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the Git repo. If you’re still working on the analysis, you can ignore
this warning. When you’re finished, you can run
wflow_publish to commit the R Markdown file and build the
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the code in the R Markdown file. Setting a seed ensures that any results
that rely on randomness, e.g. subsampling or permutations, are
reproducible.
Great job! Recording the operating system, R version, and package versions is critical for reproducibility.
Nice! There were no cached chunks for this analysis, so you can be confident that you successfully produced the results during this run.
Great job! Using relative paths to the files within your workflowr project makes it easier to run your code on other machines.
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the analysis have been committed to Git prior to generating the results
(you can use wflow_publish or
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file, but you know if there are other scripts or data files that it
depends on. Below is the status of the Git repository when the results
were generated:
Ignored files:
Ignored: .Rhistory
Ignored: .Rproj.user/
Untracked files:
Untracked: analysis/analysis.Rmd
Untracked: analysis/code_NIRS_kernels.R
Untracked: analysis/code_for_GBLUP.R
Untracked: analysis/code_for_GBLUP_pt.R
Untracked: analysis/process_climate_data.Rmd
Untracked: data/Article_documents/
Untracked: data/GAPIT.Genotype.Numerical.txt
Untracked: data/Maize-NIRS-GBS-main/
Untracked: data/NIR.csv
Untracked: data/Pheno.rds
Untracked: output/
Unstaged changes:
Modified: analysis/climate_data.Rmd
Staged changes:
New: analysis/climate_data.Rmd
New: analysis/components_variance.Rmd
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1. Introdução
Este tutorial detalha o processo de obtenção e processamento de dados climáticos diários para os experimentos de milho no Texas (College Station, TX) realizados em 2011 e 2012.
O objetivo principal deste script não é apenas baixar os dados, mas transformá-los de séries temporais diárias (ex: 150 dias de temperatura) em um conjunto conciso de Covariáveis Ambientais (ECs). Essas ECs (ex: “total de dias de estresse térmico”, “GDD acumulado”, “VPD médio”) quantificam as características macroambientais de cada ano.
Essas ECs são o componente “W” (de Weather, ou Clima) em nossos modelos preditivos (\(G + E + W\)). Elas serão usadas posteriormente para construir uma matriz de parentesco climático (ou kernel, \(K_W\)), que nos permite modelar as interações \(G \times W\) e melhorar a precisão da predição genômica.
- Local: College Station, TX.
- Períodos: Estação de crescimento (1 de Maio a 30 de Setembro) para os anos de 2011 e 2012.
2. Configuração do Ambiente R
Primeiro, carregamos nossa “caixa de ferramentas”. Cada pacote R tem uma função específica:
nasapower: O pacote principal. Ele fornece uma interface de cliente R para a API NASA POWER, permitindo-nos baixar dados climáticos globais diretamente para o R.dplyrelubridate: Nossas ferramentas de manipulação de dados.dplyré usado para filtrar, agrupar e resumir os dados, enquantolubridatefacilita o trabalho com datas.ggplot2: Usado para a análise exploratória visual, permitindo-nos “ver” as condições climáticas de cada ano.
# Se os pacotes não estiverem instalados, descomente e execute as linhas abaixo
# install.packages("nasapower")
# install.packages("dplyr")
# install.packages("ggplot2")
# install.packages("lubridate")
# Carregar os pacotes
library(nasapower)
library(dplyr)
library(ggplot2)
library(lubridate)3. Definição dos Parâmetros
Definimos as constantes para nossa consulta à API.
coords_texas: As coordenadas geográficas exatas do local do experimento.dates: As datas de início e fim da estação de crescimento do milho para cada ano (Maio a Setembro).params: Os parâmetros climáticos específicos que solicitamos à NASA. Escolhemos estes porque são os “ingredientes brutos” necessários para nossas Covariáveis Ambientais (ECs). Por exemplo,T2M_MAXeT2M_MINsão necessários para calcular os Graus-Dia Acumulados (GDD), eRH2Mé usado para calcular o Déficit de Pressão de Vapor (VPD).
# Coordenadas do local de experimento no Texas
coords_texas <- c(lon = -96.3344, lat = 30.6282)
# Período de interesse (estação de crescimento do milho)
start_date_2011 <- "2011-05-01"
end_date_2011 <- "2011-09-30"
start_date_2012 <- "2012-05-01"
end_date_2012 <- "2012-09-30"
# Parâmetros climáticos a serem baixados
# PRECTOTCORR = Precipitação Total Corrigida (mm/dia)
# T2M_MAX = Temperatura Máxima a 2 metros (°C)
# T2M_MIN = Temperatura Mínima a 2 metros (°C)
# RH2M = Umidade Relativa a 2 metros (%)
params <- c("PRECTOTCORR", "T2M_MAX", "T2M_MIN", "RH2M", # Originais
"ALLSKY_SFC_SW_DWN", # Radiação Solar
"WS2M") # Velocidade do Vento4. Obtenção dos Dados via API NASA POWER
Com nossos parâmetros definidos, usamos a função
get_power() para consultar os servidores da NASA.
Fazemos duas chamadas separadas: uma para a estação de 2011 e outra
para 2012. Em seguida, usamos bind_rows() do
dplyr para empilhar esses dois conjuntos de dados em um
único dataframe (texas_climate_data).
Por fim, convertemos a coluna de data (que vem como
YYYYMMDD) para um formato de data R adequado usando
lubridate::ymd(). Salvamos este arquivo “bruto” como um CSV
para reprodutibilidade, garantindo que não precisemos baixar os dados
novamente.
# Obter dados para Texas 2011
data_tx_2011 <- get_power(
community = "AG",
lonlat = coords_texas,
pars = params,
dates = c(start_date_2011, end_date_2011),
temporal_api = "DAILY"
) %>% mutate(year = 2011)
# Obter dados para Texas 2012
data_tx_2012 <- get_power(
community = "AG",
lonlat = coords_texas,
pars = params,
dates = c(start_date_2012, end_date_2012),
temporal_api = "DAILY"
) %>% mutate(year = 2012)# Combinar os dados do Texas em um único dataframe
texas_climate_data <- bind_rows(data_tx_2011, data_tx_2012)
# Transformar a data para o formato correto e adicionar mês para facilitar a plotagem
texas_climate_data <- texas_climate_data %>%
mutate(date = ymd(YYYYMMDD))
# Visualizar as primeiras linhas da tabela de dados
knitr::kable(head(texas_climate_data), caption = "Amostra dos Dados Climáticos do Texas")| LON | LAT | YEAR | MM | DD | DOY | YYYYMMDD | PRECTOTCORR | T2M_MAX | T2M_MIN | RH2M | ALLSKY_SFC_SW_DWN | WS2M | year | date |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| -96.3344 | 30.6282 | 2011 | 5 | 1 | 121 | 2011-05-01 | 0.00 | 33.95 | 16.93 | 66.05 | 18.35 | 4.13 | 2011 | 2011-05-01 |
| -96.3344 | 30.6282 | 2011 | 5 | 2 | 122 | 2011-05-02 | 0.99 | 20.62 | 11.77 | 69.83 | 8.63 | 3.73 | 2011 | 2011-05-02 |
| -96.3344 | 30.6282 | 2011 | 5 | 3 | 123 | 2011-05-03 | 0.14 | 25.13 | 10.30 | 50.50 | 28.29 | 3.67 | 2011 | 2011-05-03 |
| -96.3344 | 30.6282 | 2011 | 5 | 4 | 124 | 2011-05-04 | 0.00 | 27.91 | 9.52 | 36.35 | 28.73 | 1.69 | 2011 | 2011-05-04 |
| -96.3344 | 30.6282 | 2011 | 5 | 5 | 125 | 2011-05-05 | 0.01 | 30.96 | 12.09 | 38.21 | 29.31 | 1.22 | 2011 | 2011-05-05 |
| -96.3344 | 30.6282 | 2011 | 5 | 6 | 126 | 2011-05-06 | 0.00 | 32.76 | 13.95 | 50.22 | 28.19 | 2.39 | 2011 | 2011-05-06 |
# Salvar os dados brutos para referência futura
write.csv(texas_climate_data, "output/climate_results/texas_climate_data_raw.csv", row.names = FALSE)5. Análise Exploratória e Visualização (EDA)
Antes de processar os dados, devemos sempre visualizá-los. Esta etapa de Análise Exploratória de Dados (EDA) é vital para:
- Validação: Confirmar se os dados parecem razoáveis (sem picos ou vales absurdos).
- Compreensão: Entender a natureza dos ambientes. Os artigos originais descrevem 2011 como um ano de seca severa. Nossos gráficos devem confirmar isso.
5.1 Precipitação Diária (mm/dia)
Este gráfico nos permite “ver” o estresse hídrico. A diferença entre os dois anos é nítida: 2011 teve precipitação quase nula durante a maior parte da estação de crescimento, confirmando as condições de seca. 2012 teve eventos de chuva mais significativos e distribuídos.
ggplot(texas_climate_data, aes(x = date, y = PRECTOTCORR)) +
geom_bar(stat = "identity", fill = "steelblue", alpha = 0.8) +
facet_wrap(~ year, scales = "free_x") +
labs(
title = "Precipitação Diária em College Station, TX (2011-2012)",
subtitle = "Dados obtidos da API NASA POWER",
x = "Data",
y = "Precipitação (mm/dia)"
) +
theme_minimal() +
scale_x_date(date_labels = "%b", date_breaks = "1 month") # Mostra o mês
ggsave("output/climate_results/precipitation_plot.tiff")5.2 Temperatura Máxima Diária (°C)
Este gráfico nos ajuda a identificar o estresse térmico. Ambos os anos mostram longos períodos de calor extremo (acima de 35°C), mas 2011 parece ter um período de calor intenso mais sustentado. Na próxima seção, quantificaremos isso contando os “dias de estresse térmico”.
ggplot(texas_climate_data, aes(x = date, y = T2M_MAX)) +
geom_line(color = "firebrick", alpha = 0.8) +
geom_smooth(method = "loess", se = FALSE, linetype = "dashed", color = "black") +
facet_wrap(~ year, scales = "free_x") +
labs(
title = "Temperatura Máxima Diária em College Station, TX (2011-2012)",
subtitle = "Linha pontilhada representa a tendência suavizada",
x = "Data",
y = "Temperatura Máxima (°C)"
) +
theme_minimal() +
scale_x_date(date_labels = "%b", date_breaks = "1 month")
ggsave("output/climate_results/temperature_plot.tiff")6. Engenharia de Atributos: Criação das Covariáveis Ambientais (ECs)
Esta é a etapa mais crítica do script. Transformamos os dados de séries temporais diárias (~150 linhas por ano) em apenas uma linha por ano, onde cada coluna representa uma característica resumida daquele ambiente.
6.1. Cálculo de Métricas Diárias
Primeiro, usamos mutate() para calcular novas métricas
para cada dia:
- GDD (Growing Degree Days): Uma medida agronômica padrão de acúmulo de calor para o desenvolvimento da planta. Usamos a fórmula padrão para milho (Base 10°C, Teto 30°C).
- DTR (Diurnal Temperature Range): A diferença entre o máximo e o mínimo do dia.
- VPD_DAILY (Vapor Pressure Deficit): Uma métrica crucial que combina temperatura e umidade. É um indicador muito melhor do “estresse de seca” atmosférico do que a umidade relativa sozinha. Calculamos manualmente usando a fórmula de Tetens.
6.2. Agregação por Ano
Em seguida, usamos group_by(year) e
summarise() para agregar essas métricas diárias em
Covariáveis Ambientais (ECs) anuais. Por exemplo:
GDD_CUM: A soma de todos os GDDs diários da estação.HEAT_STRESS_DAYS: A contagem de dias em queT2M_MAX > 35.PRECTOT: A soma de toda a precipitação.VPD_AVG: A média do VPD diário ao longo da estação.
O resultado, environmental_covariates, é um
dataframe pequeno (neste caso, 2 linhas x ~20 colunas) que
captura numericamente a essência de cada ambiente. Por fim, juntamos
essas ECs de volta ao dataframe original para manter a estrutura
completa.
# Calcula GDD diário, DTR diário e VPD diário
texas_climate_data <- texas_climate_data %>%
mutate(
# --- Cálculos de Temperatura ---
T_base = 10,
T_upper = 30,
T_eff_min = if_else(T2M_MIN < T_base, T_base, T2M_MIN),
T_eff_max = if_else(T2M_MAX > T_upper, T_upper, T2M_MAX),
T_avg_eff = (T_eff_min + T_eff_max) / 2,
GDD = T_avg_eff - T_base,
DTR = T2M_MAX - T2M_MIN,
T_AVG_DAILY = (T2M_MAX + T2M_MIN) / 2,
# --- CÁLCULO MANUAL DE VPD (O SUBSTITUTO) ---
# 1. Pressão de Saturação de Vapor (e_s) em kPa (usando T_AVG_DAILY)
# (Fórmula de Tetens)
SAT_VAP_PRES = 0.6108 * exp((17.27 * T_AVG_DAILY) / (T_AVG_DAILY + 237.3)),
# 2. Pressão de Vapor Atual (e_a) em kPa (usando RH2M)
ACT_VAP_PRES = SAT_VAP_PRES * (RH2M / 100),
# 3. Déficit de Pressão de Vapor (VPD) diário
VPD_DAILY = SAT_VAP_PRES - ACT_VAP_PRES
)
# Agrega os dados por ano para criar as ECs
# Este é o dataframe final que será usado para construir o kernel W
environmental_covariates <- texas_climate_data %>%
group_by(year) %>%
summarise(
# Covariáveis de Temperatura (Originais)
TMAX_AVG = mean(T2M_MAX, na.rm = TRUE),
TMIN_AVG = mean(T2M_MIN, na.rm = TRUE),
GDD_CUM = sum(GDD, na.rm = TRUE),
HEAT_STRESS_DAYS = sum(T2M_MAX > 35, na.rm = TRUE),
# Covariáveis Hídricas (Originais)
PRECTOT = sum(PRECTOTCORR, na.rm = TRUE),
DRY_DAYS = sum(PRECTOTCORR == 0, na.rm = TRUE),
RH_AVG = mean(RH2M, na.rm = TRUE),
# Vento e Radiação (Originais)
WS2M_AVG = mean(WS2M, na.rm = TRUE),
RAD_CUM = sum(ALLSKY_SFC_SW_DWN, na.rm = TRUE),
# Covariáveis de Temperatura (Adicionais)
T_AVG = mean(T_AVG_DAILY, na.rm = TRUE),
DTR_AVG = mean(DTR, na.rm = TRUE),
COLD_STRESS_DAYS = sum(T2M_MIN < 10, na.rm = TRUE),
# Covariáveis Hídricas (Adicionais)
RAINY_DAYS = sum(PRECTOTCORR > 0, na.rm = TRUE),
PREC_INTENSITY = ifelse(RAINY_DAYS > 0, PRECTOT / RAINY_DAYS, 0),
LOW_RH_DAYS = sum(RH2M < 30, na.rm = TRUE),
# --- NOVAS ECs (SUBSTITUTOS DE VPD/PET) ---
VPD_AVG = mean(VPD_DAILY, na.rm = TRUE),
VPD_STRESS_DAYS = sum(VPD_DAILY > 1.5, na.rm = TRUE), # Limiar de 1.5 kPa
.groups = 'drop'
)
# Replica as linhas para cada combinação de manejo hídrico (WS e WW)
# No seu modelo, a diferença WS/WW já é capturada pelo efeito de ambiente (E)
# As ECs representam o "macro-ambiente" (ano).
ecs_final <- texas_climate_data %>%
full_join(environmental_covariates)
# Visualiza as covariáveis finais
head(ecs_final)7. Salvar as Covariáveis
Finalmente, salvamos nosso dataframe agregado
ecs_final em um arquivo CSV.
Este arquivo é o produto final deste script. Ele será carregado pelo script principal da análise (não mostrado aqui) para construir a matriz de parentesco climático (Kernel W), que quantifica a similaridade entre os ambientes (anos) com base em seus perfis climáticos.
# Garante que a pasta 'output/climate_results' exista
if (!dir.exists("output/climate_results")) dir.create("output/climate_results")
# Salva o arquivo de *covariáveis agregadas*
write.csv(ecs_final, "output/climate_results/environmental_covariates.csv", row.names = FALSE)
cat("Arquivo 'environmental_covariates.csv' salvo com sucesso na pasta 'output/climate_results'!")Arquivo 'environmental_covariates.csv' salvo com sucesso na pasta 'output/climate_results'!
sessionInfo()R version 4.5.1 (2025-06-13 ucrt)
Platform: x86_64-w64-mingw32/x64
Running under: Windows 11 x64 (build 26200)
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[1] LC_COLLATE=Portuguese_Brazil.utf8 LC_CTYPE=Portuguese_Brazil.utf8
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tzcode source: internal
attached base packages:
[1] stats graphics grDevices utils datasets methods base
other attached packages:
[1] lubridate_1.9.4 ggplot2_4.0.0 dplyr_1.1.4 nasapower_4.2.5
[5] workflowr_1.7.2
loaded via a namespace (and not attached):
[1] gtable_0.3.6 xfun_0.53 bslib_0.9.0 processx_3.8.6
[5] lattice_0.22-7 callr_3.7.6 tzdb_0.5.0 vctrs_0.6.5
[9] tools_4.5.1 ps_1.9.1 generics_0.1.4 curl_7.0.0
[13] parallel_4.5.1 tibble_3.3.0 pkgconfig_2.0.3 Matrix_1.7-3
[17] RColorBrewer_1.1-3 S7_0.2.0 lifecycle_1.0.4 compiler_4.5.1
[21] farver_2.1.2 stringr_1.5.2 git2r_0.36.2 textshaping_1.0.3
[25] getPass_0.2-4 httpuv_1.6.16 htmltools_0.5.8.1 sass_0.4.10
[29] yaml_2.3.10 later_1.4.4 pillar_1.11.1 crayon_1.5.3
[33] jquerylib_0.1.4 whisker_0.4.1 cachem_1.1.0 nlme_3.1-168
[37] tidyselect_1.2.1 digest_0.6.37 stringi_1.8.7 splines_4.5.1
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[49] readr_2.1.5 withr_3.0.2 scales_1.4.0 promises_1.3.3
[53] bit64_4.6.0-1 timechange_0.3.0 rmarkdown_2.29 httr_1.4.7
[57] bit_4.6.0 ragg_1.5.0 hms_1.1.3 evaluate_1.0.5
[61] knitr_1.50 mgcv_1.9-3 rlang_1.1.6 urltools_1.7.3.1
[65] Rcpp_1.1.0 glue_1.8.0 httpcode_0.3.0 rstudioapi_0.17.1
[69] vroom_1.6.5 jsonlite_2.0.0 R6_2.6.1 systemfonts_1.2.3
[73] fs_1.6.6