabriel Pereira
Francielle da Silva Cardozo
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE
Caixa Postal 515 - 12227-010 - São José dos Campos - SP, Brasil
{bete, gabriel,cardozo}@dsr.inpe.br
Abstract. The use of products from the Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) satellite and from
Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) aboard TERRA and AQUA satellites for monitoring
the rainfall and flood pulse of the Pantanal Biome allows mitigating the socioeconomic and environmental
problems caused by variations in their amplitudes. The maximum and minimum rainfall in the wet season over
the past 15 years in Pantanal fluctuates approximately 18.3% (180 mm) related with season average. This issue is
caused by the biggest wetland inundations in 2000 and 2011, and the extreme reduction in 2012, representing,
respectively, an increase of 31.2% and a decrease of 75.2% compared to the average flooded area in the period
correspondent from 2000 to 2011. Moreover, the reduction of flooded area for Pantanal Biome in 2012,
compared with average flooded area (2000-2011), was 81%, or 47.098 km2. Also, the rainfall patterns in the
Brazilian Pantanal does not fully explain the expansion or reduction of the flooded area (incident rainfall in the
wet season explains 53% of the flood pulse), but gives evidence of the dynamics of the pulse in the following
year, since the extent of the flooded area should be affected by fluctuations in groundwater storage of the
Pantanal, as well as by the incident rainfall on the Plateau.
Palavras-chave: satellite images, precipitation, wetland, Pantanal, imagens de satélite, precipitação, áreas
inundadas, Pantanal.
1. Introdução
O Pantanal, como maior planície tropical contínua da Terra sujeita a inundação periódica
intra e inter-anual, é composto por vários ecossistemas e apresenta uma das maiores
diversidades biológicas do mundo (Silva e Abdon, 1998). Este bioma apresenta grande
importância socioeconômica para o país, devido ao relevante desenvolvimento agropecuário
existente na região, fator que induz o aumento dos processos de desmatamento e de
queimadas na região, mas mesmo assim o Pantanal ainda é considerado bastante preservado
(Pereira, et al., 2007 e Moraes et al., 2009).
Durante quase todo o ano de 2012 as profundidades ao longo do Rio Paraguai no Pantanal
estiveram abaixo de sua média climatológica, situação contrária ao observado no ano de 2011,
ano em que foi registrado uma das maiores cheias das últimas décadas, e cujas águas
atingiram áreas mais altas, que normalmente não inundam (Cardozo, 2009). Segundo a
Agência Fluvial de Cáceres (2012) o Rio Paraguai atingiu em alguns pontos a profundidade de
85 cm no dia 18 de setembro de 2012. Este valor foi o segundo pior índice desde a década de 60,
quando o rio chegou a marcar um nível de 75 cm. Dados meteorológicos da estação de Cáceres
mostram que a precipitação incidente no dia 14 de setembro ocorreu após 87 dias de estiagem e
que os 3,2 mm de água não foram suficientes para aumentar o nível do rio.
O comportamento das inundações está diretamente relacionado ao regime de precipitação
no bioma do Pantanal, no entanto existem áreas permanentemente secas ou inundadas ao
longo dos anos (Paz et al., 2011; Moraes et al., 2012). O conhecimento espacial, temporal e
sazonal deste regime pluviométrico é de extrema importância para o monitoramento dos impactos
causados pelo excesso ou falta prolongada de chuvas nas diversas sub-regiões do Pantanal, pois a
precipitação impacta fortemente as atividades socioeconômicas, tanto no que diz respeito ao
turismo, fortemente desenvolvido na região, como as atividades agropecuárias.
O Pantanal possui uma rede meteorológica escassa e por ser uma região de difícil acesso o
sensoriamento remoto torna-se uma ferramenta extremamente útil para a obtenção de informações
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tanto meteorológicas como de uso e cobertura da superfície em todo o bioma. Estudos recentes no
Pantanal mostram a viabilidade do uso de imagens dos sensores Moderate Resolution Imaging
Spectroradiometer (MODIS), a bordo dos satélites Terra e Aqua, na determinação e
monitoramento de áreas inundadas (Freitas et al., 2007; Santos et al., 2009; Cardozo et al.,
2009) e do uso do Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) na estimativa da precipitação
(Collischonn et al. 2006; Viana e Álvala, 2011), pois ambos apresentam boa precisão quando
comparados com dados de superfície na bacia do Alto Paraguai. Diante do exposto, este trabalho
objetiva através de imagens de satélites, Terra e TRMM, espacializar, avaliar e comparar a
influência da precipitação sobre a determinação de áreas inundadas no Pantanal nos anos de 2011 e
2012, considerados anos extremos de precipitação e de áreas inundadas dos últimos 13 anos.
2. Metodologia de Trabalho
2.1 Área de Estudo
A área de estudo, composta pelo Bioma do Pantanal Brasileiro, está situada em uma
planície contínua da porção centro-sul do Continente Sul-Americano, abrange 138.183 km2 e
situa-se entre as coordenadas são 59º 15´W e 22º 10´S; e 54º 5º´W e 15º 30´S. Este bioma
apresenta altitude média de 100 metros, variando de 60 metros na região central a cotas acima
de 500 metros em suas extremidades limites brasileiras, o que favorece a ocorrência de um
complexo sistema de cheias. Apresenta leves ondulações, com morros isolados e depressões
rasas, sendo cortado por grande quantidade de rios pertencentes à Bacia do Alto Paraguai.
Segundo Ambiente Brasil (2012) o clima no Pantanal é predominantemente tropical, sofre
influências das massas de ar frio provenientes das porções mais meridionais, com penetração
rápida pelas planícies dos pampas e do chaco, e apresenta características de continentalidade
com diferenças marcantes entre as estações úmida (outubro a março) e seca (abril a setembro).
A temperatura média anual deste bioma é de 25º C, tendo seus valores médios anuais de
máximos e mínimos em torno de 34º C e 15º C, respectivamente, sendo que a precipitação
média anual dos últimos 14 anos foi de aproximadamente 1220 mm, variando de 239 mm na
estação seca a 1002 mm na estação úmida (Viana e Alvalá, 2011).
2.2 Metodologia
Para o monitoramento das áreas inundadas e da precipitação no Pantanal foram utilizadas
imagens do sensor MODIS, produtos MOD43B3, e do satélite TRMM produtos 3B43 V7.
Os dados de albedo e as reflectâncias fotossinteticamente ativa (PAR) e na faixa do
infravermelho próximo e médio (NIR/SWIR) oriundos do produto MODIS representam estes
parâmetros para cada 8 dias com resolução espacial de 1km, considerando os melhores
valores em relação a não influência de nebulosidade, de aerossóis e de sombras. Além disto,
na definição destes valores também são ponderados os valores dos pixels quanto à qualidade
radiométrica e quanto à proximidade do nadir, ou seja, são desprezados os pixels com
inclinação do sensor superior a 30º em relação à visada vertical. As imagens utilizadas
compreendem o período de fevereiro de 2000 a setembro de 2012 dos tiles H12V10 e
H12V11, que engloba a área do Pantanal. O produto final gerado a cada de 8 dias é composto
pelos pixels mais representativos do albedo ou reflectâncias (PAR e NIR/SWIR) da superfície.
Na delimitação da área alagada adotou-se a metodologia de Cardozo (2009).
Os produtos 3B43 V7 do TRMM são mapas de precipitação média mensal originários de
uma rodada mensal dos subprodutos do algoritmo 3B42, que combina as estimativas de
precipitação das bandas do microondas com dados de uma rede global de pluviômetros da
Climate Assessment and Monitoring System e produtos globais pluviométricos gerados pelo
Global Precipitation Climatology Center. Este algoritmo é executado uma vez por mês e gera
um mapa de precipitação mensal, que é disponibilizado no segundo ou terceiro mês
subsequente. Estes mapas de precipitação mensal apresentam resolução espacial de 0,25º de
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latitude e de longitude. Neste estudo foram tratados os mapas mensais de precipitação do
Pantanal e seu entorno para o período de janeiro de 1998 a agosto de 2012, extraindo-se a
precipitação média mensal do Pantanal deste período. Este monitoramento dos índices
pluviosidade no Pantanal é fundamental no entendimento do regime de inundação deste bioma.
3. Resultados e Discussão
Os mapas de precipitação mensal extraídos do TRMM possibilitaram avaliar a dinâmica
de precipitação do Bioma Pantanal de janeiro de 1998 a agosto de 2012. Através destes mapas
obteve-se a climatologia mensal da precipitação incidente na região e a representação de seu
comportamento através de um gráfico de box-plot como mostra a Figura 1.
Figura 1. Box-plot da precipitação mensal do Bioma Pantanal para o período de janeiro de
1998 a agosto de 2012.
Através da distribuição da mediana observa-se que a variabilidade mensal da precipitação
é condizente com o esperado, ou seja, maior variabilidade no período úmido e menor no
período seco. Também foi possível identificar os meses com valores atípicos (outliers) muito
superiores aos demais índices dos meses de sua ocorrência, como por exemplo os extremos
ocorridos nos meses de maio e junho de 2012, cujos valores de precipitação foram,
respectivamente, 134% e 331% acima da média mensal. Os outros outliers ocorreram em
julho de 2000 e 2009, e em outubro de 2004, cujos referentes índices de precipitação foram
199%, 151% e 46,6% superiores as suas respectivas médias.
A análise da precipitação mensal dos últimos 15 anos mostrou que 80,7% da precipitação
anual incidente no Bioma Pantanal ocorrem na estação úmida, o que representa 1004 mm de
chuva, enquanto que na estação seca a incidência de precipitação é de 239 mm. Também se
verificou que os anos com maiores e menores índices de precipitação no Pantanal foram 2011
e 2012.
A Figura 2 apresenta a distribuição da precipitação mensal destes dois anos e a média
mensal de 1998 a agosto de 2012, bem como a diferença percentual destes anos em relação à
média do período todo. A estação úmida de 2011 apresentou um índice de precipitação de
18,5% superior à média dos últimos 15 anos, que representa 185 mm a mais de precipitação
para a estação, porém observa-se que para os três primeiros meses deste ano a precipitação foi
muito superior a média desta estação úmida (57,4% ou 255 mm no trimestre). No entanto, a
estação úmida de 2012 mostrou-se mais seca que a média desta estação, sofrendo uma
redução do índice pluviométrico de 18% ou 182 mm. Com exceção de outubro de 2011 todos
os outros meses da estação úmida de 2012 tiveram suas intensidades diminuídas, cujas
variações situaram-se entre 28,6% em novembro de 2011 a 12,1% em fevereiro de 2012.
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Observa-se também que a forte chuva comum para a estação úmida incidiu somente no início
da estação seca de 2012, conforme ressalta a Figura 3.
Figura 2. Comparação entre os valores mensais da precipitação incidente no Bioma Pantanal
nos anos de 2011 e 2012 e as médias mensais dos últimos 15 anos.
Na Figura 3 constata-se que para maio e junho de 2012 ocorreram desvios positivos em
relação à média dos últimos 15 anos para todo o Pantanal, sendo que os maiores índices de
precipitação para o mês de maio, superiores a 90 mm da média climatológica, ocorreram
praticamente em todo o Pantanal pertencente ao estado de Mato Grosso e ao norte do Pantanal
do Mato Grosso do Sul. Para junho as maiores precipitações, desvios superiores a 60 mm da
média, ocorreram a leste do Pantanal de MT e a norte, leste e sul do Pantanal de MS. No
entanto, desde julho o Bioma Pantanal enfrenta uma forte estiagem com redução da
precipitação em torno de 89% da média climatológica, percentual que representa 35,7 mm a
menos de precipitação média dos meses de julho e agosto.
Figura 3. Estratificação dos desvios da precipitação média mensal de 2012 em relação à média
mensal do período de 1998 a 2012 para os meses de (a) maio (b) junho
Na Figura 4 a precipitação média incidente na região que envolve o bioma é espacializada
para as estações úmida e seca tanto para o período de 15 anos, quanto para os anos de 2011 e
2012. Através desta espacialização observa-se que em 2011 praticamente todo o Bioma
Pantanal apresentou a distribuição da precipitação acima da média na estação úmida, cujos
maiores índices pluviométricos incidiram nas regiões próximas ao planalto que o contorna. Na
estação seca de 2011 observa-se que a redução da precipitação ocorreu em algumas regiões do
bioma, como a oeste e próximo ao planalto (setores leste, nordeste e sudeste). Em relação à
2012 verifica-se que, com exceção do nordeste e sul do bioma, os índices de precipitação
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foram abaixo da média para a estação úmida, enquanto que para a estação seca a precipitação
foi acima da média para praticamente toda a região, com índices superiores a 80 mm na região
sul e nordeste do bioma.
Estação úmida
Estação seca
Figura 4. Mapas de precipitação para as estações úmida e seca. Média anual de 1998 a 2012
para as estações úmidas (a) e seca (b); médias de 2011 para as estações úmidas (c) e seca (d);
e médias de 2012 para as estações úmidas (e) e seca (f).
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A Figura 5 exibe os valores das áreas alagadas no bioma Pantanal para os anos
hidrológicos (outubro a setembro do ano posterior) de 2000 a 2012 e os valores das
precipitações acumuladas nestes anos hidrológicos, bem como aqueles referentes às estações
úmidas e secas deste período. Verifica-se que há certa periodicidade no pulso de inundação do
Pantanal e que a precipitação incidente na estação úmida explica 53% deste pulso, uma vez
que a correlação entre a precipitação acumulada na estação chuvosa e a área alagada no
período de 2000 a 2012 apresentaram uma correlação de 0,73, enquanto que a correlação com
a precipitação total acumulada no ano hidrológico foi de 0,69. Os anos que apresentaram as
maiores áreas alagadas foram 2000 e 2011, com extensões de aproximadamente 42% da área
do Pantanal, enquanto que 2012 foi o ano com maior redução de área alagada,
aproximadamente 81% ou 47.098 km2 em relação ao ano anterior, ou seja representa 7,9% da
área deste bioma. A segunda maior redução da área alagada ocorreu em 2009, inundando
15,6% da área do Pantanal. Considerando que a área média alagada no período de 2000 a
2011 foi de 44.272 km2, verifica-se que, comparativamente a este período, 2012 apresentou
uma redução de 75,2% da área média alagada do Pantanal.
Figura 5. Área alagada anualmente para o período de 2000 a setembro de 2012 e médias
anuais das precipitações acumuladas de 1999 a agosto de 2012 para cada ano hidrológico e
para cada estação seca e úmida.
As espacializações anuais das áreas alagadas do Pantanal para os anos de 2000 a setembro
de 2012 são apresentadas na Figura 6. Nota-se o pulso de inundação interanual do Pantanal,
sendo evidente a forte estiagem ocorrida no ano de 2012, onde boa parte da área alagada são
regiões de inundação permanente do bioma. Também se observa a grande inundação ocorrida
nos anos de 2000 e 2011 em toda a planície pantaneira, porém elas apresentaram padrões
distintos, uma vez que em 2011 extensas áreas inundadas ocorreram ao sul do leque do
Taquari e do Pantanal, enquanto que em 2000 extensas áreas alagadas ocorreram na região
norte do leque do Taquari. O atraso ou a diminuição do índice de precipitação após a estação
seca é uma parte essencial da explicação da inundação no ano subsequente, podendo
contribuir como um sinal de alerta para a previsão de secas ou cheias severas no bioma.
A análise da Figura 7 permite avaliar a defasagem das inundações decorrentes das cheias
do rio Paraguai, uma vez que este rio costeia a parte oeste do Pantanal brasileiro. As áreas ao
sul do Pantanal foram fortemente alagadas na estação seca de 2011 e, uma vez que a
precipitação na estação seca de 2011 foi inferior ao volume de água precipitada em 2012,
como mostra a Figura 4 e 5, e que em 2012 esta região apresentou poucas áreas alagadas,
constata-se que a forte cheia na região sul do Pantanal em 2011 é decorrente do volume de
águas provenientes da região norte deste rio e dos seus afluentes, principalmente os Rios
Miranda, Aquidauana e Negro. Através da Figura 7 também se concluí que em 2012 as áreas
alagadas ao Sul do bioma na estação úmida devem ser resquícios de áreas alagadas existentes
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na estação seca de 2011, visto que as chuvas nesta região foram inferiores ao valor médio da
estação úmida. Em geral, as áreas alagadas em 2012 são aquelas permanentemente alagadas.
Figura 6. Mapas anuais de áreas alagadas para Pantanal de 2000 a setembro de 2012.
Figura 7. Mapas das áreas alagadas para Pantanal de 2011 e de 2012 para as estações úmidas
e secas.
4. Conclusão
O movimento das águas forma a cada ciclo hidrológico paisagens diferentes, obrigando o
Pantaneiro a se adaptar as diversidades surgidas a cada ano, visto que grande parte da
sociedade da região vive da agropecuária e do turismo.
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O uso de imagens de satélites permite monitorar o regime de precipitação e o pulso de
inundação do bioma Pantanal. Além disto, a espacialização dos índices de precipitação
obtidas através do TRMM possibilita a identificação de áreas que poderiam sofrer maiores
impactos devido ao stress provocado pelas chuvas, visto que 80,7% da precipitação anual
incidente no Bioma Pantanal ocorrem na estação úmida, o que representa 1004 mm.
Constatou-se que nos últimos 15 anos, os anos de 2011 e 2012 foram os que apresentaram as
maiores variações na intensidade da precipitação, com aumento de 18,5% (185 mm) e redução
de 18% (182 mm) na precipitação durante a estação úmida, respectivamente. Estes índices se
refletiram no pulso de inundação, visto que os mesmos apresentaram as maiores e menores
extensões de áreas alagadas, as quais representaram um aumento 31,2% e uma redução de
75,2% em relação à área média alagada no período de 2000 a 2011. Cabe ressaltar que o ano
2000 apresentou o valor de área alagada equivalente ao observado em 2011. Verificou-se que
o comportamento pluviométrico no bioma Pantanal não foi proporcional à quantidade de área
alagada, pois a precipitação incidente na estação úmida explica somente 53% deste pulso,
portanto a precipitação incidente no bioma não explica totalmente a expansão ou redução da
área inundada, a qual deve ser afetada pelas flutuações dos lençóis freáticos do Pantanal, bem
como pela precipitação incidente no Planalto da Bacia do Alto Paraguai, região de origem dos
principais rios do Pantanal.
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