Chuvas e Precipitações: Tipos e Medição

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Universidade de São Paulo
Escola Politécnica
Departamento de Engenharia Hidráulica e Ambiental
Laboratório de Sistemas de Suporte a Decisões
Recursos Hídricos e Meio Ambiente 
Aula 5
Precipitações
Tipos, medição, interpretação, chuva média
Prof. Dr. Arisvaldo Vieira Méllo Júnior
Prof. Dr. Joaquin I. Bonnecarrere Garcia
Doutorando João Rafael B. Tercini
PHA 3307 – Hidrologia Aplicada
Objetivos da Aula
1. Conhecer o processo físico de formação das chuvas e seus tipos
2. Saber como se medem as chuvas
3. Conhecer as representações gráficas do totais precipitados (pluviogramas
e hietogramas).
4. Conhecer a sazonalidade das chuvas
5. Conhecer as variabilidades das chuvas no mundo, no Brasil e em São Paulo
6. Saber traçar os polígonos de Thiessen
2
Hietograma
Bacia Saída da 
Bacia
HidrogramaV
a
z
ã
o
 (
m
3
/s
)
Tempo (h)
Precipitação
▪ Dado importante para planejamento de longo prazo, pois sofre menos 
influências diretas de alterações antrópicas provocadas no meio
Importante:
▪ Escoamento superficial direto
▪ Infiltração
▪ Evaporação
▪ Transpiração
▪ Recarga de aquífero
▪ Vazão mínima
3
6,5oC para cada 1000 m
- Grande aumento da ToC em razão do 
recebimento de radiação e devido ao ar ser 
rarefeito
- Sujeita à atividade solar
Temperatura x Altitude
Acima de 60 km (Ionosfera): camada 
intensamente eletrificada, importante para 
transmissão de ondas de rádio
Camada de O3 absorve radiação ultravioleta 
e causa aquecimento na camada acima
4
Formação das nuvens 5 Transferência de calor na atmosfera
▪ Convecção: processo de 
condução de calor numa 
massa de ar
▪ Advecção: transferência de 
vapor de superfície de água 
líquida para a atmosfera 
causado pelo vento 
▪ Radiação 
6
Formação das nuvens (causas da ascenção de ar úmido)
Convecção
Convergência Ascensão por Frentes
Topografia
7 Processos de precipitação
Tamanho relativo da gota de chuva, gota de nuvem e núcleo 
de condensação.
Colisão-coalescência
Cristal de gelo
1m = 1 micrômetro = 10-6 m
8
Chuva
Granizo
Neve
Tipos de Precipitação 9 Formação das gotas de chuva nas nuvens
▪ Processos de Crescimento das Gotas de 
Chuva nas Nuvens
❑ Coalescência
❑ Atração Iônica
❑ Agrupamentos por choques entre partículas
Gotas de chuva na nuvem, 
eletricamente carregadas 
Estima-se que 1,5.1023
elétrons se desloquem das 
nuvens em direção ao solo em 
0,8 s.
Qual o valor da corrente elétrica de uma descarga elétrica durante 
uma tempestade?
𝑖 =
𝑄
∆𝑡
i - corrente elétrica (Ampère); Q – carga elétrica 
(Coulomb); t – tempo (s)
𝑄 = 𝑛 ∙ 𝑒
n – número de elétrons; e – constante de Coulomb 
(1,6.10-19 C)
𝑄 = 1,5 ∙ 1023 ∙ 1,6 ∙ 10−19 = 2,4 ∙ 104 C
𝑖 =
2,4 ∙ 104
0,8
= 3 ∙ 104 A = 30 kA
10
Frente Quente Frente Fria
Ar Quente
Ar Quente
Ar Frio
Ar Quente
Ar Frio
Chuvas ciclônicas (ou de Frente) 11
Precipitação 
suave de longa 
duração
Precipitação 
intensa de 
curta 
duração
Grandes áreas de abrangência
Chuvas Convectivas (ou de Verão)
▪ Grandes 
intensidades
▪ Curtas durações
▪ Pequena 
abrangência 
espacial
▪ Grande impacto em 
drenagem urbana
12
Chuvas Orográficas
▪ Influência da topografia
▪ Intensidades variáveis
▪ Impactos em pequenas 
bacias em serras
13 Estação pluviográfica - Pluviômetros 14
Pluviômetro – medição da chuva 15 Pluviógrafo 16
Pluviógrafo de Cuba Basculante
volume = 
0,25 mm
17
De Bóia – Tipo Hellman
Pluviógrafo de Bóia 18
Fonte: 
https://www.polisat.com.br/estacoe
s-hidrologicas/
19
Fonte: SABESP
Pluviógrafo de Cuba Basculante
Báscula
20
Estação de controle
Estação 
Remota de 
Telemetria
21 Papel para Pluviograma 22
23
Pluviograma
Duração: 11 h
Lâmina: 35 mm
Intensidade média: 3,2 mm/h
Duração: 5 h
Lâmina: 11,4 mm
Intensidade média: 2,28 mm/h
24
h
 (
m
m
)
Tempo (minuto)
t
h
i


=Intensidade =
tg a =i
Pluviograma (intensidade de chuva)
25
Hietograma
2.52.83.03.84.14.3
6.97.6
27.4
29.0
7.67.6
6.16.1
4.63.83.83.03.03.03.03.03.03.0
0
5
10
15
20
25
30
35
15 45 75 10
5
13
5
16
5
19
5
22
5
25
5
28
5
31
5
34
5
Tempo (min)
P
re
c
ip
 (
m
m
)
Hietograma
26
Hietograma
2.52.83.03.84.14.3
6.97.6
27.4
29.0
7.67.6
6.16.1
4.63.83.83.03.03.03.03.03.03.0
0
5
10
15
20
25
30
35
15 45 75 10
5
13
5
16
5
19
5
22
5
25
5
28
5
31
5
34
5
Tempo (min)
P
re
c
ip
 (
m
m
)
Hietograma
27
Hietograma Acumulado
2.5 5.3 8.4
12.2
16.3
20.6
27.4
35.1
62.5
91.4
99.1
106.7
112.8
118.9
123.4127.3
131.1134.1137.2140.2143.3146.3149.4152.4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
15 45 75 10
5
13
5
16
5
19
5
22
5
25
5
28
5
31
5
34
5
Tempo (min)
P
re
c
ip
 (
m
m
)
Hietograma acumulado
28
Hietograma Acumulado Adimensional
1.7 3.5 5.5
8.0
10.7
13.5
18.0
23.0
41.0
60.0
65.0
70.0
74.0
78.0
81.0
83.5
86.088.090.092.094.096.098.0100.0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
4.
2
12
.5
20
.8
29
.2
37
.5
45
.8
54
.2
62
.5
70
.8
79
.2
87
.5
95
.8
Tempo (%Duração)
P
re
c
ip
 (
%
T
o
ta
l)
Hietograma acumulado adimensional 29 Consistência dos dados - Diagrama Duplo-Acumulativo
0 1000 2000 3000 4000
4000
3000
2000
1000
0
Acumulados Médios da Região
A
c
u
m
u
la
d
o
s
 d
o
 P
o
s
to
 B
a
s
e
a) Sem inconsistências
0 1000 2000 3000 4000
4000
3000
2000
1000
0
Acumulados Médios da Região
A
c
u
m
u
la
d
o
s
 d
o
 P
o
s
to
 B
a
s
e
b) Com mudança de tendência
30
Consistência dos dados 
(Diagrama Duplo-Acumulativo)
c) Com erros de transcrição
0 1000 2000 3000 4000
4000
3000
2000
1000
0
Acumulados Médios da Região
A
c
u
m
u
la
d
o
s
 d
o
 P
o
s
to
 B
a
s
e
0 1000 2000 3000 4000
4000
3000
2000
1000
0
Acumulados Médios da Região
A
c
u
m
u
la
d
o
s
 d
o
 P
o
s
to
 B
a
s
e
d) Diferentes regimes de chuva
31 Diagrama Duplo-Acumulativo 32
Sazonalidade das Precipitações
▪ Climas quentes da zona intertropical
❑ Regime Equatorial: chuvas durante todo o ano, sem estações secas definidas
❑ Regime Sub-equatorial: dois períodos secos, um no inverno e outro no verão
❑ Regime Tropical: um período nítido de chuvas no verão
▪ Climas temperados da zona subtropical
❑ Dominados pelas evoluções das massas de ar
❑ Chuvas distribuídas no ano
▪ Climas de Monções (Oceano Índico e continentes adjacentes; Amazônia)
❑ Dominados pelas correntes eólicas provenientes das diferenças de temperatura entre o 
oceano e o continente
❑ Regime de chuvas depende do relevo
33
0 
50 
100 
150 
200 
250 
P
 m
é
d
ia
 m
e
n
s
a
l 
(m
m
)
Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
Precipitações Médias Mensais
do Guarapiranga (1907-1996) (mm)Ano hidrológico
Período seco:
Meses do ano em que 
as precipitações
médias da série
histórica referentes à 
esses meses são
inferiores à 
precipitação média dos 
12 meses
34
Exercício
35
Chuva média
36
Distribuição Global de Precipitação
37
http://www.cprm.gov.br/publique
/media/Isoietas_Totais_Anuais_1
977_2006_2011.pdf
Distribuição das Chuvas Totais Anuais no Brasil
300mm
4300mm
38
Distribuição das Chuvas Totais Anuais no Estado de São Paulo 39 Variabilidade espacial da chuva
▪ Variação depende do tipo de chuva (convectiva ou ciclônica)
▪ Densidade de postos: existem recomendações gerais da OMM
▪ Casos específicos: a densidade deve ser maior (exemplo: rede telemétrica do Alto Tietê, 
para prevenção de danos por inundações)
▪ Curvas de variação da intensidade de uma chuva com a área
▪ Cálculo da chuva Média sobre uma bacia: polígonos de Thiessen e Isoietas
Região Estação por área (km2)
Planas de zonas temperadas, mediterrâneas e tropicais 600 - 900
Montanhosas de zonas temperadas, mediterrâneas e tropicais
Pequenas ilhas montanhosas com rede hidrográfica muito densa
100 - 250
Zonas áridas (exceto desertos) 1.500 – 10.000
Densidade mínima da rede de estações de monitoramento. Fonte: WMO, 1974
40
Variação da Chuva com a área (SCS, 1971)
𝑃𝐴
𝑃𝐶
= 1 −
𝐴 ∙ 𝐷𝑚𝑎 + 𝑏 ∙ 𝐴
PA – chuva média (mm) para a área 
A – área (km2)
PC – chuva no centro da área (mm)
D – duração da chuva no centro (h)
a, b, m - parâmetros
41
Problema Prático: 
Qual é o volume precipitado sobre uma bacia situada em uma região que possui diversos
postos que registram valores variados?
Previsão para hoje: chuvas 
acima da média
Cálculo da chuva média na bacia 42
Método de Thiessen 
(diagrama de Voronoi)
Precipitação média na bacia 43
Polígonos de Thiessen
A1
A2
A3
1 1 2 2 3 3
1 2 3
PA P A P A
Pm
A A A
+ +
=
+ +
Precipitação média na bacia 44
( )+− += iii ppp
2
1

=
=
n
i
ii pa
A
P
1
.
1
Precipitação média na bacia 45 Chuva média
Rede 
pluviométrica
Polígonos de 
Thiessen
Isoietas
ത𝑃 = 1,732 𝑐𝑚
ത𝑃 =
0,72 ∙ 20 + 1,54 ∙ 20,1 + 1,65 ∙ 20,1 + 2,3 ∙ 19,6 + 2,45 ∙ 20,2
100
= 1,731 𝑐𝑚
ത𝑃 =
2 ∙ 57,5 + 1 ∙ 42,5
100
= 1,575 𝑐𝑚
P(cm) A(km2)
2 57,5
1 42,5
100
P(cm) A(km2)
0,72 20,0
1,54 20,1
1,65 20,1
2,3 19,6
2,45 20,2
100
46
Área de estudo - Bacia do Rio Ipojuca - Pernambuco 47 Precipitações médias mensais na bacia do Rio Ipojuca, no período de 1963 a 2018 48
Fonte: APAC 
Posto P(mm) Nome
18 39,9 Pesqueira
20 49,7 Belo Jandim
24 47,1 Caruaru IPA
29 88,1 Ipojuca
65 52,9Vitoria de Sto Antao
76 62,3 Poção
102 86,1 Rio formoso
103 85,4 Cortes
104 60,3 Barra de Guabiraba
105 104,1 Amaraji
108 95,0 Primavera
109 75,9 Ribeirao
114 42,6Sanharo
117 61,0 Cha Grande
122 32,2 Sao Caetano
123 40,5 Sao Joaquin do Monte
129 87,0 Sao lourenço da Mata
201 105,3 Camaragipe
202 91,3 Jabotao dos Guararapes
211 45,7Caruaru
237 49,4 Tacaimbo
282 47,1 Camocim de São Felix
285 71,3 Joaquin Nabuco
301 96,7 Cabo
374 46,9Belo Jardim
376 65,2 Palmares
393 85,4 Gameleira
469 54,3 Bonito
735050 66,6 Engenho Sitio
835106 39,9 Caruaru ANA
835135 47,2 Cumaru
835136 45,1Gloria do Goita
835137 41,4 Pombos
835138 98,7 Pirapama
835140 87,0 Engenho MatoGrosso
835141 70,9 Palmares
836043 43,4 Sanharo ANA
836092 63,6 Brejo Madre de Deus
836093 63,1 Poção ANA
49
Polígonos de Thiessen
50
51 52
53 54Tabela de atributos com a área de cada polígono
55
Exportar tabela de atributos para Excel
56
P = 53,75 mm
Planilha exportada para Excel
Inverso da potência da distância - IDW 57 Inverso da potência da distância - IDW 58
𝑃 𝑥 =
σ𝑤𝑖𝑃𝑖
σ𝑤𝑖
=
34
12
+
33
22
+
27
2,52
+
30
32
+
22
42
1
12
+
1
22
+
1
2,52
+
1
32
+
1
42
= 32,38 mm
𝑃 𝑥 =
σ𝑤𝑖𝑃𝑖
σ𝑤𝑖
=
34
11
+
33
21
+
27
2,51
+
30
31
+
22
41
1
11
+
1
21
+
1
2,51
+
1
31
+
1
41
= 30,93 mm
K = 2
K = 1
𝑃𝑖 =
σ𝑗=1
𝑛 𝑤𝑖𝑗 ∙ 𝑃𝑖𝑗
σ𝑗=1
𝑛 𝑤𝑖𝑗
𝑤𝑖𝑗 =
1
𝑑𝑖𝑗
𝑘 𝑑𝑖𝑗 = 𝑥𝑖 − 𝑥𝑗
2
+ 𝑦𝑖 − 𝑦𝑗
2
Pi valor de um ponto i qualquer da grade;
Pij valor de uma amostra j vizinha do ponto i da grade;
wij fator de ponderação
k expoente da distância, geralmente igual a 1 ou 2
dij valor de distância da amostra j ao ponto i da grade
Efeito do expoente:
▪ K = 0: resultado análogo a médias móveis
▪ Baixos (0 - 2): destacam anomalias locais
▪ K = 2: inverso do quadrado da distância, o mais usado
▪ Altos: (3 - 5): suavizam anomalias locais
▪ K ≥ 10: estimativas poligonais (planas)
59 60
Linhas de contorno - Isoietas
Linhas de contorno - Isoietas 61 62
Precipitação média na bacia
▪Método de Thiessen
❑ Associa o valor do ponto mais próximo ao polígono
❑ Variação espacial discreta da chuva (um único valor para cada polígono)
❑ Mudanças bruscas entre polígonos adjacentes pode não refletir a realidade
❑ Método simples
❑ Resultado é único (independe do autor)
❑ Não considera a distribuição espacial de um evento
❑ Seu cálculo é facilmente automatizado
▪ Isoietas
❑ Variação espacial contínua da chuva
❑ Resultado não é único (depende do autor)
❑ Considera a distribuição espacial de um evento
❑ Seu cálculo pode ser parcialmente automatizado (SIG)
Escolha do Método depende do objetivo e da quantidade de postos
63 Exercício 64
65
SCS National Engineering Handbook. Hydrology. Washington, D.C. U.S. Department of Agriculture. Technical Release n. 55, 
1971.
WMO. World Meteorological Organization. Guide to hydrological practices. 3 Ed. WMO n. 168, Geneva, 1974.