2013 Ano Internacional da Estatística

A Estatística e o Ambiente

Kamil Feridun Turkman
Cedida por DEIO-FCUL

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
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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

Todas as semanas são boas para dar a conhecer os cientistas e o que investigam, assim como os seus contributos para o avanço do conhecimento, ainda assim há semanas mais especiais que outras. Esta é uma delas. Esta quarta-feira celebra-se o Dia Nacional da Cultura Científica. Hoje, por ocasião desta data especial e da Semana da Ciência e da Tecnologia realiza-se também a Cerimónia de Atribuição dos Prémios Ciência Viva 2021, que premeia com o Grande Prémio Ciência Viva Maria Amélia Martins-Loução. A cerimónia é transmitida em direto pelo canal YouTube. Nesta semana e nas restantes do ano não faltam outros exemplos de ações de divulgação, que também cumprem o propósito de promover a cultura científica, como é o caso do Dia da Investigação do Departamento de Física ou do ciclo Conversas finitas no C-infinito.

Imagem abstrata relacionada com o cartaz promocional do ranking

A par do reconhecimento alcançado na lista World’s Top 2%, Alan Phillips é distinguido, pelo 4.º ano consecutivo, como um dos cientistas mais citados na área da Ciência Vegetal e Animal a nível mundial, pelo Highly Cited Researchers da Clarivate Analytics, uma empresa norte-americana especializada em gestão de informação científica.

musaranho-de-dentes-brancos

Investigador do Centro de Estudos do Ambiente e do Mar polo da Ciências ULisboa lidera descoberta sobre o comportamento social do musaranho-de-dentes-brancos.

Mulher escreve num quadro

Quer saber quem são os cientistas mais citados a nível mundial? Aceda gratuitamente aos dados da Mendeley, publicados na Elsevier. Portugal tem 481 cientistas no ranking referente ao impacto ao longo da carreira e 703 no ranking de 2020. Ciências ULisboa apresenta melhores resultados face a 2019.

4 pessoas com colete refletor

O Gabinete de Segurança, Saúde e Sustentabilidade da Ciências ULisboa promoveu a realização do primeiro simulacro no edifício do Centro de Ciências do Mar e do Ambiente. O primeiro exercício na Faculdade ocorreu em dezembro de 2013. Até agora já foram realizados 19 simulacros.

João Carlos Ribeiro Reis, professor aposentado do Departamento de Química e Bioquímica da Faculdade, e investigador do Centro de Química Estrutural, faleceu no passado dia 5 de novembro. A Faculdade apresenta sentidas condolências aos seus familiares, amigos e colegas.

Logotipo da rubrica radar Tec Labs

Décima nona rubrica Radar Tec Labs, dedicada às atividades do Centro de Inovação da Faculdade.

Seringas

Ensaio da autoria dos professores Manuel Carmo Gomes e Carlos Antunes.

uvas com a doença oídio

Estudo liderado por Ana Margarida Fortes, professora do DBV Ciências ULisboa e coordenadora de um dos grupos do BioISI Ciências ULisboa, está entre os cinco melhores artigos da Journal of Experimental Botany, uma prestigiada revista de investigação em plantas.

Maria Helena Carvalho de Sousa Andrade e Silva, professora aposentada da Ciências ULisboa, faleceu aos 94 anos, no passado dia 31 de outubro. A Faculdade apresenta sentidas condolências aos seus familiares, amigos e colegas.

Plano central anterior - Estrutura 3D da proteína S100B colorida a vermelho de acordo com as zonas preferenciais de ligação à proteína Tau; Plano posterior (esquerda) - célula marcada a verde indicando colocalização das proteínas S100B e Tau nos microtúbulos; Plano posterior (direita) - depósitos de proteína Tau agregada em células, identificados como manchas verdes

Uma equipa internacional liderada pelo cientista Cláudio M. Gomes, professor do DQB Ciências ULisboa e coordenador do laboratório PMAB do BioISI, descobriu uma nova função para uma proteína do cérebro, que atrasa a formação de depósitos proteicos causadores de demências como a doença de Alzheimer. Guilherme Moreira, estudante de doutoramento em Bioquímica na Ciências ULisboa, orientado por Cláudio M. Gomes, é o primeiro autor do estudo.

 

Flores, livro e ampulheta

"Apesar de tudo, outubro foi um rico mês e novembro promete ser igual (...) O dia de amanhã, ainda que não esteja garantido, é uma série ininterrupta e eterna de instantes e é nosso". Mais uma rubrica em jeito de editorial, da autoria de Ana Subtil Simões, editora da Newsletter de Ciências.

Cérebro

"Para cada uma destas operações interessa estudar como nos vamos conduzir, e em que direção vamos prosseguir, logo quais são os princípios das coisas especulativas e os da imaginação",  in No Campus com Helder Coelho.

crianças numa visita ao laboratório

Ciências ULisboa recebeu, no passado dia 6 de outubro, 47 alunos do 4º ano, da Escola Básica Mestre Querubim Lapa, no âmbito do programa Escola Ciência Viva do Pavilhão do Conhecimento. A visita realizou-se no âmbito da atividade “Encontro com o cientista” e teve como anfitrião o professor do Departamento de Física, Rui Agostinho.

Campus da Faculdade

A Faculdade dá a conhecer uma vez mais a melhor ciência que se faz nesta centenária instituição. O Dia da Investigação da Ciências ULisboa realiza-se a 27 de outubro, no grande auditório, sito no edifício C3 e conta com uma sessão especial dedicada às Alterações Climáticas, área de investigação onde Ciências ULisboa é líder.

Luis Carriço, diretor da Ciências ULisboa e Maria de Jesus Fernandes, bastonária da Ordem dos Biólogos, assinaram no passado mês de setembro um protocolo de colaboração que visa a conceção, criação e desenvolvimento de cursos de especialização nas áreas de especialidade da Ordem, nomeadamente: Ambiente, Biotecnologia, Educação e Saúde.

Folha em destaque

Vanessa Mata, Miguel Baptista e Tiago Morais são os vencedores da edição 2021 do Prémio de Doutoramento em Ecologia - Fundação Amadeu Dias, organizado pela Sociedade Portuguesa de Ecologia (Speco). A entrega dos galardões deve ocorrer no próximo mês de dezembro, durante o 20º Encontro Nacional de Ecologia, na Escola Superior Agrária do Instituto Politécnico de Viana do Castelo, em Ponte de Lima.

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“OS Diversity for Intrusion Tolerance: Myth or Reality?”, com coautoria de três investigadores da Ciências ULisboa, é um dos artigos distinguidos com o prémio Test-of-Time, atribuído em junho de 2021 pela DSN.

Logotipo da iniciativa - banner promocional

Entre 12 e 17 de outubro de 2021 realiza-se a primeira edição do FIC.A - Festival Internacional de Ciência, no Palácio e Jardins do Marquês de Pombal, em Oeiras. Ciências ULisboa está representada neste evento com dezenas de atividades.

logotipo das comemorações do centenário da licenciatura em engenharia geográfica/geoespacial

Este ano assinala-se o centenário da criação da licenciatura em Engenharia Geográfica/Geoespacial. Para comemorar a efeméride realiza-se a 22 de outubro de 2021, pelas 15h00, no grande auditório da Ciências ULisboa, uma Sessão Solene Comemorativa, organizada pela Faculdade em parceria com a Ordem dos Engenheiros.

Lagoa nos Açores

Um estudo multidisciplinar, da autoria de vários cientistas europeus e norte-americanos, reconstrói as condições em que os Açores foram habitados pela primeira vez e o impacto da presença humana nos ecossistemas.

mapas e dispositivos moveis

"A informação geográfica contextualiza um povo, uma comunidade ou um indivíduo no espaço que o envolve", escreve Cristina Catita, professora do DEGGE Ciências ULisboa, por ocasião das comemorações do centenário do curso de Engenharia Geográfica/Geoespacial.

banda desenhada

“O jogo das alterações climáticas” é o novo livro da autoria de Bruno Pinto (argumento), Quico Nogueira (desenho) e Nuno Duarte (cor). O lançamento do livro vai ter lugar na Ciências ULisboa, já no próximo dia 7 de outubro.

Logotipo Radar

Décima oitava rubrica Radar Tec Labs, dedicada às atividades do Centro de Inovação da Faculdade. A empresa em destaque é a Sowé.

"É mais uma vez com uma enorme alegria que constatamos que Ciências ULisboa foi reconhecida como faculdade de excelência, sendo escolhida por mais de nove centenas de alunos na 1.ª fase do Concurso Nacional de Acesso (CNA) ao ensino superior", escreve Pedro Almeida, subdiretor da Faculdade.

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