4 - Precipitação

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CAPÍTULO 4
PRECIPITAÇÃO
Prof°: Sergio Luiz Belló
Universidade Federal do Rio Grande
Escola de Engenharia - 2011
Precipitação: é água da atmosfera, que atinge a superfície da terra,
na forma de chuva, granizo, neve, neblina ou geada.
No Brasil a chuva é a forma mais importante de precipitação,
embora grandes prejuízos possam advir da ocorrência de precipitação
na forma de granizo e em alguns locais possa eventualmente nevar.
A chuva é a principal causa dos processos hidrológicos, e sua
quantificação é um dos desafios que o hidrólogo ou o engenheiro
enfrentam.
A precipitação é a única forma de entrada de água em uma
bacia hidrográfica. Assim sendo, ela fornece subsídios para a
quantificação do abastecimento de água, irrigação, controle de
inundações, erosão do solo,etc., e é fundamental para o adequado
dimensionamento de obras hidráulicas, entre outros.
 Formação da precipitação
Para que ocorra uma
precipitação, a condição básica é a
presença de vapor de água na
atmosfera. A quantidade de
vapor que o ar pode conter é
limitada.
A quantidade máxima de
vapor que pode ser contida no ar
sem condensar é a concentração
de saturação
(o ar a 20º C pode conter uma
quantidade máxima de vapor de,
aproximadamente, 20 gramas por
metro cúbico – quantidades de
vapor superiores a este limite
acabam condensando).
Uma característica muito
importante da concentração de
saturação é que ela aumenta com o
aumento da temperatura do ar.
Assim, o ar mais quente pode
conter mais vapor do que ar frio.
PRECIPITAÇÃO
A massa de ar quente e úmida, mais leve, eleva-se e atinge
camadas mais frias da atmosfera. Ao se resfriar, pode chegar ao
ponto de saturação, transformando o vapor de água em pequenas
gotículas líquidas espalhadas no ar livre em forma de aerosol,
constituindo nuvens. A formação das nuvens está ligada ao aumento
do volume das gotículas, que flutuam graças às turbulências
atmosféricas.
As gotas das nuvens crescem, atingindo (entre 0,5 e 2 mm)e
peso suficiente para vencer as correntes de ar que as sustentam.
Nestas condições, a água das nuvens se precipita para a superfície
da Terra, na forma de chuva.
Precipitação: é água da atmosfera, que atinge a superfície da terra,
na forma de chuva, granizo, neve, orvalho, neblina ou geada.
TIPOS DE PRECIPITAÇÕES
De acordo com as características de localização, intensidade e
abrangência, o ar úmido eleva-se sob diferentes condições, e dá
origem a três tipos básicos de precipitação:
a) CONVECTIVAS;
b) OROGRÁFICAS;
c) FRONTAIS.
 Convectiva:
Ocorre quando o ar úmido é aquecido próximo ao solo.
Este ar, menos denso eleva-se em forma de célula de
convecção, esfriando-se adiabaticamente até atingir o nível de
condensação.
Originam chuvas muito intensas, de curta duração e abrangem
áreas reduzidas.
São mais características de regiões equatoriais, com ventos fracos.
 Orográfica:
Ocorre quando os ventos carregados de umidade, soprando
normalmente do oceano para o continente, encontram uma barreira
montanhosa (por exemplo, a serra do Mar), as massas de ar
úmido elevam-se para transpor o obstáculo, resultando num
resfriamento que pode alimentar a formação de nuvens e
desencadear precipitações.
 Ciclônicas ou Frontais:
Provêm do “choque” de uma
massa de ar quente (em geral
úmida) e uma fria (em geral seca)
O ar mais quente e úmido é
impulsionado para cima (mais
leve), resultando no seu
resfriamento e na condensação do
vapor de água, de forma a
produzir chuvas (frontais).
São chuvas geralmente
importantes, de grande duração,
atingindo grandes áreas com
intensidade média.
 Aquisição de dados de precipitação
No Brasil a precipitação é convencionalmente medida por meio de
aparelhos chamados de pluviômetros ou pluviógrafos. Existe ainda a
possibilidade de se medir a precipitação por meio de radar (radares
meteorológicos) ou imagens de satélite, mas os erros associados a esses
métodos ainda são relativamente grandes. No entanto, pelo fato de
apresentarem medidas em um contínuo espacial são excelentes ferramentas,
que permitem a análise da distribuição espacial da chuva, ao contrário dos
pluviômetros e pluviógrafos, que têm medição de caráter pontual.
 Pluviômetros
O pluviômetro é um aparelho
dotado de uma superfície de captação
horizontal, delimitada por um anel metálico
e de um reservatório para acumular a água
recolhida, ligado a essa área de captação.
É um aparelho que fornece o total de água
acumulado durante um intervalo de tempo.
Nos pluviômetros da rede de observação mantida pela Agência
Nacional da Água (ANA) a medição da chuva é realizada uma vez
por dia, sempre às 7:00 da manhã, por um observador que anota o
valor lido em uma caderneta.
Durante o processo de monitoramento e operação do
instrumento podem ocorrer alguns erros que devem ser
minimizados:
 perdas por evaporação da água contida no coletor;
 contagem incorreta do número de provetas resultantes, no caso de
chuvas importantes;
 água derramada durante a transferência do coletor para a proveta;
 graduação da proveta não correspondente à área da boca do
pluviômetro;
 leitura defeituosa da escala da proveta;
 anotação incorreta na caderneta do observador.
A ANA tem uma rede de 2473 estações pluviométricas
distribuídos em todo o Brasil.
Além da ANA existem outras instituições e empresas que
mantém pluviômetros, como o Instituto Nacional de Meteorologia
(INMET), empresas de geração de energia hidrelétrica e empresas
de pesquisa agropecuária. No banco de dados da ANA
(www.hidroweb.ana.gov.br) estão cadastradas 14189 estações
pluviométricas de diversas entidades, mas apenas 8760 estão em
atividade atualmente.
 Pluviógrafos
Quando é necessária informação mais detalhada da precipitação,
como sua distribuição temporal ou a variação das intensidades,
usa-se o pluviógrafo.
Esse tipo de instrumento permite um monitoramento contínuo,
sendo que originalmente eram mecânicos, utilizavam uma balança
para quantificar a água e um papel para registrar o total precipitado.
Os pluviógrafos antigos com registro em papel foram
substituídos, nos últimos anos, por pluviógrafos eletrônicos com
memória (data-logger).
 Radar
A chuva também pode ser estimada utilizando radares
meteorológicos. A medição de chuva por radar está baseada na
emissão de pulsos de radiação eletromagnética que são
refletidos pelas partículas de chuva na atmosfera, e na medição
da intensidade do sinal refletido.
A principal vantagem do radar é a possibilidade de fazer
estimativas de taxas de precipitação em uma grande região no
entorno da antena emissora e receptora, embora existam erros
consideráveis quando as estimativas são comparadas com dados
de pluviógrafos.
 Satélite
Também é possível fazer estimativas da precipitação a partir
de imagens obtidas por sensores instalados em satélites. A
temperatura do topo das nuvens, que pode ser estimada a partir
de satélites, tem uma boa correlação com a precipitação (quanto
mais quente a nuvem, mais água ela contém).
Interesse para engenharia; características gerais da precipitação
Do ponto de vista da engenharia, são necessários três
parâmetros para definir completamente uma precipitação: sua
altura pluviométrica, sua duração e sua frequência de
ocorrência ou probabilidade.
Altura Pluviométrica (P): corresponde à espessura média da
lâmina da água precipitada, que recobriria a região atingida pela
precipitação, admitindo-se que esta água não se infiltrasse, não
evaporasse nem escoasse para fora dos limites da bacia.
A unidade de medição é o mm de chuva, definido como a
quantidade de precipitação correspondente a um volume de 1 litro
por metro quadradode superfície. A altura pluviométrica total
multiplicada pela área da bacia fornece o volume médio.
A quantidade total de chuva (lâmina de água), dividida pela
duração, indica a intensidade média dessa precipitação.
Duração: é o tempo transcorrido entre o início e o fim da chuva,
expresso em horas ou minutos.
Frequência de ocorrência: é a quantidade de ocorrências de
eventos iguais ou superiores ao evento de chuva considerado.
Chuvas muito intensas tem frequência baixa, isto é, ocorrem
raramente.
Chuvas pouco intensas são mais comuns.
PERÍODO DE RETORNO
É o tempo que uma precipitação leva para ser igualada ou
suplantada.
O tempo de retorno pode, também, ser definido como o inverso
da probabilidade de ocorrência de um determinado evento em um ano
qualquer.
Por exemplo, se a chuva de 130 mm em um dia é igualada ou
superada apenas 1 vez a cada 10 anos diz-se que seu Tempo de
Retorno é de 10 anos, e que a probabilidade de acontecer um dia com
chuva igual ou superior a 130 mm em um ano qualquer é de 10%, ou
seja
 Variação Espacial da Precipitação
Uma das características da precipitação é sua extrema
variabilidade espacial, existindo gradientes pluviométricos tanto
horizontais como verticais.
Os dados de chuva dos pluviômetros e pluviógrafos referem-se
a medições executadas em áreas muito restritas (400 cm²), quase
pontuais, não conseguindo, portanto, representar a variabilidade
espacial da precipitação. Assim, durante um evento de chuva um
pluviômetro pode ter registrado 60 mm de chuva enquanto um outro
pluviômetro, a 30 km de distância registrou apenas 40 mm para o
mesmo evento.
Variação Sazonal da Precipitação
Um dos aspectos mais importantes do clima e da hidrologia de
uma região é a época de ocorrência das chuvas. Existem regiões
com grande variabilidade sazonal da chuva, com estações do
ano muito secas ou muito úmidas. Na maior parte do Brasil o verão
é o período das maiores chuvas.
 Variabilidade da Precipitação com a Altitude
As observações indicam que, em geral, o volume de chuva
precipitado aumenta com a altitude até atingir um máximo, a partir
do qual decresce.
 Variabilidade da Precipitação com a Área
A chuva não é homogênea numa dada extensão de terreno,
mas se apresenta na forma de células mais intensas que se
movimentam de acordo com os ventos.
Análise e Tratamento dos dados de 
Chuva
O objetivo de um posto de medição de chuvas é o de
obter uma série ininterrupta de precipitações ao longo dos
anos (ou o estudo da variação das intensidades de chuva ao
longo das tormentas). Em qualquer caso pode ocorrer a
existência de períodos sem informações ou com falhas nas
observações, devido a problemas com os aparelhos de registro
e/ou com o operador do posto.
Identificação de erros grosseiros
As causas mais comuns de erros grosseiros nas observações são:
a) preenchimento errado do valor na caderneta de campo;
b) soma errada do número de provetas, quando a precipitação é alta;
c) valor estimado pelo observador, por não se encontrar no local no dia da
amostragem;
d) crescimento de vegetação ou outra obstrução próxima ao posto de observação;
e) danificação do aparelho;
f) problemas mecânicos no registrador gráfico.
Cálculo da precipitação média de uma área
 Precipitação Média em uma Área
Os dados de chuva dos pluviômetros e pluviógrafos referem-se
a uma área de coleta de 400 cm², ou seja, quase pontual. Porém, o
maior interesse na hidrologia é por chuvas médias que atingem uma
região, como a bacia hidrográfica.
A precipitação média é considerada como uma lâmina de água,
de altura uniforme sobre toda a área considerada, dentro de um
certo período de tempo (horas, dias, meses, anos).
O cálculo da chuva média em uma bacia pode ser realizado
utilizando o método da média aritmética; das Isoietas; dos
polígonos de Thiessen ou através de interpolação em Sistemas de
Informação Geográfica (SIGs).
Cálculo da precipitação média de uma área
1) Método da média aritmética
É a forma mais simples de estimar a precipitação média em
uma bacia hidrográfica. Como o próprio nome do método sugere, a
precipitação média é calculada como a média aritmética dos valores
médios de precipitação. Ao fazer esse processo, todos os postos
pluviométricos têm a mesma importância.
Cálculo da precipitação média de uma área
2) Método dos Polígonos de Thiessen
O método dos polígonos de Thiessen, também conhecido
como método do vizinho mais próximo, é um dos mais utilizados.
Nesse método é definida a área de influência de cada posto
pluviométrico dentro da bacia hidrográfica.
Cálculo da precipitação média de uma área
2) Método dos Polígonos de Thiessen
Cálculo da precipitação média de uma área
2) Método dos Polígonos de Thiessen
Cálculo da precipitação média de uma área
3) Método das Isoietas; são linhas que unem pontos de igual 
precipitação.
Cálculo da precipitação média de uma área
3) Método das Isoietas; proceder o traçado das linhas.
Séries Mensais e Anuais de Precipitação
A previsão da precipitação é normalmente realizada em
função de registros antigos de eventos, associando a frequência
de ocorrência de uma precipitação.
Em hidrologia frequentemente são utilizadas séries de
precipitação mensal e/ou anuais.
 As séries poderão apresentar falhas, que
devem ser preenchidas por alguns dos
métodos indicados a seguir.
Preenchimento de falhas
1) Método de ponderação regional
É um método simplificado, de fácil aplicação, e
normalmente utilizado para o preenchimento de séries mensais
ou anuais de precipitações.
2) Método da regressão linear
Um método mais aprimorado de preenchimento de falhas consiste em
utilizar regressão linear simples ou múltipla.
Para o ajuste da regressão linear simples, correlaciona-se o posto com
falhas (Y) com outro vizinho (X).
A correlação produz uma equação analítica, cujos parâmetros podem
ser estimados por métodos como o de mínimos quadrados, ou
graficamente através da plotagem cartesiana dos pares de valores (X, Y),
traçando-se a reta de maior aderência que passa pelos pontos médios de X e
Y.
 Exemplo:
Análise de consistência das séries
pluviométricas
Um dos métodos mais conhecidos para a análise de consistência dos
dados de precipitação é o Método da Dupla Massa, desenvolvido pelo
Geological Survey (USA). A principal finalidade da aplicação do método
é identificar se ocorreram mudanças no comportamento da precipitação
ao longo do tempo, ou mesmo no local de observação.
O Método da Dupla Massa é baseado no princípio que o gráfico de
uma quantidade acumulada, plotada contra outra quantidade acumulada,
durante o mesmo período, deve ser uma linha reta, sempre que as
quantidades sejam proporcionais.
Devem ser selecionados os postos de uma região, acumular para cada
um deles os valores mensais (se for o caso), e plotar num gráfico
cartesiano os valores acumulados correspondentes ao posto a consistir
(nas ordenadas) e de um outro posto confiável adotado como base de
comparação (nas abscissas).
Pode-se também modificar o método, considerando valores médios
das precipitações mensais acumuladas em vários postos da região, e plotar
esses valores no eixo das abscissas.
 Mudança na declividade da reta
Esse tipo de inconsistência pode ser oriundo de causas como:
alterações de condições climáticas ou condições físicas do local, mudança
de observador, ou ainda devido a erros sistemáticos.
Para se considerar a existência de mudança na declividade, é prática
comum exigir a ocorrência de pelo menos cinco pontos sucessivos
alinhados segundo a nova tendência.
Para corrigir os valores correspondentesao posto sob análise, existem
duas possibilidades: corrigir os valores mais antigos para a situação atual
ou corrigir os valores mais recentes para a condição antiga.
A escolha da alternativa de correção depende das causas que
provocaram a mudança da declividade. Por exemplo, se foram detectados
erros no período mais recente, a correção deverá ser realizada no sentido
de preservar a tendência antiga.
 Exemplo:
 Pacum=é o valor da ordenada corresponde à interseção das duas tendências.
 Ma =coeficiente angular da tendência desejada.
 Mo=coeficiente angular da tendência a corrigir.
 Po= valor acumulado a ser corrigido.
 Pa=valor acumulado da tendência desejada.
 ΔP=(Po –Pa)
 Distribuição errática dos pontos
Esse tipo de inconsistência ocorre normalmente quando são
comparados postos com diferentes regimes pluviométricos. Nesse caso é
necessário refazer a análise, buscando outros postos.
 Alinhamento dos pontos em retas paralelas 
Esse tipo de inconsistência ocorre quando existem erros na
transcrição de um ou mais dados de precipitação, ou ainda pela ocorrência
de eventos extremos de chuva dentro de um ano.
Quando essa situação for identificada, pode-se estar fazendo a
comparação de postos com diferentes regimes pluviométricos, portanto,
sendo que nesse caso é necessário refazer a análise, buscando outros postos.
Análise de Séries Mensais e Anuais de Precipitação
A precipitação é um processo aleatório, condicionando sua previsão a
poucos dias de antecedência. Dada essa dificuldade, a previsão da
precipitação é normalmente realizada em função de registros antigos de
eventos, associando a frequência de ocorrência de uma precipitação.
Em hidrologia frequentemente são utilizadas séries de precipitação
mensal e/ou anuais.
Na região de Porto Alegre, por exemplo, chove aproximadamente
1300 mm por ano, em média. Em muitas regiões da Amazônia chove
mais do que 2000 mm por ano, enquanto na região do Semi-Árido do
Nordeste há áreas com menos de 600 mm de chuva por ano.
Como normalmente estamos interessados em saber o que acontecerá no
futuro em termos de precipitação (situações de projeto), um tratamento
estatístico deve ser dado ao registro de precipitação, de forma a permitir a
estimativa da precipitação em outro cenário.
Isto deve ser entendido como: embora não seja possível prever as
chuvas máximas que ocorrerão no futuro, pode-se afirmar que as
frequências de ocorrência observadas no passado serão válidas para
descrever as probabilidades de ocorrência no futuro.
Observa-se no histograma da Figura que a distribuição de frequência
segue aproximadamente a Distribuição de Gauss (distribuição Normal). A
partir dessa observação, verifica-se que um ajuste de distribuição de
probabilidade Normal pode ser utilizado para representar a ocorrência de um
evento que ainda não foi observado.
O ajuste de uma distribuição Normal aos dados permite que seja feita a
extrapolação do ajuste, para valores de precipitação que ainda não foram
registrados.
Para os valores observados, normalmente são utilizadas equações
empíricas de posição de plotagem dos dados de precipitação. Uma das
equações empíricas mais utilizadas para o tratamento de dados de
precipitação anual e mensal é a equação de Weibull
Onde;
P= Probabilidade de excedência de um evento;
i = número de ordem do valor da chuva numa série ordenada;
n= tamanho da amostra
O tempo de retorno (TR=1/P)
CHUVAS INTENSAS
As precipitações intensas são as principais causas de cheias e
prejuízos, por isso merecem destaque especial em hidrologia.
Normalmente o transbordamento de rios, problemas de drenagem,
alagamento de ruas, inundação de residências, escolas, entre outros é um
processo decorrente de uma chuva intensa.
Para a análise de um chuva intensa, deve ser considerado:
Intensidade – Duração – Freqüência.
Esse processo é possível através da utilização das chamadas curvas IDF.
A curva IDF é obtida a partir da análise estatística de séries longas
de dados de um pluviógrafo (mais de 15 anos, pelo menos).
A metodologia de desenvolvimento da curva IDF baseia-se na seleção
das maiores chuvas de uma duração escolhida (por exemplo 15 minutos) em
cada ano da série de dados. Com base nesta série de tamanho N (número
de anos) é ajustada uma distribuição de frequências que melhor represente a
distribuição dos valores observados.
Evidentemente as curvas IDF são diferentes em diferentes locais.
Assim, a curva IDF de Porto Alegre vale para a região próxima a esta
cidade. Infelizmente não existem séries de dados de pluviógrafos longas
em todas as cidades, assim, muitas vezes, é necessário considerar que a
curva IDF de um local é válida para uma grande região do entorno.
De maneira geral as equações IDF são expressas através de uma 
expressão com a seguinte forma:
onde: a, b, c e d são parâmetros característicos da IDF de cada local;
TR é o tempo de retorno em anos; t é a duração da precipitação em
minutos.
a=509,86; b=0,196; c=10; d=0,72
O tempo de retorno a ser utilizado é um critério relacionado com o
tipo de obra de engenharia.
Por exemplo, no projeto de um sistema de drenagem pluvial urbano as
bocas-de-lobo são em geral dimensionadas para chuvas de 3 a 5 anos de
período de retorno, enquanto que o vertedor de uma barragem como Itaipú é
dimensionado para uma vazão de 10.000 anos de período de retorno.
•Uma equação IDF pode ser utilizada para obter a precipitação
discretizada temporalmente. Por exemplo, deseja-se obter a
precipitação com 20 minutos de duração e 2 anos de tempo de retorno da
cidade de Porto Alegre, utilizando uma discretização temporal de 5
minutos.
A obtenção da precipitação a partir de uma equação IDF não apresenta
distribuição temporal. Assim, antes do uso da informação de
precipitação é importante fazer a distribuição temporal da chuva, de tal
forma que a mesma tente representar o comportamento da chuva da região.
Existem alguns procedimentos para fazer a redistribuição temporal da
chuva gerada a partir de uma IDF.
O método mais usado é o Método dos Blocos Alternados. Método
dos Blocos Alternados consiste em re-organizar a precipitação da seguinte
forma: o maior volume de chuva é colocado na metade (50%) da duração
total da chuva e os demais volumes de chuva são dispostos em ordem
alternada, um abaixo desse valor, outro acima, e assim até o final do
processo.