Relação intensidade-duração-frequência de precipitações extremas no contexto de mudanças climáticas e na ausência de dados pluviográficos

Abstract

A relação Intensidade-Duração-Frequência das precipitações é muito utilizada em projetos hidráulicos e hidrológicos para fins de estimativa da vazão máxima, sendo normalmente elaborada a partir do ajuste de distribuições de probabilidade adequadas às séries dos dados de intensidade máxima média das precipitações, obtidos por registros pluviográficos. Esses registros, no entanto, são escassos no Brasil, sendo necessária em muitos casos a utilização da metodologia de desagregação de dados pluviométricos para obtenção das séries históricas de intensidades. Além disso, as relações Intensidade-Duração-Frequência são comumente estimadas pressupondo a estacionariedade da série de dados de precipitação. Diante do exposto, o objetivo deste trabalho foi analisar a variação temporal das séries históricas de temperatura e precipitação na região de Governador Valadares/MG, avaliando a ocorrência ou não de estacionariedade, e propor novas curvas de Intensidade-Duração-Frequência no contexto de ausência de dados pluviográficos, diante das possíveis mudanças observadas em decorrência das mudanças climáticas e da formação de ilhas de calor urbanas. O estudo foi realizado utilizando dados médios de temperatura anual (máxima e mínima) correspondentes ao período de 1970 a 2018 e pluviométricos para o período de 1986 a 2018 do município de Governador Valadares/MG. Para verificar a abrangência das tendências detectadas nas séries dos índices de precipitação (P95p, Pmax1d, IID, PTot) foram analisados dados de outras quatro estações pluviométricas localizadas na mesma região hidrologicamente homogênea de Governador Valadares. A sazonalidade da precipitação foi estudada a partir da análise de 12 séries de totais precipitados mensais, correspondentes aos meses do ano. A variação temporal das séries de temperatura e precipitação foi analisada a partir dos testes de tendência de Mann-Kendall original e com a modificação Block Bootstrap. Aos dados de lâminas máximas precipitadas foram ajustadas as distribuições de probabilidades Generalizada de Eventos Extremos (GEV) e Gumbel, estacionárias e não estacionárias, utilizando o método da máxima verossimilhança, sendo a seleção do melhor ajuste feita com base nos Critérios de Akaike e Bayesiano. As séries de dados de temperaturas máxima e mínima médias e dos índices P95p e Pmax1d apresentaram tendência positiva, apontando a ocorrência de alterações climáticas importantes na região de Governador Valadares, entretanto, não foram encontradas evidências significativas de alterações da duração e distribuição do período chuvoso. O melhor ajuste à série de dados de lâminas máximas precipitadas correspondeu à distribuição de Gumbel não estacionária. Utilizando a metodologia de desagregação de chuvas diárias foram obtidas as curvas Intensidade-Duração-Frequência incorporando o comportamento não estacionário. Comparando-se as curvas não estacionárias ajustadas e a elaborada por Freitas et al. (2001) para a mesma região, considerando estacionariedade dos dados, a última subestimou as intensidades de precipitação para menores durações, com diferenças de até 49%, evidenciando a necessidade de considerar a não estacionariedade no ajuste das equações de chuvas intensas e, consequentemente, na elaboração de projetos hidráulicos e hidrológicos. Palavras-chave: Chuvas intensas. Estacionariedade. Desagregação de chuvas.

The Intensity-Duration-Frequency of precipitations is widely used in hydraulic and hydrological projects for the purpose of estimating the maximum flow, being normally elaborated by adjusting the probability distributions provided to the data series of average maximum intensity of the precipitations, record by pluviographic records. These records, however, are scarce in Brazil, making it necessary in many cases to use the methodology of disaggregating rainfall data to obtain historical series of intensities. In addition, Intensity- Duration-Frequency relationships are commonly estimated assuming the stationarity of the precipitation data series. The objective of this study was to analyze the temporal variation of the historical temperature series and to analyze the region of Governador Valadares/MG, evaluating the occurrence or not of stationarity, and to propose new Intensity-Duration- Frequency curves in the contexto of absence rainfall data, in view of the possible changes observed as a result of climate change and the formation of urban heat islands. The study was carried out using average annual temperature data (maximum and minimum) corresponding to the period from 1970 to 2018 and rainfall for the period from 1986 to 2018 in the municipality of Governador Valadares/MG. In order to verify the scope of the trends detected in the series of classification indexes (P95p, Pmax1d, IID, PTot), data from four other pluviometric rainfall stations in the same hydrologically homogeneous region of Governador Valadares were provided. The seasonality of the separation was studied from the analysis of 12 series of monthly precipitated totals, corresponding to the months of the year. The temporal variation of the temperature and precipitation series was analyzed using the original Mann-Kendall trend tests and with the Block Bootstrap modification. The data of maximum precipitated slides were adjusted as Generalized Extreme Event (GEV) and Gumbel probability distributions, stationary and non-stationary, using the maximum likelihood method, being a selection of the best fit made based on the Akaike and Bayesian Criteria. The series of data on average maximum and minimum temperatures and the P95p and Pmax1d indices showed a positive trend, pointing to the occurrence of important climatic changes in the Governador Valadares region, however, no significant evidence of changes in the duration and distribution of the rainy season was found. The best fit to the maximum precipitated slide data series corresponded to the non-stationary Gumbel distribution. Using the daily rainfall disaggregation methodology, the Intensity- Duration-Frequency curves were obtained incorporating the non-stationary behavior. Comparing the adjusted non-stationary curves and the one elaborated by Freitas et al. (2001) for the same region, considering the stationarity of the data, the latter underestimated the precipitation intensities for shorter durations, with differences of up to 49%, evidencing the need to consider the non-stationarity in the adjustment of the intense rain equations and, consequently, in the elaboration of hydraulic and hydrological projects. Keywords: Heavy rains. Stationarity. Disaggregation of rainfall.