Gráficos e análises de séries temporais de temperatura e umidade

Depois de montar um circuito contendo um sensor de umidade e temperatura com Raspberry Pi e um script para coleta automática dessas variáveis meteorológicas, chegou a hora de ver os resultados, plotando os valores em um gráfico, através de um script em python, e analisando os resultados.

Script para plotar séries temporais

O script desenvolvido está disponível no Github/viniroger – arquivo plots.py. Ele deve usar a biblioteca pandas para carregar o arquivo de dados salvo (data.csv) em uma dataframe, converter a coluna timestamp para o formato datetime (através da biblioteca de mesmo nome) e montar o gráfico usando a biblioteca matplotlib.

Com relação à montagem do gráfico, é feito um subplot com dois eixos: temperatura, em gaus Celsius (°C) no eixo 1 (esquerda, série temporal na cor vermelha) e umidade relativa do ar (em %) no eixo 2 (direita, série azul). As medidas estão representadas por pontos, ligados por linhas cheias. As datas e horas no eixo x são editadas através do método “mdates” para ficarem no format “dia/mês Hora:Minuto”. Uma grade principal e uma subgrade são incluídas para facilitar a leitura dos valores. Por fim, o gráfico é salvo em uma figura PNG.

Informações sobre os locais de instalação do sensor

O experimento foi realizado em São Paulo/SP entre os dias 8 e 13 de junho de 2020. Para esse mês, a média climatológica (1933-2017) da Estação Meteorológica da USP (próxima ao local) é de temperatura de 15.8°C, máxima de 22.1°C e mínima de 11.3°C. Quanto à umidade relativa do ar, a média climatológica é de 81,2%, com mínima de 23% ocorrida em 1972. (Fonte: Boletim 2017 da EM-IAG/USP)

Entre os dias 8 e 9, o sensor esteve em funcionamento na copa do andar térreo de um sobrado, a uma altura de aproximadamente 90 cm com relação ao solo. Já entre os dias 10 e 13, esteve instalado em uma edícula nos fundos do sobrado, com telhado, forro e portas de alumínio com janela basculante, à mesma altura com relação ao solo. O objetivo de medir temperatura e umidade nesses dois ambientes é a investigação do comportamento dessas variáveis em uma casa.

Na copa, por ser um ambiente mais confinado, com ventilação apenas através de portas para outros cômodos e de janelas basculantes, existe uma tendência de redução dos extremos de temperatura e umidade. Já na edícula, devido à maior exposição ao ar externo e menor atenuação do transporte de calor pela cobertura, a amplitude dos valores é maior.

Além da comparação dos valores nos dois ambientes da casa, foi feita uma verificação entre os valores obtidos com os sensores e usando instrumentos analógicos: um aparato com com dois termômetros, um de bulbo seco e outro de bulbo úmido (figura 1), e consulta à página da Estação Meteorológica do IAG-USP.

Figura 1 - Raspberry com sensor e termômetros de bulbo seco e de bulbo úmido (a partir da esquerda). Foto: ViniRoger
Figura 1 – Raspberry com sensor e termômetros de bulbo seco e de bulbo úmido (a partir da esquerda). Foto: ViniRoger

O termômetro de bulbo úmido esteve afastado por volta de 50 cm e umedecido constantemente por algodão embebido em água, sendo feitas leituras a cada 1 hora. Utilizando a equação que relaciona as temperaturas de bulbo seco e úmido (com conversor online disponível nesse site), foram obtidos os valores de umidade relativa.

Análises (copa) – comparação entre os valores do sensor com outros instrumentos

Figura 2 - Gráfico de temperatura e umidade relativa do ar em função do tempo (sensor na copa)
Figura 2 – Gráfico de temperatura e umidade relativa do ar em função do tempo (sensor na copa)

Analisando os dados entre o meio-dia de 8 de junho e o meio-dia de 9 de junho, durante o início da manhã, ocorre o mínimo de temperatura (20.9°C) e o máximo de umidade relativa do ar (81.3%), enquanto que durante o dia estão o máximo de temperatura (22.2°C) e o mínimo de umidade (72.7%).

HorárioTdTwURT_sUR_s
08:0020.919.184.520.682.9
09:0021.119.384.520.882.0
10:0021.619.985.621.080.7
11:0021.920.084.021.279.7
12:0021.919.983.221.375.0
13:0022.220.081.721.674.8
14:0022.420.181.021.874.3
15:0022.420.181.022.074.4
16:0022.320.181.822.073.8
17:0022.320.282.621.875.3
18:0022.420.181.021.975.2
19:0022.620.280.322.076.0
20:0022.220.283.321.878.7
21:0022.220.384.121.779.1
22:0022.020.083.321.678.9

Tabela com observações de termômetros de bulbo seco (Td) e úmido (Tw) observados, umidade relativa (UR) calculada, assim como os valores obtidos pelo sensor eletrônico de temperatura (T_s) e umidade (UR_s), do dia 08/06/2020

Observando-se a tabela, é possível verificar que as séries temporais de temperatura estão bem próximas, seguindo tendências de queda e de aumento. Os valores de umidade também seguem comportamentos próximos, porém com uma diferença sistemática por volta de 6 pontos percentuais. Métricas estatísticas de teoria de erros, um número maior de medidas e observações, além de uma melhor estruturação do aparato experimental, são necessários para uma análise comparativa mais apurada.

Com relação aos valores da Estação Meteorológica nesse dia, foram observados valores por volta de 95% de umidade e de 15°C no início da manhã e por volta de 50% de umidade e 25°C de temperatura no meio da tarde. Por conta do experimento ter ocorrido em um ambiente confinado nessa fase, é de se esperar que os valores até sigam os padrões de um ciclo diurno, mas com amplitude menor.

Análises (edícula) – verificação do ciclo diurno e outros comportamentos meteorológicos

No gráfico da figura 2, é possível observar no gráfico o ciclo diurno de temperatura e umidade, ainda na copa. Com o aquecimento diurno do solo promovido ela energia solar em superfície, a atmosfera recebe o calor e a temperatura do ar eleva ao longo do dia. Com uma maior capacidade de um volume de ar conter vapor d’água, a umidade relativa do ar diminui de modo inversamente proporcional ao aumento de temperatura.

Gráfico de temperatura e umidade relativa do ar em função do tempo (sensor na edícula)
Gráfico de temperatura e umidade relativa do ar em função do tempo (sensor na edícula)

O ciclo diurno é visto com maior intensidade no gráfico com o sensor na edícula (figura 3). Devido à maior exposição ao ar externo e menor atenuação do transporte de calor pela cobertura, já existe uma tendência de não-amortecimento dos extremos de temperatura e umidade. Essa tendência de amortecimento foi observada no gráfico dessas variáveis entre os dias 8 e 9 de junho, pois o sensor estava localizado em um ambiente mais confinado.

Além da nova localização do sensor, também deve-se levar em conta o quadro meteorológico desses dias. Devido a uma tempestade ocasionada pela passagem de uma frente fria no dia 7 de junho, os valores de umidade são maiores que os climatológicos para o local de estudo nos dias 8 e 9 (figura 2). A entrada de uma brisa marítima mais forte no período da tarde colaborou para que a umidade não caísse para valores menores ainda nesse período.

Após a passagem de uma frente fria no final de semana, a permanência de uma área de alta pressão inibiu a convecção e formação de nuvens. Assim, com o ambiente mais seco, existia uma tendência de maior amplitude térmica: mínima de 19.4°C e máxima de 26.4°C para o período (figura 3). A predominância do vento NW trazendo ar quente e seco do interior intensificou o cenário.

Um ponto que fica bem evidente nessa época do ano em que os dados foram coletados, além da amplitude térmica, é que existe uma baixa umidade relativa do ar no período da tarde, que atingiu um mínimo de 51.8% no período. No entanto, durante a noite, a umidade volta a crescer, com máximo de 81.9%. Por quê isso ocorre?

A umidade relativa é a razão entre a quantidade presente e a capacidade máxima de vapor d’água no ar, sendo dada como uma porcentagem. Ou seja, a umidade pode aumentar porque existem mais moléculas de vapor d’água no ar ou também se a temperatura diminui. Quanto menor a temperatura, mais próximas ficam as moléculas e mais perto fica de chegar no máximo da capacidade de vapor d’água nesse volume de ar.

Quando a umidade atinge 100%, é dito que o ar está saturado. O ideal de umidade do ar para o ser humano é em torno de 60 a 80%. Valores mais baixos somente são atingidos no período da tarde, sendo necessária a umidificação artificial do ar e/ou das vias respiratórios. Isso não precisa ser feito a noite. Veja mais no post sobre Água na atmosfera.

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