Submitted by Reginaldo Soares de Freitas (reginaldo.freitas@ufv.br) on 2016-08-10T16:51:32Z No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 4971573 bytes, checksum: 58b7710355f53c458a761479efffe9cd (MD5) / Made available in DSpace on 2016-08-10T16:51:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 4971573 bytes, checksum: 58b7710355f53c458a761479efffe9cd (MD5) Previous issue date: 2016-03-29 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológica / O delineamento de regiões hidrologicamente homogêneas é um procedimento essencial para provimento de informações indispensáveis aos trabalhos de modelagem, planejamento e gestão de recursos hídricos. A definição de estratégias de manejo e conservação dos recursos naturais, especialmente, em regiões com escassez de dados, como no caso da Amazônia, depende de informações obtidas por meio da identificação de regiões hidrologicamente homogêneas. Assim, este trabalho teve como objetivo o aprimoramento metodológico para a identificação das regiões hidrologicamente homogêneas na Região Hidrográfica Amazônica com base na variação das precipitações mensais ao longo do ano. A metodologia envolveu a aplicação de cinco métodos existentes e de um método híbrido aprimorado, com o desenvolvimento de um novo conceito denominado entropia indexada (Hi), aplicado em conjunto com a análise de agrupamento pelo método Ward. Os resultados da análise da variação das precipitações mensais nas regiões hidrologicamente homogêneas identificadas para a Região Hidrográfica Amazônica atestaram as potencialidades e limitações das metodologias existentes. Os resultados obtidos com o método aprimorado foram consistentes considerando a variação das precipitações mensais ao longo do ano, os aspectos hidroclimatológicos e ambientais nas regiões hidrologicamente homogêneas identificadas. / The delineation of hydrologically homogeneous regions is an essential procedure to provide information for works involving modeling, planning and management of water resources. The definition of strategies for management and conservation of natural resources, especially in regions with lack of data, as in the Amazonia, depends on information obtained with the delineation of hydrologically homogeneous regions. This work aimed to improve a methodology for delineation of hydrologically homogeneous regions in the Amazon basin region, considering the monthly rainfall variation. The methodology involved the application of five existing methods and of an improved hybrid method, with the development of a new concept called indexed entropy (Hi) applied as variable in Ward’s cluster analysis method, were applied for this purpose. The results of monthly rainfall variation in the delineated hydrologically homogeneous regions attested the potential and limitations of the existing methodologies applied for the Amazon basin region. The results with the developed method were consistent, considering the monthly rainfall variation, the hydroclimatic and environmental aspects in the delineated hydrologically homogeneous regions.

Tendo em vista o papel que as chuvas exercem sobre águas continentais e a consequente disponibilidade hídrica para abastecimento, geração de energia, produção de alimentos e a dinâmica climatológica regional, o estudo de periodicidades nas variações em séries temporais pluviométricas têm impactos relevantes para o planejamento dos recursos hídricos. A precipitação, enquanto elemento do sistema climático, está em função de fatores internos e forçantes extraterrestres. Dentre estas, a força da gravidade da lua tem papel significativo como motor das marés oceânicas e sua influência na distribuição da massa e calor em escala global. Com o objetivo de identificar longos períodos de variação hidroclimática, esse trabalho investigou ciclos em escala decenal na variabilidade de seis séries longas de precipitação na região hidrográfica do Paraná no Sudeste Brasileiro, e sua potencial relação com o ciclo nodal de 18,6 anos. Para alcançar esse objetivo, além das análises estatísticas clássicas de dados, foi utilizado o filtro HP com o intuito de separar componentes de cíclicas e de longo prazo. Foi utilizada a metodologia de análise espectral de dados, como Fourier e a transformada em wavelet, que determina o poder das componentes dentro de uma série temporal. As análises estatísticas e o filtro HP foram importantes na visualização e detecção de períodos persistentes de desvios em relação aos valores médios. A ferramenta de transformada em wavelet apontou para robusta presença de periodicidades decenais em todas as séries, sendo as mais significativas 9 anos e 19 anos para todas as séries, com significância superior a 95%. Os resultados sugerem uma aparente anticorrelação, ou seja, o mínimo do ciclo nodal coincide com um incremento nos totais pluviométricos na região. Assim, essas informações da influência podem aprimorar a previsibilidade de condições hidrológicas interdecenais médias e aquelas variáveis socioeconômicas que são sensíveis à precipitação. / Considering the role of rainfall on continental waters and resulting water availability for water supply, energy generation, food production and regional climatological dynamics, the study of periodicities in variations in rainfall time series has a relevant impact on resource planning Water resources. Precipitation, as an element of the climate system, is a function of internal factors and extraterrestrial forcing. Among these, the force of gravity of the moon plays a significant role as the motor of the ocean tides and its influence on the distribution of mass and energy on a global scale. In order to identify long periods of hydroclimatic variation, this work investigated decadal scale cycles in the variability of six long series of precipitation in the Paraná hydrographic region in southeastern Brazil, and its potential relation with the nodal cycle of 18.6 years. To achieve this goal, in addition to the classic statistical data analysis, the HP filter was used in order to separate components from cyclical/random and long term. We use the spectral data analysis methodology, such as Fourier and the wavelet transform, which determines the power of the components within a time series. Statistical analyzes and the HP filter were important in visualizing and detecting persistent periods of deviations from mean values. The wavelet transform analysis pointed to robust presence of decadal periodicities in all series, being the most significant 9 years and 19 years for all series, with significance higher than 95%. The results suggest an apparent anticorrelation, that is, the minimum of the nodal cycle coincides with an increase in the total rainfall in the region. Thus, this influence information can enhance the predictability of medium interdecadal hydrological conditions and those socioeconomic variables that are sensitive to precipitation.

Orientador: Thiago Sanna Freire Silva / Resumo: Os sistemas montanhosos são laboratórios naturais para análise de gradientes. Elevação, amplitude e diferenças topográficas em montanhas podem criar fortes diferenças microclimáticas a curtas distâncias, aninhadas dentro da mesma região biogeográfica e macroclimática, permitindo-nos compreender melhor as respostas da vegetação e os feedbacks sobre a disponibilidade de água. Neste estudo, avaliamos como a distribuição da vegetação está ligada à disponibilidade de água na Serra do Espinhaço. Para tanto, abordamos as seguintes questões: 1) Quais são os regimes hidroclimáticos encontrados na Serra do Espinhaço e seus correspondentes tipos de vegetação? 2) Onde a produtividade da vegetação é mais e / ou menos acoplada aos regimes hidroclimáticos? 3) A topografia é capaz de impactar a produtividade da vegetação e suas relações de acoplamento com regimes hidroclimáticos? Além disso, considerando estas relações ambientais e de vegetação, 4) Como a resiliência climática dos tipos de vegetação nesta região varia? Conclui-se que na faixa do Espinhaço, a maior parte da dinâmica de produtividade da vegetação espaço-temporal é impulsionada por condições hidroclimáticas e / ou topo-edáficas. Nossos resultados mostram que a vegetação da Caatinga teve uma resposta plástica e relativamente rápida ao Déficit Hídrico Climático (CWD) e foi o tipo de vegetação com maior restrição hídrica. Cerrado e Campos Rupestres tiveram respostas semelhantes às flutuações no déficit hídrico, mostrando um gradie... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Montane systems are natural laboratories for gradient analysis. Elevation, amplitude and topographical differences over mountains can create strong microclimatic differences over short distances, nested within the same biogeographic and macro-climatic region, thus allowing us to better understand vegetation responses and feedbacks to water availability. In this study, we assessed how vegetation distribution is linked to water availability in the Espinhaço Mountain Range. For that, we addressed the following questions: 1) Which are the hydroclimatic regimes found in the Espinhaço Range and their corresponding vegetation types? 2) Where does vegetation productivity is more and/or less coupled to hydroclimatic regimes? 3) Is topography able to impact vegetation productivity and its coupling relations to hydroclimatic regimes? Also, considering these environmental and vegetation relationships, 4) How does the climatic resilience of the vegetation types in this region vary? We conclude that in the Espinhaço Range, most of the spatio-temporal vegetation productivity dynamics are driven by hydroclimatic and/or topo-edaphic conditions. Our results show that “Caatinga” vegetation had a plastic and relatively fast response to Climatic Water Deficit (CWD) and was the most water-constrained vegetation type. “Cerrado” and “Campos Rupestres” had similar responses to fluctuations in water deficit, showing a gradient of slower to faster responses from “Humid” to “Very dry” hydroclimatic regi... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Made available in DSpace on 2015-03-26T13:50:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 1909494 bytes, checksum: 2658c6c847f7e2b3baba9e3f4521c71d (MD5) Previous issue date: 2013-11-27 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Streamflow regionalization aims to supply the hydrological information lack in places where there are little or no data availability, and the knowledge and improvement of this technique is of great importance for a safer streamflow estimate. This study aimed to improve the procedure of low flow and average streamflow regionalization, considering an explanatory variable that represents the actual evapotranspiration in the process of streamflow formation. The study was performed for two basins of San Francisco river: a subbasin of Paracatu river, being evaluated the long-term average streamflow (Qmld), the minimum streamflow present 95 % of the time (Q95), and the minimum streamflow of seven days duration associated with a ten years return period (Q7,10); and the Pará basin, being evaluated just Q7,10. The independent variables were the drainage area (A), the streamflow equivalent to the rainfall volume (Peq), the streamflow equivalent to the rainfall volume minus 750 mm (Peq750) and streamflow equivalent to the rainfall volume minus the estimated average actual evapotranspiration in the basin (PeqETR). We evaluated regionalization performance through three analysis: statistics, physical behavior and risk. The PeqETR provided the best statistical adjustments for the three streamflows analyzed in the Paracatu subbasin, however, while this was the variable that best represented the physical behavior and safer estimatives for low flows, the Peq750 had more representative estimates to average streamflow. For Pará basin, the use of PeqETR as an explanatory variable created the best statistical adjustments and a better representation of the physical and risk behavior of the dependent variable analyzed. Thus, the use of the explanatory variable that represents the actual evapotranspiration provided, in the subbasins analysed, best statistical adjustments and, with the exception of average streamflow, a physical analysis more representative and reliable. / A regionalização de vazões visa suprir a carência de informações hidrológicas em locais com pouca ou nenhuma disponibilidade de dados, sendo o conhecimento e o aprimoramento dessa técnica de grande importância para estimativas mais seguras das vazões. Esse trabalho teve como objetivo aperfeiçoar o procedimento de regionalização de vazões mínimas e média, considerando uma variável explicativa que representa a evapotranspiração real no processo de formação de vazões. O estudo foi realizado em duas bacias do rio São Francisco: uma sub- bacia do rio Paracatu, onde foram avaliados a vazão média de longa duração (Qmld), a vazão mínima com permanência de 95% do tempo (Q95) e a vazão mínima com sete dias de duração associada a um período de retorno de dez anos (Q7,10); e a bacia do rio Pará, na qual foi avaliado apenas a Q7,10. As variáveis independentes utilizadas foram a área de drenagem, a vazão equivalente ao volume precipitado (Peq), a vazão equivalente ao volume precipitado menos 750 mm (Peq750) e a vazão equivalente ao volume precipitado menos a média estimada da evapotranspiração real na bacia (PeqETR). Avaliou-se o desempenho da regionalização por meio de três análises: estatística, comportamento físico e risco. A PeqETR proporcionou os melhores ajustes estatísticos para as três vazões analisadas na sub-bacia do rio Paracatu, contudo, enquanto essa variável foi a que representou o melhor comportamento físico e estimativas mais seguras das vazões mínimas, a Peq750 foi a que teve estimativas mais representativas da vazão média. Para a bacia do rio Pará, o uso da PeqETR como variável explicativa gerou os melhores ajustes estatísticos e uma melhor representação do comportamento físico e de risco da variável dependente analisada. Assim, o uso da variável explicativa que considera a evapotranspiração real proporciou, nas bacias estudadas, os vmelhores ajustes estatísticos e, com exceção da vazão média, uma análise física mais representativa e segura.

Made available in DSpace on 2015-03-26T13:50:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 3154339 bytes, checksum: 5bcec4c6d19bac14870e03d65c9a02e8 (MD5) Previous issue date: 2011-07-29 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Changes in weather patterns are the planet's natural phenomena, alternating between periods of glacial and interglacial oscillations, which are associated with abnormalities of sea surface temperatures (SST) unleash strong climate variability. Thus, this work sought to understand how the climate of South America responds according to the amendment of the orbital parameters (Milankovitch cycles) and concentrations of greenhouse gases (GHG), as well as the influences that the modules of variability as ENOS and Atlantic Dipole exert on the distribution of climatic variables (temperature, relative humidity, precipitation) for the period known as the Middle Holocene (HM-6000 years before present). Having as base the model coupled Ocean-Atmosphere CCSM (Community Climate System Model) developed by the National Center for Atmospheric Research (NCAR). The results were compared to reconstructions made by dating, and the influences of ENOS and Atlantic Dipole were assessed by statistical technique Empirical Orthogonal Functions (EOF). The model showed that the temperatures in South America were smaller than today, except to the South between the pampas and Andes Chileans during the summer. The North of the continent was more humid throughout the year, while the Southeast was dry. The results are in line with the reconstructions undertaken through dating. The precipitation fields showed a seasonal variation on the Northeast and North of the continent while throughout the year in the central regions, East and South the precipitation was lower. The contrast in temperature also was noted for the Northeast region with rising temperatures during summer and fall during the winter, the rest of the continent remained current with same conditions only weakening of temperatures and a dipole between North and South of the continent. By analysis of EOFO, noticed that the El Nino during the HM was less intense representing 52.34% of the variance of the data in the summer and winter (36.8% in summer observed 73.45%; 53.57% observed winter; summer simulated 53.64%; Simulated winter 53.5%). The dominant mode in the equatorial Atlantic was responsible for 29.56% of the variance of the data in the summer and winter (27.41% in summer observed 33.23%; winter observed 29.02%; simulated summer 32.48%; Simulated winter 27.41%). Already the dominant mode of the South Atlantic for the HM accounted for 17.3% of the variance of the data for the summer and 13.4% for winter (summer observed 16.6%; winter observed 14.9%; simulated summer 19.59%; simulated winter 15.67%). This way one can conclude that the model of CCSM is a good tool for assessing the climate succession of South America, as its results are according to the reconstructions for dating. / Alterações nos padrões climáticos são fenômenos naturais do planeta, alternando períodos glaciais e interglaciais, que associados às anomalias das Temperaturas da Superfície do Mar (TSM) desencadeiam forte variabilidade climáticos. Este trabalho buscou entender como o clima da América do Sul responde às alterações dos parâmetros orbitais (Ciclos de Milankovitch) e às concentrações de gases de efeito estufa (GEE), bem como às influências que os módulos de variabilidade climática, como ENOS, Dipolo do Atlântico e Atlântico Sul, exercem sobre a distribuição das variáveis climáticas (temperatura, umidade relativa, precipitação) para o período conhecido como Holoceno Médio (HM-6000 anos antes do presente). Tendo como base o modelo acoplado Oceano- Atmosfera CCSM (Community Climate System Model) desenvolvido pelo National Center for Atmospheric Research (NCAR). Os resultados foram comparados às reconstruções feitas por datação. As influências do ENOS e Dipolo do Atlântico foram avaliadas pela técnica estatística Funções Ortogonais Empíricas (FOE). O modelo mostrou que as temperaturas na América do Sul eram menores que as atuais, exceto ao sul entre os pampas e Andes chilenos durante o verão (dezembro, janeiro e fevereiro). O norte do continente era mais úmido durante todo o ano, enquanto sudeste era mais seco. Os resultados estão de acordo com as reconstruções realizadas por meio de datação. Os campos de precipitação mostraram uma variação sazonal sobre o nordeste e norte de continente enquanto que durante todo ano nas regiões central, sudeste e sul a precipitação era menor. O contraste nas temperaturas também foi observado para a região nordeste com aumento das temperaturas durante os meses de dezembro, janeiro e fevereiro e diminuição durante os meses de inverno (junho, julho e agosto). No restante do continente as condições não diferiram das atuais havendo apenas enfraquecimento das temperaturas e um dipolo entre norte e sul do continente. Pela análise de FOE, observamos que o El Niño durante o HM era menos intensos representando 52,34% da variância dos dados no verão e 36,8% no inverno (verão observado 73,45%; inverno observado 53,57%; verão simulado 53,64%; Inverno simulado 53,5%). O modo dominante no Atlântico Equatorial era responsável por 29,56% da variância dos dados no verão e 27,41% no inverno (verão observado 33,23%; inverno observado 29,02%; verão simulado 32,48%; inverno simulado 27,41%). Já o modo dominante do Atlântico Sul para o HM respondia por 17,3% da variância dos dados para o verão e 13,4% para o inverno (verão observado 16,6%; inverno observado 14,9%; verão simulado 19,59%; inverno simulado 15,67%). Desta maneira pode-se concluir que o modelo CCSM é uma boa ferramenta para avaliar a sucessão climática da América do Sul, pois seus resultados estão de acordo com as reconstruções por datação.

Tendo em vista o papel que as chuvas exercem sobre águas continentais e a consequente disponibilidade hídrica para abastecimento, geração de energia, produção de alimentos e a dinâmica climatológica regional, o estudo de periodicidades nas variações em séries temporais pluviométricas têm impactos relevantes para o planejamento dos recursos hídricos. A precipitação, enquanto elemento do sistema climático, está em função de fatores internos e forçantes extraterrestres. Dentre estas, a força da gravidade da lua tem papel significativo como motor das marés oceânicas e sua influência na distribuição da massa e calor em escala global. Com o objetivo de identificar longos períodos de variação hidroclimática, esse trabalho investigou ciclos em escala decenal na variabilidade de seis séries longas de precipitação na região hidrográfica do Paraná no Sudeste Brasileiro, e sua potencial relação com o ciclo nodal de 18,6 anos. Para alcançar esse objetivo, além das análises estatísticas clássicas de dados, foi utilizado o filtro HP com o intuito de separar componentes de cíclicas e de longo prazo. Foi utilizada a metodologia de análise espectral de dados, como Fourier e a transformada em wavelet, que determina o poder das componentes dentro de uma série temporal. As análises estatísticas e o filtro HP foram importantes na visualização e detecção de períodos persistentes de desvios em relação aos valores médios. A ferramenta de transformada em wavelet apontou para robusta presença de periodicidades decenais em todas as séries, sendo as mais significativas 9 anos e 19 anos para todas as séries, com significância superior a 95%. Os resultados sugerem uma aparente anticorrelação, ou seja, o mínimo do ciclo nodal coincide com um incremento nos totais pluviométricos na região. Assim, essas informações da influência podem aprimorar a previsibilidade de condições hidrológicas interdecenais médias e aquelas variáveis socioeconômicas que são sensíveis à precipitação. / Considering the role of rainfall on continental waters and resulting water availability for water supply, energy generation, food production and regional climatological dynamics, the study of periodicities in variations in rainfall time series has a relevant impact on resource planning Water resources. Precipitation, as an element of the climate system, is a function of internal factors and extraterrestrial forcing. Among these, the force of gravity of the moon plays a significant role as the motor of the ocean tides and its influence on the distribution of mass and energy on a global scale. In order to identify long periods of hydroclimatic variation, this work investigated decadal scale cycles in the variability of six long series of precipitation in the Paraná hydrographic region in southeastern Brazil, and its potential relation with the nodal cycle of 18.6 years. To achieve this goal, in addition to the classic statistical data analysis, the HP filter was used in order to separate components from cyclical/random and long term. We use the spectral data analysis methodology, such as Fourier and the wavelet transform, which determines the power of the components within a time series. Statistical analyzes and the HP filter were important in visualizing and detecting persistent periods of deviations from mean values. The wavelet transform analysis pointed to robust presence of decadal periodicities in all series, being the most significant 9 years and 19 years for all series, with significance higher than 95%. The results suggest an apparent anticorrelation, that is, the minimum of the nodal cycle coincides with an increase in the total rainfall in the region. Thus, this influence information can enhance the predictability of medium interdecadal hydrological conditions and those socioeconomic variables that are sensitive to precipitation.

Esta tese apresenta um estudo hidroclimático para a bacia hidrográfica do rio Piquiri-Pr, o trabalho desenvolve-se sob a égide sistêmica e a bacia hidrográfica entendida como unidade de análise da paisagem é a delimitação espacial escolhida para fornecer respostas à hipótese norteadora da pesquisa. O objetivo da pesquisa é compreender como ocorre a dinâmica hidroclimática na bacia em questão, para isso considera-se a precipitação pluviométrica e a vazão fluvial como elementos dinamizadores do sistema e o El Niño Oscilação Sul (ENOS) como o responsável por influenciar a variabilidade temporal desses elementos. Para isso buscou-se descrever estatisticamente a precipitação e a vazão fluvial, os dados de 41 postos pluviométricos foram fornecidos pelo Instituto das Águas do Paraná e os dados de três postos fluviométricos pela Agência Nacional de Águas (ANA) no período de 1976 a 2010. Por meio da correlação linear procurou-se explicar as relações existentes entre a precipitação pluviométrica e a vazão fluvial, calculou-se a evapotranspiração e o coeficiente de escoamento da bacia hidrográfica. Determinou-se a influência do ENOS na precipitação e na vazão fluvial utilizando-se dos dados do Índice de Oscilação Sul (IOS) disponibilizados pelo Bureau of Meteorology National Climate Centre da Austrália, a partir da correlação entre as variáveis e a aplicação do modelo GAMLSS (Modelos aditivos generalizados para posição, escala e forma) buscou-se explicar a participação do ENOS na variabilidade temporal da precipitação pluviométrica e da vazão. Com o desenvolvimento da pesquisa conclui-se que a vazão não é apenas resultante da precipitação, mas os processos de evapotranspiração e infiltração também influenciam na sua variabilidade. Com relação à influência do fenômeno ENOS, as correlações mostraram que o IOS influencia a precipitação e a vazão na bacia hidrográfica do rio Piquiri, com maior confiança, de um a três meses de defasagem, o modelo GAMLSS mostrou-se satisfatório para a determinação da influência do IOS nas variáveis precipitação e vazão. / This thesis presents a hydroclimatic study for the Piriqui watershed, Paraná State, Brazil. The study was developed under a systemic approach, and the watershed, understood as the unit of analysis of the landscape, was the spatial limit chosen to provide responses to the hypothesis guiding the research. The objective was to investigate the hydroclimatic dynamics of the watershed in question, considering precipitation and river flow as elements dynamizing the system and the El Niño Southern Oscillation (ENSO) as responsible for influencing the temporal variability of these elements. To this end, precipitation and river flow were described statistically. Data from 41 rain gauge stations in the period from 1976 to 2010 were provided by Instituto das Águas do Paraná and the river flow datas were provided by National Water Agency (Agência Nacional de Águas - ANA). Using linear correlation analysis, we explained the relationships existing between precipitation and river flow and calculated the evapotranspiration and the runoff coefficient of the drainage basin. The influence of ENSO on precipitation and river flow was determined using data from the Southern Oscillation Index (SOI) provided by the Bureau of Meteorology - National Climate Centre of Australia. The correlation between the variables and the application of the GAMLSS model allowed us to explain the participation of ENOS in the temporal variability of precipitation and flow. Through the development of the research, we concluded that the river flow results not only from precipitation, but the processes of evapotranspiration and infiltration may interfere with its variability. With respect to the influence of the ENSO phenomenon, the correlations revealed that SOI influences the precipitation and flow in the Piquiri watershed, with greater reliability with a delay of one to three months, and the GAMLSS model showed to be satisfactory for determining the influence of SOI on the precipitation and river flow variables.

Made available in DSpace on 2015-03-26T13:50:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 3947724 bytes, checksum: 50920d86d71706d9eadc4a9c51f528dd (MD5) Previous issue date: 2012-02-14 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / There is a clear shift happening in the physical environment of the Amazon forest, where human intervention has intensified dramatically during the last half of the twentieth century. Recent studies suggest that changes in regional climate caused by local deforestation have the potential to cause parts of the Amazon to cross an ecological tipping point : a critical threshold at which a relatively small perturbation can qualitatively alter the state or development of a system, in this case shifting the Amazon system into a new and drier equilibrium. In addition to the deforestation of the Amazon, continuing deforestation of the Cerrado (which has already been deforested by more than 55%) could combine with the climate impacts of Amazonian deforestation to produce a significant increase of the duration of the dry season in the transition zone between forest and savanna ( arc-of-deforestation‟) in south east Amazonia. However, the limits and patterns of deforestation in the Amazon and Cerrado that would affect forest‟s climate remain unknown. The aim of this study is to investigate the response of the climate of different regions of the Amazon rainforest to progressive deforestation of the Amazon and the Cerrado, and assess the possibility of the emergence of an alternative bioclimatic equilibrium. To achieve this goal, we generated 10 Amazon deforestation scenarios and 10 mixed deforestation scenarios, combining forest and savanna removal, and all scenarios were implemented in the coupled atmosphere-biosphere model CCM3-IBIS. We run 5 ensembles for each scenario, for 50 years each, with CO2 fixed at 380 ppm. The results show that when we consider the climate for the total forest area, there is no transposition of the tipping point. However, considering the arc-of-deforestation climate, we observed the emergence of a bioclimatic equilibrium typical of seasonal forest, and in regions in the south, southwest and east of the forest a bioclimatic equilibrium typical of savanna. In all of these cases, the combined effect of forest and Cerrado deforestation was significant. These results show the resilience of some regions of the forest and the vulnerability of others, which can help decision makers and conservationists in the development and implementation of conservation policies. / Há uma clara mudança acontecendo no ambiente físico da floresta amazônica, onde a intervenção humana se intensificou drasticamente durante a última metade do século XX. Recentes estudos sugerem que mudanças no clima regional causadas pelo desmatamento local possuem o potencial de fazer com que partes da Amazônia atravessem o chamado ponto de desequilíbrio do sistema. Este ponto se refere à probabilidade da Amazônia cruzar um limite crítico, que poderia fazer com que a mesma salte para um estado de equilíbrio bioclimático alternativo, mais seco que o atual. Além do desmatamento amazônico, a remoção total do Cerrado, que atualmente já foi desmatado em mais de 55%, agindo em conjunto o desmatamento da Amazônia, poderia induzir a um aumento na duração da estação seca na região de transição entre floresta e savana (arco do desmatamento), o que pode contribuir para o surgimento de um equilíbrio bioclimático alternativo para a região. Porém, ainda não se sabe quais os limites e sob quais padrões de desmatamento da Amazônia e do Cerrado o clima da floresta será afetado. O objetivo deste trabalho é investigar a resposta do clima de diferentes regiões da floresta amazônica ao desmatamento progressivo da Amazônia e do Cerrado, e verificar a possibilidade do surgimento de equilíbrio bioclimático alternativo para as mesmas. Para atingir esse objetivo, foram gerados 10 cenários de desmatamento amazônico e 10 cenários de desmatamento combinado entre floresta e Cerrado, que foram implantados no modelo acoplado atmosfera-biosfera CCM3-IBIS. Foram rodadas cinco ensembles para cada cenário, e as simulações tiveram a duração de 50 anos, com CO2 fixo em 380 ppm. Os resultados mostram que quando se considera o clima médio para a região total de floresta, não ocorre transposição de equilíbrio. Porém, considerando o clima médio para a região do arco do desmatamento, foi observado o surgimento de equilíbrio bioclimático típico de floresta sazonal, e em regiões no sul, sudoeste e leste da floresta foi observada transição para equilíbrio bioclimático típico de savana. Nos casos em que houve transposição do ponto de desequilíbrio do sistema, o efeito combinado do desmatamento de floresta e Cerrado mostrou-se significativo. Estes resultados mostram a resiliência de algumas regiões da floresta e a fragilidade de outras, o que pode auxiliar tomadores de decisão e conservacionistas na elaboração e implementação de políticas de conservação na floresta.

Made available in DSpace on 2015-03-26T13:50:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 2283755 bytes, checksum: 7b17f9a16dc883593adc1fe443b6a654 (MD5) Previous issue date: 2013-03-20 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / The performance of LSEMs (Land surface and ecosystem models) depends on the parameters of the equations representing the simulated process. However, the measurement of some parameters can be impractical or even impossible; therefore, they need to be estimated, or preferably optimized specifically for each ecosystem. When the parameters are calibrated to a single variable (mono-objective problem) they may not represent the reality, because the complexity of the model and its dependence on several variables (multi-objective problem). Thus, simultaneous multi-objective optimizations are indispensable. However, the optimization performance decreases as the number of variables to be optimized simultaneously increases. Furthermore, the study of simultaneous optimization using more than three objectives is a new area and not yet sufficiently studied. For simultaneous optimization of a large number of variables, there is a method that uses concepts of hierarchical systems theory in which the optimization occurs from the fastest (radiative fluxes) to the slowest process (carbon allocation). This study evaluates the performance of the hierarchical optimization using the index D (the average of the ratios between the individual outputs of multi-objective optimization and monoobjective). Understanding how the performance index D varies with respect to the number of objective functions optimized and to the number of hierarchical levels is important for the development of this research area. Two steps are necessary to achieve the study goals. First, a sensitivity analysis was performed to determine the output variables sensitivity to the model parameters. After, simulations were made using all possible combinations among the seven micrometeorological variables available (PARo, fAPAR, Rn, u *, H, LE, NEE) taking into account the hierarchy of processes. The results indicate that for up to three objective functions, hierarchical multi-objective optimization generates better results than the simultaneous multiobjective optimization (one hierarchical level), provided that the parameters distribution among hierarchical levels is consistent with the sensitivity analysis. Another important result shows that for the same number of outputs optimized, the greater the number of hierarchical levels the better the performance of the optimized model. However, the model performance falls quickly as the number of objective functions increases, evidencing that the power of hierarchy calibration that use a high number of objective functions is highly dependent on the removal of some constraints for model s performance. / O desempenho de um LSEM (Modelo de superfície terrestre e ecossistema) depende dos parâmetros das equações que representam os processos simulados. Contudo, a mensuração de alguns destes parâmetros pode ser impraticável ou até mesmo impossível; por isso, necessitam ser estimados ou, preferencialmente, otimizados para cada ecossistema. Quando os parâmetros são calibrados para uma única variável (problema mono-objetivo) eles podem não representar bem a realidade, dado a complexidade do modelo e sua dependência de diversas variáveis (problema multiobjetivo). Por isso, há a necessidade de uma otimização simultânea multiobjetiva. Porém, o desempenho da otimização diminui com o aumento do número de variáveis otimizadas simultaneamente e, além disso, o estudo da otimização simultânea de mais de três objetivos é uma área relativamente nova e não suficientemente estudada. Para a otimização simultânea de um grande número de variáveis, existe uma metodologia na qual se utiliza conceitos de teoria hierárquica de sistemas em que a otimização ocorre dos processos mais rápidos (fluxos radiativos) para os mais lentos (alocação de carbono). Este trabalho avalia o desempenho da otimização hierárquica do modelo, utilizando o índice D (a média das razões individuais entre as saídas das otimizações multiobjetiva e monoobjetiva). Entender como o índice de desempenho D do algoritmo de otimização hierárquico varia em relação ao número de funções objetivo otimizadas é de extrema importância para o desenvolvimento desta área de pesquisa. Para fazer atingir os objetivos, foram necessárias duas etapas. Primeiramente, foi feita uma análise de sensibilidade, a fim de conhecer a sensibilidade das variáveis de saída aos parâmetros do modelo. Depois, foram feitas simulações com todas as combinações possíveis entre as sete variáveis micrometeorológicas disponíveis (PARo, fAPAR, Rn, u*, H, LE, NEE) levando em consideração a hierarquia dos processos. Os resultados encontrados indicam que, para até três funções objetivo, a otimização multiobjetiva hierárquica pode gerar resultados melhores do que a otimização multiobjetiva tradicional (um único nível hierárquico), desde que a distribuição dos parâmetros entre as variáveis seja feita de forma coerente com a análise de sensibilidade. Outro resultado importante revela que para um mesmo número de saídas otimizadas, quanto maior o número de níveis hierárquicos melhor o desempenho do modelo otimizado. Porém, o desempenho do modelo diminui rapidamente quando o número de funções objetivo aumenta, evidenciando que o poder da calibração hierárquica para o uso de um grande número de funções objetivo é altamente dependente de algumas restrições que o modelo possui e um alto desempenho do modelo para muitas funções objetivo será possível somente após a remoção delas.

Made available in DSpace on 2015-03-26T13:50:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 2023570 bytes, checksum: 541afa66e8d3ed350acac866b888b61e (MD5) Previous issue date: 2013-07-29 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / One of the traditional forms of agricultural expansion is the conversion of natural ecosystems into cultivated areas, usually through deforestation. The Upper Xingu, located in the state of Mato Grosso Brazil, has been referred to as one of the regions of most intense conversion of natural ecosystems to pasture or cropland (specially soybean) in the country, and there is a concern with respect to how and how much these changes in vegetation modify the hydroclimatology of the region. Thus, this study aims to assess the influence of land cover changes on evapotranspiration and streamflow in small catchments of the Upper Xingu, in the southeastern Amazon basin. Streamflow was measured in small catchments with uniform land use in the region of study, and single point simulations were performed considering Tropical Rainforest, Cerrado and Pasture as land use in the InLand model and Soybean cropland as land use in the AgroIBIS model. Meteorological data and model input parameters such as the soil saturated hydraulic conductivity were measured at the Tanguro Ranch - MT. The simulation results provided by the InLand and AgroIBIS for the mean stream discharge were similar to the values observed between September 2008 and August 2010. Comparing the simulated streamflows for the four land uses in the Upper Xingu, it is possible to observe that the water yield in natural ecosystems (tropical rainforest and cerrado) was 53,5% lower than in agricultural ecosystems (pasture and soybean cropland). During the period of study, evapotranspiration was 38,3% lower in agricultural ecosystems compared with natural ecosystems. We also assessed the influence of 11 different soil textures on the partitioning of precipitation into evapotranspiration and mean annual streamflow for the four vegetation cover types studied. Regardless of soil texture, the simulated runoff in areas covered with tropical rainforest was always lower than that simulated for the other vegetation covers, and the difference between the simulated runoff for tropical rainforest and cerrado was greater for lower hydraulic conductivity saturated values. / Uma das formas tradicionais de expansão da fronteira agrícola é por meio da conversão de ecossistemas naturais em áreas de cultivo, geralmente por meio de desmatamento. A região do Alto Xingu, no Estado do Mato Grosso - Brasil, tem sido indicada como uma das regiões de mais intensa conversão de ecossistemas naturais em pastagens ou culturas agrícolas (principalmente a soja) no país e há preocupação em se compreender como e quanto essa alteração da cobertura vegetal modifica a hidroclimatologia da região. Assim, o objetivo deste trabalho é examinar o quanto a mudança na cobertura vegetal influencia a evapotranspiração e a vazão de microbacias do Alto Xingu, na região sudeste da bacia Amazônica. Foram feitas medições de vazão em microbacias com uso uniforme do solo na região de estudo e foram conduzidas simulações pontuais com as coberturas de floresta, cerrado e pastagem no modelo InLand e com cobertura de soja, no AgroIBIS. Os dados meteorológicos e parâmetros como a condutividade hidráulica saturada do solo utilizados nos modelos foram medidos na Fazenda Tanguro MT. As vazões médias simuladas nos modelos InLand e AgroIBIS foram semelhantes aos valores observados em campo no período de setembro de 2008 a agosto de 2010. Comparando-se as vazões simuladas para as quatro coberturas no Alto Xingu, estima-se que a conversão da precipitação em vazão nos ecossistemas naturais (floresta e cerrado) foi 53,5% menor que nos ecossistemas agrícolas (pastagem e soja). Quando comparado aos ecossistemas naturais, a evapotranspiração dos ecossistemas agrícolas foi 38,3% menor durante o período de estudo. Também se buscou avaliar a influência de 11 diferentes classes texturais no particionamento da precipitação em escoamento total e evapotranspiração nas coberturas estudadas. Independente da textura do solo considerada, o escoamento total com cobertura de floresta tropical foi sempre inferior à simulada para as demais coberturas e a diferença entre o escoamento total simulado para as coberturas de floresta e cerrado é maior quanto menores são os valores de condutividade hidráulica saturada.