Meteorologia Aplicada
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Item Dimensionamento de reservatórios residenciais para atenuação de cheias e aproveitamento de águas pluviais utilizando informações hidrometeorológicas(Universidade Federal de Viçosa, 2023-05-26) Martino, Bernardo Lucas; Cecílio, Roberto Avelino; http://lattes.cnpq.br/6458114836777120A urbanização no Brasil aumentou a vulnerabilidade da população às estiagens e inundações e uma alternativa para lidar com esse problema é o uso de reservatórios. Os reservatórios de retenção (RR) são comuns no combate à seca, enquanto os reservatórios de detenção (RD) são projetados para mitigar os impactos das enchentes. A implementação combinada desses reservatórios em ambientes residenciais é pouco explorada e, portanto, o presente trabalho teve como objetivo desenvolver um método baseado em informações hidrometeorológicas de dimensionamento e operação de reservatórios para atenuação de cheias e aproveitamento de águas pluviais (RACAP). Assim sendo, foi escolhida para esse estudo a região metropolitana de Belo Horizonte (RMBH) devido à sua vulnerabilidade a esses eventos extremos e a disponibilidade de dados pluviométricos e fluviométricos adequados da região. Utilizando a estação pluviométrica 01943006, foi possível gerar uma série sintética de 10 anos característica da região e, com a estação fluviométrica 41260000, foi possível identificar o período de maior risco de enchentes na RMBH. O reservatório proposto conta com duas regras de operação distintas: na primeira ele atua como um RR tradicional; na segunda ele é parcial esvaziado diariamente, de forma que essa última é utilizada somente durante os períodos mais propícios às enchentes, ou períodos críticos (PC). O RACAP foi simulado e dimensionado e, para fins de comparação, foi contrastado com um RR de mesmas dimensões. Os resultados mostraram que, para o período simulado, o RACAP foi capaz de entregar uma média de 67,7% da demanda nominal e o RR 71,9%. Além disso, o RACAP não extravasou durante o PC do ano, enquanto o RR extravasou 113 ocorrências durante esse mesmo período. Portanto, o estudo destacou a importância de considerar a época do ano no planejamento de reservatórios de prevenção de enchentes e na adição dessa capacidade aos RRs residenciais em áreas urbanas. O trabalho também pontua que ainda há espaço para ajustes e melhorias no método proposto. Palavras-chave: Reservatório; Enchente; Escassez hídrica.Item Influência de eventos de El Niño Oscilação Sul e a produtividade do eucalipto no Brasil(Universidade Federal de Viçosa, 2020-11-05) Duarte, Marciel Lelis; Ribeiro, Aristides; http://lattes.cnpq.br/4852287603211597As variações nos padrões climáticos globais são principalmente determinadas por alterações na circulação de grande escala. Os eventos conhecidos com El Niño e La Niña (ENOS) estão relacionados as anomalias na temperatura da superfície do oceano Pacífico Equatorial e determinados pelo Índice de Oscilação Sul (IOS). Durante eventos ENOS o território Brasileiro sofre importante alteração no padrão climático, com destaque para a precipitação, com padrões mais bem definidos nas regiões Sul e Nordeste do país. Recentes estudos apontam que as mudanças climáticas se manifestam majoritariamente por alterações na frequência e intensidade dos evento ENOS, sendo este indicados como principal driving force. Assim estudos de possíveis alterações na produtividade de culturas devem focar na dinâmica atmosférica durante estes eventos. O objetivo deste estudo foi avaliar a influência dos fenômenos climáticos El Niño e La Niña na produtividade simulada pelo modelo Physiological Processes Predicting Growth (3-PG) e pelas Redes Neurais Artificiais (RNA) em Eucalyptus spp. Este trabalho foi desenvolvido nas principais áreas de plantio comerciais de eucalipto no Brasil, localizadas nos Estados da Bahia (BA), Minas Gerais (MG) e Rio Grande do Sul (RS). Trabalhou-se nos anos de ocorrência dos eventos El Niño e La Niña com intensidades fraca, moderada e forte da década de 1980 até 2015. Realizou-se a simulação das variáveis que expressam produtividade nos plantios em cada ano destes eventos climáticos, utilizando o modelo 3-PG e as RNA. Para o modelo 3-PG a calibração do modelo foi feita a partir de dados de inventários florestais. As idades de três, cinco e sete anos foram avaliadas ao longo do ciclo. As médias dos estados, regiões e idades foram comparadas estatisticamente pelo teste de Tukey (p ≤ 5%). As estimativas realizadas pelo modelo 3PG apresentaram bons resultados, sendo as regiões do estado de MG o que apresentou melhores estimativas (R 2 =0.85). O modelo foi capaz de detectar tendências atribuídas aos eventos climáticos do El Niño e La Niña, evidenciando maiores incrementos volumétricos naqueles que apresentaram maiores totais chuvas. Na região produtora do RS os anos de El Niño moderado e La Niña moderado favoreceram a produtividade do eucalipto nas três regiões e idades analisadas. Na região da BA os anos de La Niña fraco e de El Niño forte prejudicaram a produtividade do eucalipto em todas as regiõese idades estudas. Com uma produtividade média 37% menor. foram selecionadas as 12 melhores redes, as quais apresentaram maior r yŷ na validação. As RNAs foram obtidas com o algoritmo de treinamento Resilient Propagation (RPROP+), utilizando a função logística, tanto na camada oculta (8 neurônios) como na de entrada. Os melhores resultados da r yŷ e REQM (%) foram obtidos utilizando 90% dos dados para o treinamento nas redes RNA 60, RNA 68, RNA 24, RNA 19; 85% paras redes RNA 29, RNA 83, RNA 89; 80% para a rede RNA 69 e 70% pra RNA 70 e 54. A utilização de RNA possibilita a estimação do IMA6 de povoamentos de eucalipto através de variáveis climáticas com boa precisão, apesar da complexidade dos dados, incluindo muitas variáveis. Entre as variáveis explicativas que possuem maior importância para a estimação da produtividade do eucalipto ao final da rotação, destacam-se os veranicos e fenômenos El nino e La nina. Palavras-chave: ENOS; Mudanças climáticas; Modelagem ecofisiológica; Silvicultura.Item Modelagem ARX como ferramenta complementar aos estudos de estacionariedade da vazão em bacias hidrográficas(Universidade Federal de Viçosa, 2023-09-06) Rodrigues, Rafael Iria; Cecílio, Roberto Avelino; http://lattes.cnpq.br/6827050892829471Para uma adequada gestão dos recursos naturais, busca-se a análise temporal das variáveis hidroclimatológicas, as quais podem apresentar tendências ou comportamento estacionário. Quando a variável selecionada para análise de estacionariedade é a vazão, o teste de Mann-Kendall pode induzir a uma interpretação equivocada por não considerar a influência da variabilidade da precipitação para explicar o comportamento particular da vazão em determinado período. A dificuldade em interpretar Mann-Kendall está em compreender se um sistema hidrológico proporciona uma vazão de escoamento em condição não-estacionária ou se ela está passando por uma transição de estado em decorrência da variabilidade da precipitação. Nesse contexto, as técnicas de análise de sistemas dinâmicos possibilitam incorporar o comportamento temporal da precipitação dentro da análise de estacionariedade do regime de vazões em bacias hidrográficas, as quais passam a ser tomadas como sistemas dinâmicos. Um sistema dinâmico pode ser representado por funções matemáticas que podem ser obtidas a partir da modelagem estocástica autorregressiva com entrada exógena (ARX), para tempo discreto. Baseado na necessidade de um método que auxilie na interpretação dos testes de Mann-Kendall, o objetivo desse trabalho foi desenvolver uma metodologia baseada na modelagem e análise de sistemas dinâmicos (MASD) como ferramenta complementar aos estudos da estacionariedade da série de vazão de escoamento em uma bacia hidrográfica. Como objetivo específico, apresenta-se uma técnica, utilizando a modelagem ARX, para representar o comportamento dinâmico do sistema chuva-vazão a partir dos dados temporais. Para a realização desse trabalho utilizaram-se os dados temporais de chuva e vazão da bacia hidrográfica do rio Grande, na base mensal. Os modelos ARX foram ajustados a partir do método matricial dos mínimos quadrados e a escolha do melhor modelo foi em função dos parâmetros estatísticos RMSE, MBE e μ. A partir do modelo representativo a cada um dos sistemas chuva-vazão, aplicou-se a transformada Z para tempo discreto, seguido da representação em função de transferência e da análise dos polos do polinômio característico (raízes do denominador da função de transferência). Os polos indicam se os sistemas dinâmicos são estáveis ou instáveis e essa estabilidade está associada a capacidade do sistema chuva-vazão em alcançar uma condição estacionária (equilíbrio), dada a variabilidade da precipitação. Para a modelagem ARX, os resultados mostraram que os modelos tendem a estimar com maior erro relativo percentual as vazões de pico que as vazões mínimas, o que foi explicado pelos erros e incertezas evidenciados nos processos na obtenção da vazão pela curva-chave e na metodologia de interpolação espacial da precipitação. Já na análise de estacionariedade, os resultados mostraram que, embora o teste de Mann-Kendall tenha indicado a não-estacionariedade para seis das dez séries de vazão QA, esse comportamento foi explicado pelo MASD e associada a não-estacionariedade à condição transitória dos sistemas chuva-vazão em busca de um novo equilíbrio. O método MASD indicou que todos os dez sistemas chuva-vazão são estáveis e, portanto, dado um equilíbrio (estacionariedade) na precipitação PA, a vazão QA obrigatoriamente será estacionária em algum momento no tempo, mesmo que ainda não tenham atingido essa condição para o período analisado. Palavras-chave: Modelagem estocástica. Sistema dinâmico. Mann-Kendall, sistema chuva-vazão. Função de transferência. Variáveis hidroclimáticas.Item Past and future responses of soil water to climate change in tropical and subtropical rainforest systems in South America(Universidade Federal de Viçosa, 2023-07-27) Márquez Arévalo, Santiago Maria; Delgado, Rafael Coll; http://lattes.cnpq.br/5173790071130484The Tropical Longleaf Forests Biome in South America (Biome 1 according to the WWF classification), composed mainly by the Amazon Rainforest and the Atlantic Forest, covers a representative portion of the planet's biodiversity. In the last decades (2001-2021) significant alterations in the use of the soil in this biome have been evidenced, threatening the future existence of the forests as known. From the evaluation of the variable Volumetric Soil Moisture (VSM), relating it with the hydric state, it was evaluated the state of the totality of the biome in the continent through maps and simulation with the Autoregressive Integrated Moving Average Model (ARIMA) making the forecast of the future climatic scenario based on the El Niño- Southern Oscillation (ENOS), meteorological systems. The use of Shared Socioeconomic Pathways (SSP) integrates the socio-political dynamics evident in the region to generate scientific advances in the search for effective strategies and actions for the monitoring and preservation of forests on the continent. A local scale analysis was also carried out for the Brazilian states of Acre and Rio de Janeiro. The results showed an increase in temperature and an increase in the amplitude of variation of precipitation in the biome. The use of ARIMA modeling showed changes up to 0.24 m3m-3 and increase in amplitude for future VSM values. Values were obtained in the range of (0.05 to 0.44 m3m-3), the December-January-February quarter (DJF) showed the highest average VSM value, while the June-July-August quarter (JJA) evidenced the lowest record. The lowest VSM records were in southern Amazonia (Ecuador, Peru, the Brazilian states of Acre, Mato Grosso, Pará and Maranhão) and in the Brazilian Atlantic Forest, the Southeast Region and the state of Bahia. Keywords: Biomes. Drought Vulnerability. Future simulation. ARIMA AnalysisItem Impact of precipitation extremes on energy production across the São Francisco river basin(Universidade Federal de Viçosa, 2023-07-21) Santos, Josielton da Silva; Justino, Flávio Barbosa; http://lattes.cnpq.br/4408211322689903The Brazilian electrical system is predominantly hydrothermal, with hydroelectric power plants (HPP’s) dependent on rainfall variability. The São Francisco river basin plays a fundamental role in the country's electricity production with HPP’s in the Northeast and Southeast regions. However, climate extremes events have affected the energy production. To manage the use of HPP’s to avoid energy shortage during dry periods and the activation of thermal power plants, is a challenge as it increases production costs and may result in water wastage during rainy periods. The main variables influencing operational decisions are Stored Energy (STE) and Affluent Natural Energy (ANE), used to calculate the Marginal Cost of Operation (MCO) and the Settlement Price of Differences (SPD). The current study investigates the relationships between these variables and climate precipitation extremes events in the São Francisco river basin. Spatial distribution and trends of 11 extremes precipitation indices are analyzed. The seasonality, trends, and correlation between the energy variables and the extreme indices are also investigated. Three machine learning algorithms (Random Forest, Artificial Neural Networks, and k-Nearest Neighbors) were applied as regression models to estimate the energy variables (ANE, STE, MCO, and SPD). Correlations between energy variables show the impact of changes in ANE and STE availability in the São Francisco river basin on MCO and SPD, in the Northeast and Southeast/Midwest subsystems. ANE and STE showed downward trends, while MCO and SPD experienced an upward trend. Furthermore, the seasonal behavior throughout the year was demonstrated for STE and ANE, influenced by extreme precipitation rates in different time scales. Trends indicate a reduction in total precipitation (PRCTOT) and the number of wet days (CWD), as well as an increase in the number of dry days in the basin (CDD). Results based on machine learning algorithm indicate that it is reasonable to efficiently estimate ANE and STE using extremes precipitation data. These findings have significant implications for the planning and management of the Brazilian electricity sector, contributing to strategic decision-making and the formulation of public policies that ensure the country's energy security. Keywords: Affluent Natural Energy. Stored Energy. Prediction.Item Áreas protegidas do cerrado: vulnerabilidade e adaptação às mudanças climáticas(Universidade Federal de Viçosa, 2023-07-21) Castro, Mirele Pereira; Torres, Roger Rodrigues; http://lattes.cnpq.br/1587082944802729A preocupação com a manutenção do bioma Cerrado e sua relevância ecológica faz com que as estratégias de conservação in situ de áreas protegidas sejam estabelecidas. O presente estudo tem o objetivo de fornecer uma caracterização atualizada da vulnerabilidade ambiental das áreas protegidas do cerrado brasileiro diante as mudanças climáticas, utilizando os novos cenários socioeconômicos SSPs (Shared Socioeconomic Pathways) e dados em alta resolução provenientes do NEXGDDP-CMIP6, como ferramenta de avaliação. Para isso, foi utilizado o Índice Regional de Mudanças Climáticas (RCCI), que sintetiza dados provenientes das projeções climáticas. Avaliou-se o comportamento da vegetação no período de 1990 a 2021, utilizando a plataforma MapBiomas versão 7.1. Foi classificada a vulnerabilidade das áreas protegidas dividindo os valores de risco e resiliência em 4 partes iguais (25% de cada elemento). Foram descritas as vias de adaptação: refúgios, manutenção do ecossistema, adaptação natural e transições facilitadas, para cada área protegida. Os resultados mostraram que 91,6% das áreas protegidas do Cerrado estão classificadas entre os riscos alto e moderado, enquanto as áreas de baixo risco representam 8,4%. A resiliência das áreas varia entre alta e moderada ao longo do bioma, sendo que, 92,8% das áreas demonstram alta resiliência e apenas 7,2% moderada. As áreas apresentam baixa vulnerabilidade ambiental, no entanto, aproximadamente 15,4% dessas áreas estão classificadas como vulnerabilidade moderada e 0,5% apresentam alta vulnerabilidade. A implementação da via de adaptação manutenção do ecossistema foi indicada a 256 áreas protegidas, e representa aproximadamente 65,5% das áreas analisadas. A via de adaptação refúgios foi recomendada para 18,7% das áreas analisadas. Os resultados obtidos por meio da utilização do RCCI e MapBiomas demonstraram de maneira efetiva a vulnerabilidade ambiental das áreas protegidas do Cerrado brasileiro. As informações são pertinentes para embasar a formulação de estratégias de conservação com base na projeção da exposição climática futura. Palavras-chave: Conservação da Biodiversidade. Condições climáticas. Modelos Climáticos.Item Eventos climáticos extremos nas bacias hidrográficas da África Subsaariana(Universidade Federal de Viçosa, 2023-08-02) Zita, Lormido Ernesto; Justino, Flávio BarbosaA África Subsaariana é considerada a região mais vulnerável às mudanças climáticas globais e aos seus impactos devido aos baixos níveis de desenvolvimento econômico e tecnológico. Em decorrência das mudanças climáticas, os eventos extremos climáticos têm sido mais intensos e frequentes nos últimos anos impactando em 40% dos 360 milhões de habitantes na SSA. Tais impactos incluiu secas prolongadas, chuvas intensas, cheias e até mesmo inundações. Este estudo teve como objetivo avaliar comportamento dos eventos extremos climáticos na África Subsaariana e a sua relação com o El Niño Oscilação Sul. Com base nos dados diários de reanálise do ERA5 e dos modelos da NEX-GDDP-CMIP6 avaliou-se 9 índices climáticos extremos proposto pelo Expert Team on Climate Change Detection Monitoring and Indices (ETCCDMI), em seguida foram aplicados os testes não paramétricos de Mann-Kendall e o estimador de tendência linear Sem. Os resultados revelaram uma tendência estatisticamente significativa da precipitação total anual (PRCPTOT) diminuir, no Centro e Norte da SSA juntamente com dias úmidos consecutivos (CWD) e quantidade máxima da precipitação em cinco dias (Rx5days), ao passo que a duração do período de dias secos consecutivos (CDD) e a intensidade da quantidade da precipitação em um dia (Rx1day) aumentaram. Ainda foi possível identificar o aumento generalizado dos eventos temperatura do ar (TNn, TNx, TXx e TXn) no sentido Sul-Norte da SSA. Em geral, a variabilidade interanual dos índices mostrou uma correlação positiva com os anos de ocorrência de ENOS, identificando ocorrência de secas no Centro e Norte da África Subsaariana. Palavras-chave: Modelagem. Variabilidade interanual. Mudanças climáticas.Item Análise das descargas atmosféricas e queimadas ao longo das linhas de transmissão nos estados do PR, SP e RJ(Universidade Federal de Viçosa, 2023-02-28) Alves, Leticia Prechesniuki; Justino, Flávio Barbosa; http://lattes.cnpq.br/6698332264545388As descargas atmosféricas e as queimadas são as principais causas de desligamentos não programados nas linhas de transmissão de energia, causando danos consideráveis ao setor elétrico. O presente estudo tem como objetivo identificar os padrões de temperatura, precipitação, CAPE (Energia Potencial Convectiva Disponível) e índices extremos associados aos desligamentos devido a ocorrência de raios e queimadas, nos estados do PR, SP e RJ Sul no período de 2013 a 2020. Para isso, foram utilizados dados de descargas atmosféricas da Rede Integrada Nacional de Detecção de Descargas Atmosféricas (RINDAT) da Rede Brasileira de Detecção de Descargas Atmosféricas (BrasilDAT) e focos de calor do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) compreendendo um período de 2005 a 2020. Dados de reanálises do ERA5 (temperatura, precipitação e CAPE) foram utilizados, para definir os padrões das váriáveis na ocorrêndia de raio e queimada. Foram fornecidos dados de desligamentos oriundos de descargas atmosféricas e queimadas pela ANEEL. Os resultados mostraram que São Paulo apresentou a maior quantidade de raios no verão e primavera e as queimadas no inverno e primavera ao longo das linhas de transmissão (LTs) em relação ao PR e RJ. Em relação ao total de desligamentos em torno da LT fornecidos pela ANNEL, oriundos de raios e queimadas no período de 2013 a 2020, 45% e 37,5% foram identificados como possível canditado ao desligamento por raio e queimada. Os padrões de temperatura, precipitação e CAPE, relacionadas as datas e horários de desligamento, apresentaram valores médios de temperatura igual ou próximo ao valor climatológico no entorno da LT. Em relação a precipitação, os resultados indicaram que parte dos desligamentos ocorrem com a presença de raios, seguidos de pouca precipitação, sendo mais propício para queimadas. A CAPE apresentou valor médio de 1488,17 J/kg, os valores correspondentes não são altos, mas podem estar associados a tempestades. Palavras-chave: Energia. Desligamentos. RaioItem Rainfall erosivity in Brazil(Universidade Federal de Viçosa, 2023-03-29) Teixeira, David Bruno de Sousa; Cecílio, Roberto Avelino; http://lattes.cnpq.br/5227260851683986The phenomenon known as rainfall erosivity (RE) expresses the ability of rainfall to cause soil erosion. Thus, the estimation of RE magnitudes is relevant for understanding how the erosive processes vary in time and space. Considering this, the present thesis explores the main aspects of RE in Brazil. In Chapter 1, an in-depth review of scientific literature on the RE assessment in Brazil is shown. It was found that the EI 30 has been the most employed erosivity index, while the use of pluviographic rainfall data and regression equations are the main methods for obtaining erosivity values. Kriging is the most widespread technique for obtaining RE maps in Brazil. Furthermore, the Southeast region accounts for the largest number of erosivity studies, while the North has a major lack of erosivity information. The advancements over the last decade are characterized by the use of synthetic series of rainfall and remote sensing products to estimate erosivity, as well as the use of machine learning techniques for its interpolation. In Chapter 2, a large national database was used to assess the RE patterns in time and space over the Brazilian territory. The results show that the mean annual RE value is 5,620 MJ mm ha -1 h -1 year -1 , with considerable spatial variation over the country. The RE values are more equitably distributed throughout the year in the southern region, while in some spots of the northeastern region, it is irregularly concentrated in specific months. Further analyses revealed that the annual RE gravity center for Brazil is in the Goiás State and that it presents a north- south migration pattern throughout the months. Complementarily, the erosivity density magnitudes allowed the identification of high-intensity rainfall spots. Additionally, the Brazilian territory was divided into eleven homogeneous regions regarding the RE patterns and for each defined region, a regression model was adjusted and validated. These models’ statistical metrics were considered satisfactory and, thus, can be used to estimate RE values for the whole country using monthly rainfall depths. In Chapter 3 machine learning techniques were applied to obtain an annual RE map for Brazil. According to the accuracy metrics analyzed, Random Forest (RF) is considered the model with the best prediction performance for mapping the annual RE. The covariates with higher importance for the predictions were the total annual rainfall, rainfall depth for August, and rainfall of the coldest quarter. Further analysis revealed that the northeastern of the country as well as the Serra do Mar mountains region are characterized as the areas with the highest uncertainties in the values mapped. The created map is considered an advancement regarding the availability of accurate RE values in the country. The present thesis shows the most complete panorama of the RE phenomenon in Brazil shown in the literature so far. Therefore, the values, maps, and analysis shown are relevant for improving the accuracy of soil loss estimates and for the establishment of soil conservation planning on a national scale. Keywords: Erosivity index. Universal Soil Loss Equation. Soil and water conservation. Erosivity density. Machine learning.Item Transformação da máxima precipitação diária para estabelecimento de equações de chuvas intensas: nova proposta(Universidade Federal de Viçosa, 2022-07-19) Almeida, Laura Thebit de; Cecílio, Roberto Avelino; http://lattes.cnpq.br/7803863779089397O conhecimento do comportamento das intensidades máximas das chuvas é fundamental para o dimensionamento de estruturas hidráulicas, planejamento do uso da terra e dos recursos hídricos, previsão de desastres, dentre outros. A forma mais adequada de caracterização das chuvas intensas em determinada localidade é por meio das curvas de intensidade, duração e frequência (IDF), ajustadas a partir da análise de pluviogramas. Apesar de sua importância, no Brasil há disponibilidade de apenas 373 equações de IDF ajustadas desta forma. Outra alternativa é por meio da desagregação das chuvas de um dia, por meio do Método de Relação de Chuvas de Diferentes Durações (rcdd), que utiliza coeficientes de desagregação de chuvas específicos para cada duração e com características locais. Entretanto esse método também apresenta a limitação de um conjunto restrito de coeficientes de desagregação para o território brasileiro. Assim, o presente estudo propõe o método da Transformação da Máxima Precipitação Diária (tmdp), baseado no uso de coeficientes de transformação (ct) da máxima lâmina de chuva diária em intensidade máxima de precipitação, para posterior estabelecimento de equações IDF. O método utiliza-se da relação entre as intensidades máximas obtidas por equações de IDF disponíveis em literatura com a máxima lâmina de chuva diária de estações pluviométricas. Os resultados obtidos foram promissores, os erros entre os métodos foram aproximados, com média do RMSE em torno de 17 mm h -1 . O método proposto mostrou-se mais promissor em regiões do país que apresentam maior densidade de informação da equação de IDF, apresentando melhores resultados comparados às demais regiões de baixa e média densidade de equações de IDF. Palavras-chave: Chuva. Intensidade-Duração-Frequência. Pluviométrico. Pluviográfico.
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