Spatio-temporal dynamics of flying rivers: assessment of precipitation model effectiveness and its influence on the SACZ

Abstract

The Amazon Rainforest plays a fundamental role in regulating global and regional climate patterns, sustaining one of the most complex hydrological cycles on the planet. Its continuous evapotranspiration process generates atmospheric moisture, which is essential for the formation of both local and distant rainfall, contributing to moisture redistribution through the so-called "Flying Rivers." These large-scale atmospheric moisture transport systems carry vast amounts of water vapor from the Amazon Basin to other regions of South America, particularly southeastern Brazil, ensuring the continuity of precipitation and influencing the regional hydrological regime. However, increasing deforestation and climate change have significantly disrupted this process, compromising the intensity and consistency of the Flying Rivers and, consequently, altering precipitation patterns in southeastern Brazil. One of the primary meteorological systems influenced by the Flying Rivers is the South Atlantic Convergence Zone (SACZ), a key climatic phenomenon responsible for rainfall distribution in southeastern Brazil, especially during the austral summer. The SACZ is characterized by an extensive band of cloud cover and precipitation stretching from the Amazon to the South Atlantic Ocean, regulating water availability, agricultural productivity, and the frequency of extreme climate events such as droughts and floods. Given this climatic interconnectivity, this study aims to assess the variability of precipitation patterns associated with the SACZ and its relationship with the Flying Rivers using advanced remote sensing techniques, climate modeling, and statistical analysis. First, four widely used climate models were analyzed to forecast precipitation, applying statistical approaches to a 20-year time series to evaluate their accuracy against in situ measurements. Additionally, cluster analyses were conducted to examine seasonal rainfall patterns across Brazil and assess the influence of environmental and climatic factors—including temperature, evapotranspiration, NDVI, and topography—on precipitation distribution. Finally, the relationship between SACZ precipitation patterns and other atmospheric phenomena was analyzed over a 21-year period to better understand atmospheric moisture circulation dynamics and its hydrological impacts in Minas Gerais. The results highlight the increasing vulnerability of southeastern Brazil to changes in moisture transport patterns, with significant implications for water resource management and climate adaptation strategies. The use of advanced Big Data techniques and machine learning improved the predictive analysis of precipitation patterns, reinforcing the importance of integrating satellite data with ground-based measurements for effective climate monitoring. Keywords: Amazon Rainforest; Flying Rivers; South Atlantic Convergence Zone (SACZ); Climate Change; Remote Sensing; Precipitation Patterns; Climate Modeling.

A Floresta Amazônica desempenha um papel fundamental na regulação dos padrões climáticos globais e regionais, sendo responsável por sustentar um dos ciclos hidrológicos mais complexos do planeta. Seu processo contínuo de evapotranspiração gera umidade atmosférica essencial para a formação de chuvas locais e distantes, contribuindo para a redistribuição de umidade através dos chamados "Rios Voadores". Esses sistemas atmosféricos de transporte de vapor d'água deslocam grandes volumes de umidade da Bacia Amazônica para outras regiões da América do Sul, especialmente para o Sudeste do Brasil, garantindo a manutenção da precipitação e influenciando o regime hidrológico regional. No entanto, o desmatamento, que tem levado à degradação da floresta e as mudanças climáticas têm afetado significativamente esse processo, comprometendo a intensidade e regularidade dos Rios Voadores e, consequentemente, alterando os padrões de precipitação no Sudeste brasileiro. Um dos principais sistemas meteorológicos influenciados pelos Rios Voadores é a Zona de Convergência do Atlântico Sul (ZCAS), um fenômeno climático de grande importância para a distribuição das chuvas no Sudeste, especialmente durante o verão austral. A ZCAS é caracterizada por uma extensa banda de nebulosidade e precipitação que se estende da Amazônia ao Oceano Atlântico Sul, modulando a disponibilidade hídrica, a produtividade agrícola e a ocorrência de eventos climáticos extremos, como secas e enchentes. Diante dessa interconectividade climática, o presente estudo teve como objetivo avaliar os padrões de precipitação associados à ZCAS e sua relação com os Rios Voadores, utilizando técnicas avançadas de sensoriamento remoto, modelagem climática e análise estatística. Primeiramente, foram analisados quatro modelos climáticos amplamente utilizados para prever precipitação, aplicando abordagens estatísticas a uma série temporal de 20 anos para avaliar sua precisão em comparação com medições in situ. Além disso, foram realizadas análises de agrupamento para investigar padrões sazonais de chuva no Brasil, bem como a influência de fatores ambientais e climáticos, como temperatura, evapotranspiração, NDVI e relevo, na distribuição das precipitações. Por fim, a relação entre os padrões de precipitação da ZCAS e outros fenômenos atmosféricos foi examinada em uma escala temporal de 21 anos, buscando compreender a dinâmica da circulação de umidade atmosférica e seus impactos hidrológicos em Minas Gerais. Os resultados destacam a crescente vulnerabilidade do Sudeste do Brasil às mudanças nos padrões de transporte de umidade, com implicações significativas para a gestão de recursos hídricos e estratégias de adaptação climática. O uso de técnicas avançadas de Big Data e aprendizado de máquina permitiu aprimorar a análise preditiva dos padrões de precipitação, evidenciando a importância da integração de dados de satélite e medições terrestres para monitoramento climático. Este estudo contribui para o avanço do conhecimento sobre os impactos das mudanças na Floresta Amazônica na variabilidade climática regional, reforçando a necessidade de políticas de conservação e mitigação para garantir a sustentabilidade dos recursos hídricos e a resiliência climática no Brasil. Palavras-chave: Floresta Amazônica; Rios Voadores; Zona de Convergência do Atlântico Sul (ZCAS); Mudanças Climáticas, Sensoriamento Remoto; Padrões de Precipitação; Modelagem Climática.