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
Fonte: iStock

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
Fonte: iStock

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
Foto aérea da Alameda da Cidade Universitária

O ranking CWUR (Center for World University Rankings) posiciona novamente a Universidade de Lisboa (ULisboa) como líder nacional entre as Instituições de Ensino Superior, classificando-a no 218.º lugar a nível mundial, na 79.ª posição na Europa e entre as 1,1% melhores universidades do mundo.

Postal da Praia da Conceição-Duquesa, em Cascais, 1930

Num contexto em que as alterações climáticas e a erosão costeira colocam desafios crescentes à gestão do litoral, uma equipa de investigadores da Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa, em colaboração com o U.S. Geological Survey, desenvolveu uma metodologia inovadora que transforma postais turísticos e fotografias históricas em dados científicos sobre a evolução costeira.

Luís Leitão posa para a foto em cima da sua BTT e em frente a um rio

Luís Leitão, estudante do Mestrado em Engenharia Física de Ciências, realizou o seu Erasmus na Sorbonne, em Paris, França, no ano letivo de 2024/2025. Contada assim, a sua história poderia ser uma entre tantas outras de alunos que, a bordo do programa europeu, partem em viagem além-fronteiras para enriquecer os seus estudos mergulhando em diferentes culturas.

Grande Auditório de CIÊNCIAS

No sábado, 24 de maio, CIÊNCIAS acolheu o evento Technovation Girls Portugal que, pelo 4.º ano consecutivo em Portugal foi coordenado pela Happy Code, tendo como missão direcionar as raparigas para as áreas STEAM (Science, Technology, Engineering, Arts, and Mathematics).

A atividade foi realizada no formato online e promovida pelo Gabinete de Segurança, Saúde e Sustentabilidade da Faculdade.

Em celebração do Dia Mundial da Segurança e Saúde no Trabalho, assinalado a 28 de abril, CIÊNCIAS promoveu uma sessão especial de ginástica laboral direcionada aos seus docentes e técnico-administrativos.

Foto de Ana Rita Lopes.

Ana Rita Lopes, investigadora do MARE-ULisboa - Centro de Ciências do Mar e do Ambiente em CIÊNCIAS, foi uma das quatro cientistas galardoadas com a Medalha de Honra L’Oréal Portugal para as Mulheres na Ciência 2024.

Foto da assinatura do protocolo.

A Faculdade de Ciências consolida a sua posição de liderança na investigação científica ambiental com a criação da primeira Cátedra em Sustentabilidade de Ecossistemas Subterrâneos – Loulé. Este compromisso conjunto entre ciência, políticas públicas e responsabilidade ambiental corporativa, representa um investimento de 370 mil euros e foi celebrado no passado dia 23 de maio através de um protocolo entre a Faculdade, a Câmara Municipal de Loulé, a FCiências.ID e a empresa Bondstone.

imagem científica

Ganna Rozhnova, líder do Infectious Disease Dynamics Lab do Instituto de Biossistemas e Ciências Integrativas (BioISI), polo da Faculdade, coordena um estudo, publicado na revista Nature Communications, que relata o impacto de uma potencial cura do VIH na dinâmica de transmissão do vírus, utilizando um modelo matemático.

Cientistas a bordo do RV Sarmiento de Gamboa

Catarina Guerreiro, investigadora da Faculdade de Ciências e do projeto CHASE, integrou uma expedição, no âmbito do projeto Ocean ICU, com a missão de avaliar o papel da variabilidade regional no Atlântico Oriental na formação das complexas bombas de carbono do oceano.

Luis Carriço e José Manuel Rebordão

No Dia de Ciências 2025 a Direção da Faculdade de Ciências homenageou o investigador José Manuel Rebordão reconhecendo o seu impacto na Comunidade de Ciências 2024, e anunciando a nova designação da sala 01.03.23 da FCiências.ID como Auditório José Manuel Rebordão.

Participantes do BRIDges: Boosting research in interdisciplinary domains

BRIDges: Boosting research in interdisciplinary domains ocorreu no passado dia 14 de maio, no campus da Faculdade.

CIÊNCIAS lança Rotas para a Sustentabilidade para promover sistemas alimentares sustentáveis em 17 municípios

A Faculdade de Ciências dá início a uma nova fase do projeto GrowLIFE com o lançamento das Rotas para a Sustentabilidade, uma iniciativa que visa fortalecer práticas alimentares sustentáveis e promover cadeias curtas de abastecimento em Portugal.

Rita Eusébio

Rita Eusébio é uma das finalistas de Ciências da competição “Três Minutos de Tese – Universidade de Lisboa” - 3MT ULisboa 2025, que se realiza a 22 de maio, pelas 18h00, no Pavilhão de Portugal.

Campus da Faculdade

O Dia Mundial da Reciclagem celebra-se a 17 de maio, uma data instituída pela Organização das Nações Unidas para a Educação, a Ciência e a Cultura (UNESCO) para relembrar a importância de reduzir, reutilizar e reciclar os resíduos. Na Faculdade de Ciências acreditamos que cada ação conta. A reciclagem é mais que um hábito, é um compromisso com o futuro. É a prova de que pequenas escolhas, ajudam a transformar o presente num futuro mais sustentável.

Pessoas posam para fotografia

O 1.º Workshop de Investigação na RAEGE Açores ocorreu entre 8 e 11 de maio de 2025 nas instalações da RAEGE na ilha de Santa Maria.

Foto de Manuel Abreu a receber a Menção Honrosa.

O projeto ESPRESSO recebeu uma menção honrosa do Prémio de Inovação em Ciências e Tecnologias Espaciais 2025. A participação do Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA) no projeto ESPRESSO, através de equipas da Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa e da Faculdade de Ciências da Universidade do Porto, recebeu a única menção honrosa do Prémio de Inovação em Ciências e Tecnologias Espaciais da Agência Espacial Portuguesa (PT Space).

João Duarte assume presidência de divisão da União Europeia de Geociências.

João C. Duarte, coordenador do Doutoramento em Geologia da Faculdade de Ciências e investigador no Instituto Dom Luiz, foi nomeado Presidente da Divisão de Tectónica e Geologia Estrutural da União Europeia de Geociências (EGU).

Foto de José Mariano Gago

A Faculdade de Ciências reconhece e celebra a excelência dos nossos cientistas que inspiram e impulsionam o avanço contínuo da ciência, conhecimento e inovação.

Tartaruga no oceano

Acaba de ser publicado na revista npj Ocean Sustainability do grupo Nature um artigo liderado por Catarina Frazão Santos, professora da Ciências, que estabelece um novo rumo para a proteção dos oceanos.

Joel Laia

Entrevista com Joel Laia, um dos finalistas de Ciências da competição “Três Minutos de Tese – Universidade de Lisboa” - 3MT ULisboa 2025, que se realiza a 22 de maio, pelas 18h00, no Pavilhão de Portugal. O jovem frequenta o programa de doutoramento em Biodiversidade, Genética e Evolução.

árvores caídas na Alameda da Universidade

Reflexão sobre o desenho urbano e o planeamento do espaço público: áreas verdes saudáveis requerem complexidade ecológica, e não apenas árvores espalhadas como ornamentos urbanos. Artigo da autoria de António Vaz Pato e David Avelar, guardiões da HortaFCUL

Rita Eusébio e Joel Laia

Esta é já a 3.ª edição que a ULisboa promove e Ciências esteve envolvida desde o início, com estudantes finalistas e premiados em todas as edições.

Atividades do Dia Aberto

A 24.ª edição do Dia Aberto juntou mais de 2500 alunos dos ensinos básico e secundário de cerca de 350 escolas de norte a sul do País e dos Açores. O programa incluiu cerca de 150 atividades. Leia os testemunhos de quem participou no evento e consulte a fotogaleria.

Cecília Rodrigues, Luís Carriço, Conceição Freitas e Luis Ferreira

Conceição Freitas, professora da Faculdade, tomou posse como presidente do Conselho Científico (CC) da CIÊNCIAS, no passado dia 7 de maio, na Reitoria da ULisboa. Este é o segundo mandato de Conceição Freitas como presidente do CC.

Jorge Relvas e Rui Agostinho

No Dia de Ciências 2025 a Direção da Faculdade de Ciências homenageou o professor aposentado Rui Agostinho reconhecendo o seu impacto na sociedade 2024. A apresentação da distinção coube a Jorge Relvas, subdiretor da Faculdade. Leia o discurso de agradecimento de Rui Agostinho na notícia.

Páginas