Modeling Soil Volumetric Water Content Based on Climatic Factors in the Tripoli Region (Libya) Using Multiple Linear Regression

Resumo Técnico: Modelagem do Conteúdo Volumétrico de Água no Solo em Trípoli, Líbia

Definição do Problema
A umidade do solo é um componente crítico dos ciclos de água e energia da Terra, influenciando a produtividade agrícola, a gestão dos recursos hídricos e a frequência de eventos climáticos extremos, como secas e inundações. Na Líbia, um país caracterizado por climas semiáridos a áridos, compreender a dinâmica da água no solo é essencial para a segurança alimentar e a mitigação de riscos de desastres. No entanto, o monitoramento de longo prazo da umidade do solo via medições de campo é limitado. Embora o sensoriamento remoto ofereça uma alternativa, há uma necessidade específica de modelar quantitativamente a relação entre os fatores climáticos locais e o conteúdo volumétrico de água (CVA) no solo utilizando métodos estatísticos. Este estudo aborda a lacuna na análise quantitativa sobre como variáveis climáticas específicas influenciam a umidade do solo na região de Trípoli, particularmente no contexto das projeções de mudanças climáticas que indicam diminuição da precipitação e aumento das temperaturas para o Norte da África.

Metodologia
O estudo utilizou dados mensais abrangendo 297 leituras de 2001 a 2024, provenientes do conjunto de dados ERA5 (Centro Europeu de Previsão Meteorológica de Médio Prazo). A análise foi conduzida utilizando o software estatístico R.

• Variáveis:
  • Variável Dependente ($Y$): Conteúdo médio volumétrico de água no solo através de quatro profundidades de solo.
  • Variáveis Independentes Iniciais: Umidade relativa, precipitação, temperatura média do solo (através de quatro profundidades), temperatura do ar, velocidade do vento, evaporação potencial e profundidade do lençol freático.
• Abordagem Estatística:
  1. Análise Descritiva: Examinou a distribuição e a tendência central de todas as variáveis.
  2. Avaliação de Multicolinearidade: Uma matriz de correlação e uma análise do Fator de Inflação da Variância (VIF) foram realizadas. A análise inicial revelou uma multicolinearidade severa entre diversas variáveis (por exemplo, temperatura do ar, temperatura do solo e evaporação potencial apresentaram valores de VIF superiores a 12, muito acima do limite aceitável de 5).
  3. Seleção de Variáveis: Para garantir a estabilidade do modelo, as variáveis com altos valores de VIF foram excluídas. O modelo final reteve três variáveis independentes com pontuações de VIF aceitáveis: Umidade Relativa ($X_1$), Precipitação ($X_2$) e Temperatura Média do Solo ($X_3$).
  4. Construção do Modelo: Um modelo de Regressão Linear Múltipla (RLM) foi desenvolvido para prever o CVA do solo com base nos fatores climáticos selecionados.
  5. Validação do Modelo: As premissas foram verificadas usando gráficos de resíduos (Resíduos vs. Ajustados) e gráficos Q-Q para verificar a homocedasticidade e a normalidade dos resíduos.

Principais Resultados

• Estatística Descritiva: O conteúdo médio volumétrico de água no solo foi de 0,02 com baixo desvio padrão, indicando consistência. A precipitação apresentou alta variabilidade (média de 0,92 mm), enquanto a umidade relativa teve média de 44,10%.
• Análise de Correlação:
  • Uma forte correlação positiva foi encontrada entre o CVA do solo e a Umidade Relativa ($r = 0,638$).
  • Uma correlação positiva moderada existiu entre o CVA do solo e a Precipitação ($r = 0,528$).
  • Uma correlação negativa moderada foi observada entre o CVA do solo e a Temperatura Média do Solo ($r = -0,559$).
• Desempenho do Modelo de Regressão:
  • A equação do modelo final é: $\hat{Y} = 0,01378 + (7,0 \times 10^{-5} \times X_1) + (4,22 \times 10^{-4} \times X_2) - (9,8 \times 10^{-5} \times X_3)$.
  • Significância: Todos os três preditores foram estatisticamente significativos ($p < 0,001$).
    • Precipitação: Identificada como o fator mais influente ($\beta = 4,22 \times 10^{-4}$). Um aumento de 1 mm na precipitação resulta em um aumento direto de 0,000422 no conteúdo médio de umidade do solo.
    • Umidade Relativa: Mostra um efeito positivo ($\beta = 7,0 \times 10^{-5}$), atribuído à redução da evaporação.
    • Temperatura do Solo: Mostra um efeito negativo significativo ($\beta = -9,8 \times 10^{-5}$), atribuído ao aumento da evaporação e infiltração.
  • Poder Explicativo: O valor de $R^2$ ajustado é de 0,477, indicando que o modelo explica aproximadamente 48% da variação no conteúdo volumétrico de água no solo.
  • Ajuste Geral: O teste F confirmou a significância estatística global do modelo ($F \approx 91$, $p < 0,001$). Gráficos de diagnóstico confirmaram que os resíduos foram distribuídos aleatoriamente e seguiram uma distribuição normal, validando as premissas do modelo.

Significância e Alegações
O artigo afirma que o estudo estabelece com sucesso uma relação estatisticamente significativa entre os fatores climáticos selecionados e o conteúdo volumétrico de água no solo na região de Trípoli. Ao isolar a precipitação, a umidade relativa e a temperatura do solo como os principais impulsionadores, a pesquisa fornece uma ferramenta preditiva para compreender a dinâmica da umidade do solo em um ambiente semiárido.

Os autores afirmam que esta abordagem de modelagem apoia a gestão dos recursos hídricos e o planejamento agrícola, o que é crítico dado que as projeções climáticas para o Norte da África preveem uma diminuição de 10–20% na precipitação e um aumento de 2–3 °C na temperatura até 2050. O estudo conclui que, embora o modelo explique quase metade da variância (um valor considerado bom para estudos ambientais), ele destaca efetivamente o impacto direto da precipitação e o impacto inverso da temperatura na umidade do solo. Os autores recomendam o uso destas variáveis-chave para avaliações futuras em regiões áridas e sugerem que modelos mais avançados (por exemplo, séries temporais ou não lineares) poderiam melhorar ainda mais a precisão preditiva.