2013 Ano Internacional da Estatística

A Estatística e o Ambiente

Kamil Feridun Turkman
Kamil Feridun Turkman

As preocupações com problemas de natureza ambiental fazem parte, desde há décadas, da agenda de todas as Nações. É fundamental uma compreensão adequada dos mecanismos e relações que governam as questões ambientais para que seja possível conciliar interesses económicos e ambientais.

Há muitas questões que estão interligadas, e que necessitam ser tomadas em consideração pelos cientistas, quando estes são chamados pelos decisores a construir ferramentas de apoio à decisão.

Estas questões incluem, embora não se restrinjam, a monitorização ambiental, a amostragem, o estabelecimento de padrões ambientais e consequências associadas à sua não observância; questões de natureza climática e meteorológica tais como aquecimento global, recursos hídricos, a gestão e oferta de recursos pesqueiros, conservação de florestas, etc.. Nestes estudos há essencialmente dois objetivos em vista: compreender os mecanismos que governam os processos que lhes dão origem e predizer realizações futuras. A Estatística desempenha aqui um papel primordial no estabelecimento de modelos para a inferência, na quantificação de efeitos, medição de riscos e consequências e interpretação de evidências.

Ambiente rural
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Estudos ambientais produzem dados com uma estrutura de natureza dinâmica espácio-temporal de grande complexidade. Não só as observações são feitas, em geral, em diferentes unidades de tempo, como também em diferentes resoluções espaciais. Esta complexidade, inerente ao estudo dos problemas ambientais, é cada vez maior graças aos avanços que nos últimos anos se tem vindo a observar na qualidade e capacidade dos instrumentos de medida, permitindo obter dados, com um nível de resolução, para cuja análise as rotinas analíticas clássicas não estão preparadas para dar resposta. O aumento da quantidade e qualidade de informação disponível requer naturalmente a criação de modelos mais complexos que permitam entrar em linha de conta com todas as variáveis em jogo. A implementação destes modelos requer, por sua vez, mais e mais capacidade computacional, limitando a execução de simulações ou inferências, mesmo usando os sistemas computacionais mais sofisticados. Para dar uma ideia da amplitude da escala temporal e espacial de que se está a falar, basta referir que alguns modelos simulam processos em meso-escala, outros simulam, por exemplo, rajadas de vento em condições urbanas à volta de edifícios com resoluções espaciais extremamente finas.

Há muitos objetivos em vista quando se estuda este tipo de dados a nível global. Pode pretender-se modelar variações espácio-temporais existentes; quantificar a incerteza presente nos processos aleatórios que originam os dados; quantificar possíveis efeitos climáticos causais, quantificar efeitos relativos a fatores humanos ou outros efeitos nesses processos e finalmente predizer realizações futuras no espaço e no tempo.

Cox e Isham (1994) definem, genericamente, três classes de modelos matemáticos para modelar processos ambientais:

  •  Modelos determinísticos espaço temporais, os quais dependem da solução numérica de um sistema de equações diferenciais não lineares, sendo em geral elevado o número de equações envolvidas. Estas equações são escolhidas de modo a representarem, de um modo mais realístico possível, os processos físicos subjacentes.
  • Modelos paramétricos espaço temporais, de natureza estocástica, em que os processos físicos subjacentes são explicados através de um número elevado de parâmetros.
  • Modelos estatísticos espaço temporais, de natureza empírica, em que o estado do processo está relacionado com a experiência, dados observados no tempo e espaço e outras variáveis explicativas, através de funções de ligação.

Que abordagem ou abordagens a utilizar depende do problema em estudo. Por exemplo, modelos determinísticos, por natureza, são capazes de representar muito melhor a dinâmica dos processos subjacentes do que modelos estatísticos empíricos, mas não permitem quantificar as flutuações aleatórias inerentes e o seu efeito nas conclusões, retiradas a partir de estudos de simulação. Por outro lado, modelos estatísticos empíricos são construídos com o propósito de quantificar o grau de incerteza inerente a esses modelos, mas não são desenhados para capturar realisticamente o processo físico subjacente. Recentemente tem havido grande interesse em construir modelos que juntem as qualidades dos modelos determinísticos à dos modelos empíricos. São, contudo, muitos os desafios que se colocam aos investigadores na construção desses modelos, já que implicam a resolução numérica simultânea de um grande número de equações diferenciais estocásticas não lineares. Presentemente esses modelos ainda estão longe de serem operacionais. Tal como eloquentemente Noel Cressie afirmou: os cientistas que baseiam os seus estudos em modelos determinísticos, tais como modelos de circulação global em climatologia, apenas aceitariam usar modelos estatísticos empíricos e "convidariam estatísticos para trabalhar com eles" na modelação de dados que representem verdadeiros desafios, se os estatísticos forem capazes de produzir modelos realísticos, ultrapassando todos os problemas computacionais, e de apresentar resultados credíveis, em tempo considerado útil. Contudo, tipicamente, a solução desses modelos empíricos envolve operações de integração numérica e/ou inversão de matrizes, com centenas ou milhares de parâmetros desconhecidos, demasiado complexas para serem executadas usando as técnicas computacionais existentes.
 

Ambiente rural
Fonte: iStock

O artigo seminal de Gelfand e Smith (1990) abriu caminho para a utilização de métodos inferências baseados em simulação e para a verdadeira revolução que os métodos de Monte Carlo via cadeias de Markov (MCMC) trouxeram para a Estatística. Hoje, estatísticos e outros cientistas são capazes de resolver problemas bastante complexos, partindo-os em problemas mais simples, através de uma especificação hierárquica, permitindo fazer inferência em modelos com um número muito elevado de parâmetros, com recurso a sofisticados métodos de simulação. Estes modelos e métodos inferenciais são particularmente úteis na análise de dados de natureza espácio-temporal de grande complexidade, com estruturas de dependência não lineares e comportamentos marcadamente não gaussiano. Estes estudos constituem atualmente um tópico "quente" em estatística ambiental. Há, no entanto, dois grandes problemas a resolver. Um deles é a "maldição da dimensão". Tipicamente a estrutura de dependência espácio-temporal, inerente na maior parte dos dados, é representada no modelo através de um campo aleatório gaussiano, e os métodos inferenciais dependem da inversão da correspondente matriz de covariância cuja dimensão pode chegar a vários milhares. Os métodos numéricos correntes não conseguem dar resposta a esta questão. Há duas abordagens possíveis para este problema. Uma das abordagens passa pela constatação de que, embora as matrizes de covariância sejam densas, as suas inversas são matrizes esparsas e há métodos numéricos que fazem uso desta propriedade. A outra abordagem baseia-se na aproximação de campos aleatórios gaussianos, por campos aleatórios gaussianos com propriedades markovianas (Lindgren et al, 2010). Isto porque certas classes de campos aleatórios gaussianos, tais como a classe Mátern, surgem como solução de certas equações diferenciais estocásticas e essas soluções podem ser aproximadas por campos aleatórios gaussianos de Markov, usando método standard de elementos finitos.

Gostava de usar esta oportunidade para referir que Finn Lindgren, um dos investigadores mais ativos nesta área, esteve em Lisboa durante este mês de junho, a convite do CEAUL, para dar um curso sobre esta metodologia.

Outro problema associado com estes métodos empíricos é que a metodologia MCMC que os permite implementar depende fortemente da expressão da verosimilhança do modelo e, em muitos problemas, esta verosimilhança não pode ser expressa analiticamente, embora a simulação destes modelos não seja um problema difícil. Métodos computacionais "likelihood free", tais como Approximate Bayesian Computation (ABC), têm sido usados, com algum sucesso, em problemas de resolução difícil, sendo este atualmente um tópico de investigação de ponta em vários problemas ambientais e biológicos. Hoje em dia, avanços metodológicos em estatística ambiental, têm sido acompanhados por grandes avanços a nível computacional. A existência de uma grande variedade de bibliotecas do R, específicas para o estudo de dados ambientais, e pacotes de livre acesso, tais como OpenBUGS, JAGS e R INLA, põem a utilização dessas metodologias avançadas ao serviço dos investigadores.

Estrada em ambiente rural
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Em resumo, os investigadores da área da Estatística têm, nas últimas décadas, feito todos os esforços na tentativa de corresponder aos enormes desafios que lhes vão sendo colocados pelos investigadores nas áreas do ambiente. A cada vez maior complexidade de dados de natureza ambiental, fruto dos enormes avanços tecnológicos e da crescente capacidade de aquisição de dados com resolução espácio-temporal cada vez mais fina, já fez, por sua vez, mudar o paradigma da Estatística. Contribuiu grandemente para este esforço a criação, na última década do séc. XX, de organizações especificamente orientadas para a resolução de problemas de Estatística Ambiental, nomeadamente SPRUCE e TIES, juntamente com o surgimento de revistas de especialidade tais como Environmetrics e Environmental and Ecological Statistics. Hoje em dia a Estatística Ambiental é reconhecida como uma área específica da Estatística. É no entanto crucial que estatísticos e investigadores em Ciências do Ambiente mantenham uma colaboração estreita, para que continuem a ser desenvolvidos métodos estatísticos e computacionais adequados que permitam dar resposta continuada aos desafios presentes e futuros.

Kamil Feridun Turkman, professor do DEIO-FCUL e investigador do CEAUL
José Ricardo Paula conquista prestigiada bolsa de pós-doutoramento da Fundação La Caixa

O investigador do MARE – Centro de Ciências do Mar e do Ambiente e da Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa (FCUL), José Ricardo Paula, foi distinguido com u

Tânia Graça veio à Faculdade de Ciências!

A saúde começa no bem-estar — e o bem-estar também passa pela saúde sexual. Foi neste espírito que o projeto Ciências em Harmonia recebeu, na passada terça-feira, 15 de abril de 2025, a sexóloga e comunicadora Tânia Graça, num evento que encheu o Grande Auditório da Faculdade de Ciências.

Desejamos a todos os membros da comunidade da Faculdade de Ciências uma Boa Páscoa junto dos seus familiares e amigos.

Avaliação de Unidades de I&D 2023/2024

Já estão disponíveis os resultados do processo de avaliação das Unidades de I&D 2023/2024 da Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT), realizado por painéis de especialistas internacionais independentes. As avaliações, divulgadas no passado dia 15 de abril, revelam que, de um total de 13 Centros de I&D de CIÊNCIAS, 12 foram classificados como Excelente ou Muito Bom.

O primeiro prémio da 6.ª edição do Concurso de Ideias para a Sustentabilidade foi atribuído ao projeto ‘Keyhole Garden - A chave para a fertilidade’. A proposta, redigida pelos guardiões da HortaFCUL em colaboração com Cristina Cruz, professora de CIÊNCIAS e investigadora no CE3C - Centro de Ecologia, Evolução e Alterações Ambientais, sugere a criação de hortas-compostores à porta dos bares e cafetarias do campus, como uma forma de aproveitar os resíduos orgânicos trazidos pelos membros da nossa comunidade académica.

Mergulho científico em campanha de monitorização da biodiversidade subaquática ao largo da costa da Ilha da Madeira

O Laboratório Associado ARNET – Aquatic Research NETwork | Rede de Investigação Aquática é uma rede multi-institucional, de dimensão nacional, estabelecida em 11 instituições nacionais e composta por 742 investigadores.

CIÊNCIAS integra o consórcio que, no âmbito de um memorando de entendimento, assinado no passado dia 9 de abril, no Palácio dos Marqueses de Pombal, em Oeiras, dará origem ao futuro Instituto para o Desenvolvimento Sustentável, uma iniciativa inovadora que reúne a Câmara Municipal de Oeiras, várias Escolas e a própria Reitoria da Universidade de Lisboa (FCUL, ISEG, IST, ISA), e a empresa intermunicipal TRATOLIXO.

Foto de Maria Helena Garcia no laboratório.

Maria Helena Garcia dedicou a sua carreira ao estudo de compostos metálicos, como o ruténio para memórias óticas de computadores. A partir de 2004, entrou na área dos metalofármacos destinados a tratar o cancro.

Pessoas na jobshop Ciências 2025

O maior evento de empregabilidade da Faculdade reuniu aproximadamente 1655 (estimativa) estudantes, recém-graduados dos vários cursos de CIÊNCIAS, que puderam participar em workshops, debates, sessões com alumni, entrevistas, networking sunset e contactar diretamente com as empresas e recrutadores. Nesta edição estiveram presentes cerca de 80 empresas e entidades convidadas. Cerca de 695 estudantes submeteram currículos e participaram em entrevistas de recrutamento. Leia a reportagem e conheça a opinião de quem participou no evento.

Universidade de Groningen visita CIÊNCIAS

Boas Práticas - A shared learning experience at CIÊNCIAS ULisboa.

No arranque desta Primavera, CIÊNCIAS acolheu a visita exploratória por parte de um grupo de 12 estudantes universitários, pertencentes aos órgãos de Direção das Faculdades e da Universidade de Groningen, nos Países Baixos.

Tomada de posse do conselho científico

Decorreu na passada segunda-feira, 7 de abril, na reitoria da Universidade de Lisboa, a tomada de posse dos novos membros do Conselho Científico (CC).

Novo DataLab powered by Fidelidade reforça inovação e conhecimento nas áreas de Matemática Aplicada, Estatística e Analítica Avançada.

Olimpíadas Regionais de Física

No passado sábado, 29 de março, CIÊNCIAS acolheu as Olimpíadas Regionais de Física, um evento organizado pela Sociedade Portuguesa de Física que reuniu mais de 200 alunos do ensino básico e secundário de diversas escolas, acompanhados por mais de 80 professores. Durante a manhã, os participantes enfrentaram desafios teóricos e experimentais, pondo à prova os seus conhecimentos e criatividade na resolução de problemas científicos. O principal objetivo da competição foi estimular o interesse dos jovens pela Física e promover o pensamento crítico. Enquanto os alunos realizavam as provas, os professores acompanhantes tiveram a oportunidade de assistir a palestras ministradas pelos docentes do Departamento de Física Francisco Lobo e Nuno Matela, que abordaram temas como Ondas Gravitacionais e Imagem Médica.

Futurália

CIÊNCIAS marcou novamente presença na Futurália, a maior feira nacional dedicada à educação, formação e empregabilidade que vai já na 16ª edição. Foram milhares os visitantes, especialmente estudantes, que estiveram entre 26 e 29 de março na FIL – Feira Internacional de Lisboa.

CHILL - CHIcken Tractors as an efficient and sustainable Link in closed Loop agriculture

A história da capoeira móvel no PermaLab, integrada na HortaFCUL, é um exemplo vivo de como os princípios da permacultura podem transformar desafios em oportunidades. Desde a sua implementação em 2018, este galinheiro móvel, ou chicken tractor em inglês, foi concebido para unir sustentabilidade, inovação e comunidade, desempenhando um papel fulcral no ecossistema agrícola do projeto.

Professor António Casimiro coordenador científico do curso e Professor Associado do Departamento de Informática de CIÊNCIAS

A sessão de abertura do Cybersecurity Executive Program aconteceu em CIÊNCIAS, no passado dia 27 de março, marcando o arranque da 4ª edição desta formação. O Cybersecurity Executive Program é uma iniciativa conjunta de CIÊNCIAS e da consultora Premivalor Consulting, que se destina a formar e sensibilizar decisores e executivos C-level, de organizações públicas, privadas, civis e do setor militar, para as questões da cibersegurança.

Carlos Corela na entrega do prémio.

A Associação Portuguesa de Meteorologia e Geofísica (APMG) atribuiu ao investigador Carlos Corela o Prémio de Carreira Técnica para a Geofísica. A entrega desta distinção decorreu durante o jantar de confraternização do 13.º Simpósio de Meteorologia e Geofísica, durante o qual o investigador foi homenageado.

Equipa do projeto MIMESIS

A Fundação Ana Mendonça (FAM) anunciou a doação de €25.000,00 ao projeto MIMESIS –Bioadesivos inspirados na natureza para aplicações biomédicas e biotecnológicas, coordenado por Romana Santos, professora da CIÊNCIAS e investigadora no Centro de Ciências do Mar e Ambiente (MARE ULisboa), nomeadamente no grupo de investigação em bioadesão e biomimética.

Sala com alunos e jornalistas do Portugal em Direto

Cerca de 250 pessoas participaram nas várias atividades realizadas no Dia Internacional da Matemática em CIÊNCIAS 2025, o Dia do Pi, comemorado a 14, 15 e 19 de março. Leia alguns testemunhos de quem participou e organizou as atividades.

Foto de peões a atravessar passadeira com a rua parcialmente inundade.

A 23 de março celebra-se o Dia Mundial da Meteorologia. A data tem como objetivo aumentar a consciencialização global para a importância da meteorologia na compreensão do clima e dos fenómenos meteorológicos, além de alertar para as alterações climáticas e os seus impactos no meio ambiente, na economia e na qualidade de vida.

Imagem artística do Telescópio Espacial Euclid no espaço

Com apenas 0,45% do rastreio da missão espacial completado, o consórcio Euclid revelou, no dia 19 de março, um grande número de resultados descritos em 34 artigos científicos.

Navio de perfuração Fugro Synergy em missão para o IODP no Golfo de Coríntia.

João C. Duarte, Coordenador do Doutoramento em Geologia em CIÊNCIAS e investigador no Instituto Dom Luiz, foi nomeado Delegado Suplementar de Portugal do ESSAC, o Comité Científico do ECORD - European Consortium for Ocean Research Drilling.

Futurália

A maior feira de educação e formação de Portugal volta à FIL nos dias 26 a 29 de março!

Alunos num laboratório

Cerca de 60 alunos do 10.º ano do King's College School Cascais, com idades entre os 14 e os 16 anos, visitaram a Faculdade no passado dia 13 de março, e ficaram a conhecer de forma mais aprofundada como funcionam as aulas dos cursos de Biologia, Bioquímica, Química e Química Tecnológica e que tipo de investigação aqui é feita. Leia a reportagem e conheça a opinião de quem participou nesta iniciativa.

Rio Tejo

Vários investigadores do MARE-ULisboa participam em estudo que revela novos dados sobre a biologia reprodutiva do Siluro, também conhecido como peixe-gato europeu, no Rio Tejo. Este trabalho, agora publicado no Jornal de Biologia dos Vertebrados, da Academia de Ciências da República Checa, é o primeiro a ser feito com populações de siluro da Península Ibérica, incidindo na sua biologia reprodutora. Está inserido no âmbito do LIFE-PREDATOR, um projeto Europeu, liderado, em Portugal, por CIÊNCIAS.

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